Grundlagen
Das Kürzel LIBS steht für "Laser Induced Breakdown Spectroscopy". Mit dieser laserspektroskopischen Methode ist es möglich, die atomare und,
mit Einschränkungen, auch die molekulare Zusammensetzung einer Probe zu ermitteln. Die LIBS-Analysemethode hat ein breites Anwendungsspektrum
in Forschung, Sicherheitstechnik, Umweltanalytik und industrieller Prozesskontrolle.
Das Grundprinzip der LIBS ist dabei sehr simpel: Ein sehr kurzer, energiereicher Laserpuls wird auf eine zu untersuchende Oberfläche fokussiert.
Die hohe Leistungsdichte im Fokus führt zur starken Erhitzung des Materials von typischerweise einigen 10.000°C. Die hohe Temperatur bewirkt
die Ausbildung eines Licht emittierenden Plasmas, dessen Emission charakteristisch für das jeweilige Material ist. Die vom Plasma ausgesandte
Strahlung wird über eine optische Faser einem Spektrometer zur Analyse zugeführt. Eine spezielle Software ermöglicht die vollautomatisierte
Auswertung der Informationen.
Grundprinzip der LIBS: Ein hochenergetischer Laserpuls generiert ein Plasma auf der zu untersuchenden Oberfläche. Die Spektralanalyse der Plasmaemission erlaubt die Bestimmung der atomaren Zusammensetzung der Probe.
Die Messung der Intensitäten einzelner Spektrallinien verschiedener Elemente erlaubt Rückschlüsse auf die atomare Zusammensetzung der Probe.
Das so aufgenommene Spektrum kann als Fingerabdruck ("Fingerprint 1. Ordnung") des Materials aufgefasst werden und durch Vergleich mit den Daten
bekannter Stoffe zur Identifikation/Analytik herangezogen werden.
Neben diesem Intenstitätsspektrum ermöglicht die Analyse des zeitlichen Verhaltens einzelner Emissionslinen ("Fingerprint 2. Ordnung") auch
Informationen über die molekulare Struktur eines zu analysierenden Materials. Dies ist insbesondere für die Analytik von Polymeren, biologischen
Proben und Explosivstoffen interessant, da diese zum Großteil aus den Elementen Kohlenstoff (C) Wasserstoff (H), Stickstoff (N) und Sauerstoff (O)
bestehen. Während sich die LIBS-Intensitätsspektren verschiedener Stoffe dieser Klassen, aufgrund der ähnlichen atomaren Zusammensetzung, nur
gering voneinander unterscheiden, so wird durch Hinzunahme der Zeitinformation eine Klassifikation möglich.
Vorteile gegenüber anderen Analysemethoden
Die grundsätzlichen Vorteile der LIBS gegenüber herkömmlichen Analysemethoden können wie folgt zusammengefasst werden:
- Einfaches Konzept
- Online- Analyse unter Echtzeitbedingungen
- Onsite- Kompakte Systeme erlauben Analytik direkt vor Ort
- Insitu- Keine Probenaufbereitung notwendig
- Nahezu zerstörungsfrei
- Qualitative und quantitative Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer Probe
- Simultane Multielementeanalytik
Die Messungen können daher online, onsite und insitu erfolgen. LIBS Systeme der SECOPTA basierend auf hochstabilen Microchiplasern
sowie automatisierten Auswertealgorithmen und eignen sich daher besonders für den industriellen Einsatz.
Laserstrahlquellen für LIBS
Zur Erzeugung eines Plasmas werden sehr hohe Leistungsdichten benötigt. Die verwendete Strahlquelle muss daher eine hohe Pulsenergie mit kurzer
Pulsdauer und guter Strahlqualität verbinden. Im Allgemeinen werden daher aktiv oder passiv gütegeschaltete Festkörperlaser für die LIBS verwendet.
Für die Anwendung in industriellen Systemen müssen häufig noch zusätzliche Rahmenparameter, wie geringe Energieaufnahme, Wartungsfreiheit,
kompakte Abmessungen, hohe Wiederholrate und Robustheit beachtet werden.
Mikrochiplaser erfüllen diese Anforderungen in hervorragender Weise.
In den Systemen der SECOPTA kommen Mikrochiplaser der CryLaS GmbH auf Basis von Nd:YAG zum Einsatz.
Spektrometer
Bei der Auswahl des Spektrometers müssen neben Spektralbereich und Auflösungsvermögen anwendungsspezifische Rahmenbedingungen, wie Auslesegeschwindigkeit, Abmessungen und Stabilität berücksichtigt werden. Entsprechend den Zielelementen und der Ergebnisse mit den Proben des Kunden im Anwendungslabor wird der benötigte Spektralbereich und das Auflösungsvermögen bestimmt. Die Auswahl an Spektrometern geht dabei von mit Interferenzfiltern versehenen Photomultipliern über Kompaktspektrometer mit CDD-Zeile bis hin zu Echellspektrometern mit Flächensensor.
Datenanalyse
Für die praktische Anwendbarkeit eines LIBS-Systems kommt der vollautomatisierten Datenauswertung eine besondere Bedeutung zu.
Nach einer Messung liegt zunächst ein Spektrum vor.
Nach Filterung und Eingrenzung des Spektralbereichs wird eine Datenreduktion mit chemometrischen Methoden durchgeführt. In der folgenden Darstellung ist die Datenmenge jeder Einzelmessung von 2048 Werten auf lediglich zwei Zahlenwerte reduziert worden. Jeder Punkt entspricht einer Messung in diesen neuen Koordinaten. Die verschiedenen Farben sind unterschiedlichen Materialien zugeordnet.
Die Abbildung zeigt, dass es nach der Datenreduktion möglich ist, die einzelnen Stoffe anhand von zwei Zahlenwert eindeutig zu klassifizieren.
Werden mehr als zwei Komponenten zur Klassifikation benötigt, so kann die Auswertung der Daten durch den Einsatz von selbstlernenden Algorithmen,
wie Neuronalen Netzen erfolgen. Die SECOPTA GmbH hat eine Software entwickelt, mit der der Anwender selbstständig eine Datenbank aufbauen, ein
Neuronales Netz trainieren und dieses Netz zur automatisierten Objektklassifikation einsetzen kann.
Anwendungen
Aufgrund der Möglichkeit nahezu jede Probe hinsichtlich Ihrer atomaren Zusammensetzung zu charakterisieren ist die LIBS sehr universell einsetzbar.
Im folgenden sind nur einige mögliche Anwendungen aufgelistet:
- Industrielle Prozesskontrolle
- Qualitätskontrolle
- Erkennen von Oberflächenverschmutzungen
- Plagiatsschutz
- Industrielle Sortieraufgaben
- Recycling
- Umweltbelastungsmessungen (z.B. Schwermetallbelastungen)
- Explosiv- und Gefahrstoffdetektion
- Detektion von Landminen
Einige Beispielanwendungen sind unter der Rubrik "Applikationen" näher beschrieben.
