Как Работи Лазерният Анализ

{h1}

Лазерният анализ напредва всичко - от криминалистика и археология до здравеопазване и история на изкуството. Научете как работи технологията за лазерен анализ.

-Когато Теодор Майман изстреля първия лазерен импулс през 1960 г., някои описаха новата технология като решение, нуждаещо се от проблем-. Но учените бързо откриха, че лазерите не са новости и започнаха да разработват практически приложения за тях. Днес лекарите използват лазери, за да поправят увредените ретини, избелват родилни петна, премахват съжаляващи татуировки и правят деликатни хирургични разрези. Електронната индустрия на T-he включва лазери в различни компоненти, включително скенери за баркод, оптични системи за съхранение и компютърни принтери. А производителите използват енергията на лазерите, за да пробият дупки в диаманти и да режат материали, вариращи от титан до пластмаса.

Лазерите са особено важни за областта на аналитична химия, Експертите по аналитична химия разработват техники за определяне на химичния състав на веществата. Някои от тези техники измерват физичните свойства, като маса, показател на пречупване или топлопроводимост. Други техники разчитат на електрически заряди или ток, за да помогнат за идентифициране на съставните части на веществото. И други методи измерват поглъщането, излъчването или разсейването на електромагнитното излъчване. Тази последна категория е известна като спектроскопия.

Лазерно базирана спектроскопия се превръща във все по-важен аналитичен инструмент. Представете си лазерна система, монтирана на марсоход, базиран на Марс. Когато изстрелва лазерен импулс на марсианска мръсотия, инструментариумът на роувъра открива отразената светлина и определя химическия състав на почвата. А сега си представете войник с лазерна система, монтирана на гърба му. Използвайки ръчна сонда, която съдържа както лазер, така и оптика, войникът анализира подозрителен пътен пакет и определя, че съдържа взривен материал.

-Този вид на лазерния анализ изглежда като научна фантастика, но не е така. Учените днес разполагат с много различни видове аналитични техники на базата на лазер. Ще проучим някои от тези техники в тази статия и ще разгледаме една - лазерно-индуцирана разрушаваща спектроскопия, или LIBS - подробно за илюстриране на основите на технологията. Докато правим, ще научите как лазерният анализ спомага за напредъка на всичко от сигурността на страната, криминалистиката и медицинската диагностика до здравеопазването, археологията и историята на изкуствата.

-Първо, нека се потопим по-дълбоко в основите на аналитичната химия, за да разберем как лазерната технология се вписва в арсенални инструменти и техники, които могат да бъдат използвани за определяне на елементарните или молекулярни градивни вещества.

Лазерът като аналитичен инструмент

Изследовател подготвя проби за изследване на мас-спектрометрия.

Изследовател подготвя проби за изследване на мас-спектрометрия.

Отпуснете се за четене за момент, за да разгледате непосредствената си обстановка. Можете ясно да видите твърди предмети, като вашия компютър, бюро и принтер. Течностите - содата във вашата чаша и водата в аквариума ви - са също толкова ясно видими. Дори материали, които изглеждат невидими, като миризми и въздушни течения, могат да бъдат открити от други сетива. Всичко това "неща" - това, което учените наричат въпрос - се състои от молекули или комбинации от атоми. Аналитичните химици обичат да разделят молекулите на съставните си атоми или просто знаят какви молекули или атоми съставляват определено вещество.

-През годините аналитичната химия даде няколко инструмента и техники. Някои от тези инструменти и техники имат качествен характер: Те идентифицират елементите или съединенията, присъстващи в веществото, както наричат ​​химиците аналити, Други техники са количествени: Те всъщност измерват количествата на някои или на всички аналити. И в двата случая химическият анализ включва стимулиране на проба със светлина, електричество или силен магнит, за да предизвика промяна в пробата, която ще разкрие нейния химичен състав.

