SciAps führt Handheld-LIBS-Anwendungen auf der SciX 2022 an

Nachfolgend finden Sie Informationen zu neuen Anwendungen, die unter vorgestellt werden SciX mit dem weltweit führenden Handheld-LIBS, erstellt von den Leuten, die beim Schreiben des Buches über tragbare Spektroskopie und Spektrometrie mitgewirkt haben. Klicken Sie auf unsere Seite „Independent Studies“, um noch mehr zu erfahren.

SciX, präsentiert von FACSS, ist eine führende Konferenz für analytische Chemiker, die wissenschaftlichen Austausch suchen, mit einer einzigartigen Mischung aus technischen Sitzungen zu allen Bereichen der analytischen Chemie, einer hochmodernen Ausstellungsfläche und Networking-Möglichkeiten.

Grundlagen

Grundlegende Ansätze zur Erweiterung der Anwendungen kommerzieller Handheld-LIBS

Matthieu Baudelet, Kristen Livingston, Magdalena E. Jackson; Universität von Zentralflorida, Rensselaer Polytechnic Institute Die kalibrierungsfreie Methode wurde größtenteils erfolgreich auf LIBS (CF-LIBS) unter Laborbedingungen angewendet. Für die Analyse mehrerer Proben, für die keine Standards verfügbar sind (z. B. Anthropologie und Archäologie), ist jedoch zunehmend eine Feldanalyse erforderlich. Daher ist es praktischer, ein tragbares, handgehaltenes LIBS-Gerät (hhLIBS) zur Analyse dieser Materialien zu verwenden. Diese Studie stellt fest, ob die kalibrierungsfreie Methode auf hhLIBS-Daten angewendet werden kann, um die Elementkonzentration mithilfe von CF-LIBS erfolgreich zu messen. Der Nachweis der Fähigkeit von kalibrierungsfreiem hhLIBS, als genaue quantitative Technik zu dienen, würde den Bedarf an Matrix-angepassten Standards verringern und das Spektrum analytischer Anwendungen in der Feldarbeit erweitern. Der Schwerpunkt dieses Vortrags liegt auf den Ergebnissen und der Diskussion über die grundlegenden Unterschiede zwischen herkömmlichen und tragbaren LIBS-Plasmen, um festzustellen, wie viel breiter wir quantitative tragbare LIBS in Bereiche bringen können, in denen noch keine Kalibrierungsstandards verfügbar sind.

Chemometrie

Anwendungen von Klassifizierungsalgorithmen auf Daten von tragbaren Instrumenten

Caelin Celani, Karl Booksh, Jocelyn Alcantara-Garcia, Tyler Coplen, James Jordan, William Johnston, Amelia Speed, Rachel McCormick, Olivia Jaeger, Carolyn Chen; University of Delaware, United States Geological Survey, Fairmont State University, Army Public Health Center, Noramco, Eurofins PSS Insourcing Anwendung der Chemometrie auf verschiedene Anwendungen tragbarer Messgeräte Das Aufkommen und die wachsende Beliebtheit tragbarer Messgeräte ermöglichen die Ausweitung des Analyselabors auf bisher unzugängliche Standorte. Während ein Hauptnachteil der Feldportabilität eine verminderte spektrale Auflösung ist, kann die Implementierung einer multivariaten Datenanalyse genutzt werden, um einige Aspekte der geringeren Gesamtleistung im Vergleich zu Tischgeräten zu überwinden. Die Machbarkeit tragbarer Instrumente in Verbindung mit chemometrischen Klassifizierungsalgorithmen wird anhand von zwei unterschiedlichen Anwendungen gezeigt. Zunächst wird die erfolgreiche Klassifizierung einzelner tropischer Harthölzer der Gattung Dalbergia und ihrer Doppelgänger gezeigt. Bei dieser Analyse werden elementare Fingerabdrücke jedes Hartholzes mit laserinduzierter Durchbruchspektroskopie (LIBS) unter verschiedenen Bedingungen – einschließlich niedrigem Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) mit vielen Spektren und hohem S/N mit weniger Spektren – gesammelt und unterschieden eine Reihe von Klassifizierungsalgorithmen, darunter Partial Least Squares Discriminant Analysis (PLS2-DA), k-Nearest Neighbors (k-NN), Classification & Regression Trees (CART), Random Forests (RF) und Support Vector Machines (SVM). Aus dieser Studie kann der Schluss gezogen werden, dass LIBS nicht nur ein brauchbares Handwerkzeug zur Identifizierung von Holzarten ist, sondern dass auch weniger Spektren qualitativ hochwertigerer Daten, die mit SVM modelliert wurden, die besten Klassifizierungsergebnisse liefern. Zweitens werden historische Textilien mit faseroptischer Reflexionsspektroskopie (FORS) und Röntgenfluoreszenz (RFA) analysiert und anhand einer flachen Klassifikator-„Entscheidungsregel“ klassifiziert. Die Entscheidungsregel basiert auf sichtbaren Reflexionsspitzen und zeigt eine bessere Clusterbildung im Vergleich zu anderen relevanten Wellenlängenbereichen, die in der Kunstkonservierungsliteratur diskutiert werden. Dieses Problem der Clusteranalyse zeigt, dass beim Färben von Textilien Chromophore in so geringen Mengen vorhanden sind, dass Masseneigenschaften wie Textilfarbe alle Spurenanalysesignale überlagern. Darüber hinaus deuten die in dieser Arbeit dargestellten RFA-Spektren zumindest für Textilien darauf hin, dass der FORS-Wendepunkt nicht mit der Elementzusammensetzung des Textils und des Beizmittels korreliert.