Предприеме масспектрометрия, изпитана аналитична техника. Да предположим, че биолог иска да знае какви токсини присъстват в замърсена риба. Тя можеше да вземе много малко парче мускулна тъкан от рибата и да я разтвори в течен разтворител. Тогава тя може да постави течността в резервоара или входа на масовия спектрометър. Оттам течността изтича в йонна камера, където е бомбардирана с лъч електрони. Това бомбардиране превръща атомите и молекулите в пробата в електрически заредени частици, известни като йони, След това биологът използва електрически или магнитни полета, за да раздели различните йони според тяхната маса или електрически заряд, като по този начин разкрива специфичните токсини, като DDT, присъстващи в рибата.

През последните години лазерът, който се използва като стимулиращо средство, се превърна в ценен инструмент в химичния анализ. Различните техники, базирани на лазер, използвани за анализ на вещества, попадат грубо в две категории: оптични и неоптични методи за откриване.

Например, една неоптична техника за лазерен анализ всъщност позволява на учените да "чуват" различни елементи. Известно е като импулсно-лазерна фотоакустикаи включва насочване на лазер върху проба. Докато пробата абсорбира енергия от лазера, тя се нагрява и разширява, създавайки вълна от акустично налягане. Пиезоелектрическият преобразувател, който превръща механичните вибрации в електрически импулси, слуша вълните и помага на химиците да идентифицират молекулите в пробата.

Спектрометрия на йонна мобилност, или IMS, е друг неоптичен метод. В IMS, първо лазер ablatesили разрези, минутни частици от повърхността на пробата преди йонизиране на материала. Йони, създадени чрез лазерно взривяване на пробата, се въвеждат в бързо движещ се поток от газ. Учените измерват колко бързо се движат йоните през газовия поток, което се влияе от размера и формата на йоните.

-Известен е лазерният анализ, базиран на оптични методи за откриване лазерна спектроскопия, Спектроскопията включва стимулиране на проба и след това анализ на получения резултат спектър - обхватът на излъчваното или абсорбираното електромагнитно излъчване. Спектроскопията е толкова жизненоважна като аналитичен инструмент, че изисква по-внимателно разглеждане. На следващата страница ще влезем в основите на спектроскопията, за да разберем как електромагнитният подпис на всеки елемент може да действа като пръстов отпечатък.

Основи на спектроскопията

В това просто изображение на атом можете да видите електроните, съществуващи в отделни орбити, както е предвидено от Бор.

В това просто изображение на атом можете да видите електроните, съществуващи в отделни орбити, както е предвидено от Бор.

Спектроскопията се възползва от факта, че всички атоми и молекули поглъщат и излъчват светлина при определени дължини на вълната. За да разберете защо, трябва да разберете как са структурирани атомите. Можете да прочетете за атомната структура в Как работят атомите, но бърз преглед тук ще бъде полезен. През 1913 г. датски учен по име Нилс Бор взе моделът на атома на Ернест Ръдърфорд - плътно ядро, заобиколен от облак от електрони - и направи някои леки подобрения, които по-добре се вписват в експерименталните данни. В модела на Бор електроните, заобикалящи ядрото, са съществували в дискретни орбити, подобно на планетите, обикалящи около Слънцето. Всъщност класическият визуален образ, който всички имаме от атоми, като този отдясно, е моделиран по концепция на Бор. (Оттогава учените се отдалечават от някои от заключенията на Бор, включително идеята за електрони, които се движат около ядрото по фиксирани пътища, вместо това предвиждат електрони, които да се събират около ядрото в облак.)

В атома на Бор електрон в определена орбита е свързан с определено количество енергия. За разлика от планетите, които остават фиксирани в орбитите си, електроните могат да скачат от една орбита на друга. Електрон в неговата орбита по подразбиране е в своята земно състояние, За да се придвижи от основното състояние в орбита, по-далеч от ядрото, един електрон трябва да абсорбира енергия. Когато това се случи, химиците казват, че електронът е в ан възбудено състояние, Обикновено електроните не могат да останат в възбудено състояние за неопределено време. Вместо това те скачат обратно към основното състояние, ход, който изисква освобождаването на същата енергия, която им позволи да се развълнуват на първо място. Тази енергия приема формата на a фотон - най-малката частица светлина - при определена дължина на вълната и, тъй като дължината на вълната и цвета са свързани, при определен цвят.

Как работи лазерният анализ: анализ

Атом абсорбира енергия под формата на топлина, светлина или електричество. Електроните могат да се движат от орбита с по-ниска енергия към орбита с по-висока енергия.

-Всеки елемент на периодичната таблица има уникален набор от орбити на Бор, който никой друг елемент не споделя. С други думи, електроните на един елемент съществуват в малко по-различни орбити от електроните на друг елемент. Тъй като вътрешните структури на елементите са уникални, те излъчват различни дължини на вълната на светлината, когато електроните им се възбудят. По същество всеки елемент има уникален атомен "пръстов отпечатък" под формата на набор от дължини на вълната или спектър.

Уилям Уолъстън и Джоузеф фон Фраунхофер разработиха първия спектрометър за да видите спектралните отпечатъци на елементи. Спектрометърът е инструмент, който и двете разпространява светлина и я показва за изследване. Светлината навлиза в тясна процеп и преминава през леща, която създава лъч от паралелни лъчи. Тези лъчи пътуват през призма, която огъва светлината. Всяка дължина на вълната е огъната малко по-различно, така че се получава серия от цветни ленти. Втори обектив фокусира светлината върху изходен процеп, който позволява на един цвят светлина да преминава през даден момент. Учените често използват малък телескоп, монтиран на грамофон, за да наблюдават по-лесно цвета, излизащ през процепа. След това ученият завърта или телескопа, или призмата, за да внесе друг цвят в полезрение. Чрез отбелязване на ъгъла на призмата или телескопа може да се определи дължината на вълната на излизащата светлина. Използването на спектроскоп за анализ на проба може да отнеме няколко минути, но може да разкрие много за източника на светлина. Някои спектрометри, известни като спектрографи, са създадени да снимат спектъра.

-Какво очаквате, - th-e спектрометърът е основен инструмент за химиците, провеждащи лазерна спектроскопия. След това ще разгледаме накратко някои от най-важните видове лазерна спектроскопия.

Преглед на лазерната спектроскопия

Ултравиолетов спектрограф за изобразяване направи тази снимка на С пръстените на Сатурн (вляво) и В пръстените (вдясно). Червените ленти означават

Ултравиолетов спектрограф за изобразяване направи тази снимка на С пръстените на Сатурн (вляво) и В пръстените (вдясно). Червените ленти означават "мръсни" частици, докато по-чистите частици от лед са показани като тюркоаз във външните части на пръстените.

При лазерна спектроскопия химиците тренират лазерен лъч върху проба, давайки характерен източник на светлина, който може да бъде анализиран чрез спектрометър. Но лазерната спектроскопия попада в няколко различни училища, в зависимост от това какъв вид лазерни химици предпочитат и кой аспект на възбудения отговор на атома те изучават. Нека разгледаме някои от тях по-отблизо.

Name-d след индийския учен, който го е открил, C.V. Раман, Раманова спектроскопия измерва разсейването на монохроматичната светлина, причинено от проба. Лъчът от аргоно-йонен лазер се насочва от система от огледала към леща, която фокусира монохроматичната светлина върху пробата. По-голямата част от светлината, отскачаща от пробата, се разсейва при същата дължина на вълната като входящата светлина, но част от светлината се разпръсква с различна дължина на вълната. Това се случва, защото лазерната светлина взаимодейства с фонониили естествено възникващи вибрации, присъстващи в молекулите на повечето твърди и течни проби. Тези вибрации причиняват фотоните на лазерния лъч да печелят или губят енергия. Промяната в енергията дава информация за фононите режими в системата и в крайна сметка за молекулите, присъстващи в пробата.

флуоресценция се отнася до видимото излъчване, излъчвано от определени вещества поради инцидентно излъчване при по-къса дължина на вълната. в лазерно индуцирана флуоресценция (LIF), химик активира проба обикновено само с азотен лазер или с азотен лазер в комбинация с багрилен лазер. Електроните на пробата се възбуждат и скачат до по-високи енергийни нива. Това възбуждане продължава няколко наносекунди, преди електроните да се върнат в основното си състояние. Тъй като губят енергия, електроните излъчват светлина или флуоресцират на дължина на вълната, по-дълга от дължината на лазерната вълна. Тъй като енергийните състояния са уникални за всеки атом и молекула, флуоресцентните емисии са дискретни и могат да бъдат използвани за идентификация. -

-LIF е широко използван аналитичен инструмент с много приложения. Например, някои държави са приели LIF, за да защитят потребителите от зеленчуци, омърсени с пестициди. Самият инструмент се състои от азотен лазер, сензорна глава и спектрометър, всички опаковани в малка, преносима система. Селскостопански инспектор насочва лазера върху зеленчук - листа от маруля, да речем - и след това анализира получената флуоресценция. В някои случаи пестицидите могат да бъдат идентифицирани директно. В други случаи те трябва да бъдат идентифицирани въз основа на това как взаимодействат с хлорофила, зеления пигмент, присъстващ във всички листа. -

Лазерна аблация индуктивно свързана плазмена оптична емисионна спектроскопия (LA-ICP-OES) има нелепо сложно име, така че нека започнем с ICP, което е сърцето на аналитичната техника. "P" в ICP означава плазма, йонизиран газ, състоящ се от положителни йони и свободни електрони. В природата плазмите обикновено се образуват само в звезди, където температурите са достатъчно високи, за да йонизират газа. Но учените могат да създават плазми в лабораторията, използвайки нещо известно като плазмена горелка. Факелът се състои от три концентрични тръби от силициев диоксид, заобиколени от метална намотка. Когато електрически ток преминава през намотката, се създава магнитно поле, което от своя страна индуцира електрически токове в газ, обикновено аргон, оставен да преминава през тръбите от силициев диоксид. Това възбужда аргоновия газ и създава плазмата. Дюзата в края на факела действа като изход за плазмата.

Сега инструментът е готов да анализира проба. В базираната на лазер версия на ICP-OES, алуминиев гранат, легиран с неодимов итрий (Nd: YAG), се използва за изрязване или изливане на няколко микроскопични частици от повърхността на пробата. Това означава, че анализът не се ограничава само до течностите - твърдите вещества също са честна игра. След това отвлечените частици се пренасят до факела pl-asma, където те се възбуждат и излъчват светлина.

-Лазерно-индуцираната спектроскопия на разрушаване (LIBS) е подобна на LA-ICP-OES, с изключение на това, че лазерът обезцветява пробата и създава плазма. Тъй като LIBS става все по-популярен през последните години, ние ще му обърнем по-голямо внимание по-нататък.

По-внимателен поглед върху лазерно-индуцираната спектроскопия на разрушаване

Настройката за лазерно-индуцирана разрушаваща спектроскопия

Настройката за лазерно-индуцирана разрушаваща спектроскопия

-Лазерно-индуцираната разрушаваща спектроскопия, или LIBS, значително напредва през последното десетилетие. Той може да анализира твърди частици, течности и газове и може да върне резултатите бързо, с много малко увреждане на пробата. Не само това, той може да върши работата си от разстояние, за разлика от някои аналитични инструменти, които изискват пробите да бъдат пренасяни в лаборатория. Например LIBS се използва за откриване на повърхностни замърсители в няколко ядрени реактора по света. Лазерът в тези системи е разположен на няколко метра от повърхността на реактора и все още е в състояние да функционира ефективно. Тези системи държат по-голямата част от уреда зад екраниращия материал, като само огледало и леща (които се използват за управление и фокусиране на лазерния лъч съответно) са изложени на ядреното излъчване.

Ще разгледаме други практически приложения на LIBS след малко, но как точно работи? Подобно на LA-ICP-OES, LIBS използва лазер за изрязване на малки частици от повърхността на пробата. Но в LIBS самият лазер създава плазма вместо плазмена горелка. Нека да разгледаме четирите основни части на типичната система LIBS и как работят. Диаграмата по-горе показва схема на настройката.

Как работи лазерният анализ: лазерният

  1. Лазерът, разбира се, е бизнес завършекът на инструмента. Като цяло, LIBS системите използват лазер с итриев алуминиев гранат (Nd: YAG), легиран с неодим, при неговата основна дължина на вълната от 1,064 нанометра, но са използвани много различни лазери. Лазерът не взривява пробата с непрекъснат лъч. Вместо това изстрелва импулси, като всеки импулс продължава около 5 до 20 наносекунди.
  2. Лазерната светлина преминава през леща, която фокусира енергията върху пробата. Някои системи работят върху лабораторната скамейка и разполагат с малки проби, може би с дебелина няколко сантиметра, поставени вътре в камера. Други системи могат да бъдат пренесени до отдалечен сайт и да се използват за анализ на по-големи обекти. И в двата случая, колкото по-плътно е фокусиран лазерът, толкова по-малко енергия е необходима за разграждането на пробата. В действителност лазерните импулси в LIBS обикновено носят енергия само от 10 до 100 милиджула. За да поставите това в контекст, помислете за енергията, необходима за повдигане на ябълка един метър право нагоре. Това е еквивалент на джаул. Едно милиджуло е 0,001 джаула - значително по-малко енергия. И все пак това все още е достатъчно, за да се премахне част от материала на извадката. Тъй като частиците се отстраняват от повърхността на пробата, те се йонизират, образувайки малък плазмен плам, който химиците наричат ​​"лазерна искра".
  3. С разширяването на плазмения шлейф съставните атоми в йонизирания газ се възбуждат. Само за няколко микросекунди възбудените атоми започнаха да се отпускат, което доведе до характерни спектрални емисии. Излъчената светлина пътува през серия от събиращи лещи, които фокусират светлината и я доставят към оптично-оптична система. Оптичната система с влакна пренася светлината към спектрометър.

-LIBS има няколко предимства. Тъй като пробата не изисква специална подготовка, процесът е сравнително прост и евтин. Не само това, LIBS може да се използва за определяне на елементарния състав на всяка проба, за разлика от някои техники, които са чудесни за анализ на твърди вещества, но не и течности и газове. Дори много твърдите материали са честна игра, защото лазерите носят толкова много енергия. Но едно от най-големите предимства на LIBS е способността му да предоставя информация, без да унищожава извадката. Лазерът премахва по-малко от милиграм материал, което на практика е невидимо. Както ще видим на следващата страница, това прави LIBS идеалното решение за анализ на ценни предмети, като картини или археологически артефакти.

Казус: Използване на лазерен анализ за изследване на картина

Произведенията на изкуството не непременно остаряват изящно, така че консерваторите могат да бъдат включени в старателно възстановяване на картини, като например

Произведенията на изкуството не непременно остаряват изящно, така че консерваторите могат да бъдат включени в старателно възстановяване на картини, като "Пието" на Хосе Рибера. Лазерният анализ може да премахне някои от догадките при възстановяването на изкуството.

За да разберете как лазерният анализ може да се използва по много практичен начин, помислете за музей, който притежава ценна картина от 18 век върху масло върху платното. През годините няколко добронамерени консерватори и меценати правят опити за реставрация, добавяйки нови слоеве боя към оригиналното произведение на художника. В допълнение, мръсотията и димът са се прилепили към повърхността на боядисването, което има цялостно потъмняване. Сега шедьовърът изглежда скучен и безжизнен. Музеят решава да направи анализ на картината, за да разбере както историята на реставрацията, така и да я върне в предишната си слава.

-При нормален процес на почистване, различни почистващи препарати и лакочистители се нанасят върху картина, за да се премахне всичко над оригиналното произведение на изкуството.Консерваторите използват памучни тампони, за да прилагат тези разтворители, като работят бавно и много внимателно, за да се гарантира, че не премахват твърде много материал. Но тъй като е трудно да се каже един слой от следващия, част от оригиналния пигмент неизбежно се губи. Нашите собственици на музеи биха искали да избегнат този проблем, ако могат. Чували са за нова революционна техника - лазерно-индуцирана разрушаваща спектроскопия - и решават да я изпробват.

Картината е пренесена в обект за опазване извън площадката, който включва LIBS хардуер и инструменти. Инча на инч картината се анализира. Тъй като лазерът премахва част от повърхностния материал и спектрометърът изследва емисиите, произведени от плазмения шум, химиците, работещи в лабораторията, могат да определят точно какви молекули присъстват. Например, когато анализират секция с бяла боя, те научават, че присъстват два различни пигмента. Единият съдържа олово, докато другият съдържа титан. Титановият бял не е бил наличен в търговската мрежа чак след 1920 г., така че те знаят, че приложението за титан се появи по-късно като част от възстановяването. Не само това, лабораториите могат да кажат точно къде свършва един слой, а следващият започва просто като забележи промяната в спектралните емисии.

В действителност музеите тепърва започват да експериментират с LIBS и обикновено на малки, скрити участъци от платно. Но в близко бъдеще те ще могат да използват технологията, за да анализират картината и да я възстановят напълно. В такава ситуация консерваторът ще премахва боя и мръсотия слой по слой, докато стигне до оригиналното произведение на художника.

-Зъболекарите също започват да експериментират с LIBS, като използват лазерен анализ, за ​​да определят къде точно завършва -кавитацията и започва здравият зъбен емайл. И инженерите за контрол на качеството в алуминиевите предприятия използват технологии за лазерни анализи, за да гарантират, че сплавите имат точно точната част от съставните метали. Археолозите и криминалистите също намират технологията за безценна. Всъщност лазерният анализ доказва, че лазерът, който е на почти 50 години, не е решение в търсене на проблем, а мощен инструмент, който може да помогне да се отговори на редица въпроси.


Видео Добавка: Фалопластика (уголемяване на пенис) - Анализ от д-р Христос Флиатурас, хирург уролог-андролог.




Изследване


5 Невероятни Елемента На Зелена Архитектура
5 Невероятни Елемента На Зелена Архитектура

4D Печат Май Болстер Арсенал На Американската Армия
4D Печат Май Болстер Арсенал На Американската Армия

Наука Новини


Пю-Пю! Лазерно Оръжие Може Да Въоръжи Изтребителите На Ввс
Пю-Пю! Лазерно Оръжие Може Да Въоръжи Изтребителите На Ввс

Парализа На Лицето На Анджелина Джоли: Какво Е Парализа На Бел?
Парализа На Лицето На Анджелина Джоли: Какво Е Парализа На Бел?

Костите В Тръбите От Лава Разкриват Естествената История На Хаваите
Костите В Тръбите От Лава Разкриват Естествената История На Хаваите

Творчески Създания: 10 Животни, Които Използват Инструменти
Творчески Създания: 10 Животни, Които Използват Инструменти

Ето Как Да Гледате Метеорния Дъжд На Персейд Този Уикенд
Ето Как Да Гледате Метеорния Дъжд На Персейд Този Уикенд


BG.WordsSideKick.com
Всички Права Запазени!
Възпроизвеждането На Използваните Материали Оставя Само Prostanovkoy Активна Връзка Към Сайта BG.WordsSideKick.com

© 2005–2020 BG.WordsSideKick.com