Geologische Anwendungen

Von Mineralquellen und Stalaktiten bis hin zu Böden und Straßensicherheit: LIBS-Anwendungen, die unsere Lebensqualität verbessern

Nancy J. McMillan; New Mexico State University Die laserinduzierte Durchbruchspektroskopie (LIBS) mit chemometrischer Analyse und KI bietet potenziell disruptive Möglichkeiten. Jedes LIBS-Spektrum enthält eine enorme Menge an Informationen, darunter Konzentrationen aller natürlich vorkommenden Elemente, Isotopenverhältnisse und Strukturinformationen. Mehrere Projekte heben die einzigartigen Eigenschaften der chemometrischen Analyse von LIBS-Spektren hervor. Die geografische Herkunft von Edelsteinen ist von Bedeutung, weil: 1) der Wert von Edelsteinen teilweise auf der Herkunft basiert und 2) Vereinbarungen zur Begrenzung von Menschenrechtsverletzungen von einer genauen Bestimmung der Herkunft abhängen. Herkömmliche Techniken, mit denen Zusammensetzungsähnlichkeiten relativ kleiner Probensätze in chemischen Dreikomponentendiagrammen verglichen werden, führen zu unbefriedigenden Ergebnissen. Mithilfe von LIBS haben Kochelek et al. (2015) untersuchten 569 Rubine und Saphire von 21 Standorten in 11 Ländern mit erfolgreichen Vorhersageraten von 97.9 % (Saphir) und 95.4 % (Rubin) für die Herkunftsmine. Dieser Ansatz war erfolgreich, da sowohl die Anzahl der Stichproben als auch der Variablen groß war. Die Identifizierung biotischer und abiotischer Calcit-Höhlenformationen ermöglicht die Kartierung der räumlichen Verteilung nicht nur der Orte, an denen Bakterien derzeit aktiv sind, sondern auch der Orte, an denen sie in der Vergangenheit aktiv waren, eine Methode, die möglicherweise bei der Suche nach außerirdischem Leben nützlich ist. Calcitproben aus Fort Stanton Cave, New Mexico, USA, wurden sowohl mit Desktop- als auch mit tragbaren LIBS-Geräten analysiert; Chemometrische Modelle führten für beide Instrumente zu erfolgreichen Vorhersageraten von 92 %. Eine schnelle Messung wichtiger Nährstoffe im Boden könnte eine individuelle Anpassung von Düngemitteln ermöglichen, um nur die Nährstoffe bereitzustellen, die in bestimmten Parzellen fehlen Omer et al. (2020) kalibrierte LIBS und Spektren im sichtbaren nahen Infrarot, um die Konzentrationen wichtiger Nährstoffe in Böden zu bestimmen, und zeigte, dass LIBS gute Kalibrierungskurven liefert. Schließlich beeinflussen die in Straßen verwendeten Zuschlagstoffe die Qualität der Fahrbahn. Eine automatische LIBS-Einheit analysierte Gesteinsaggregatproben; Die chemometrische Analyse ermittelte dann technische Eigenschaften aus den kalibrierten Spektren, von denen einige in direktem Zusammenhang mit der chemischen Zusammensetzung standen. Es wurden erfolgreiche Modelle entwickelt, um das spezifische Gewicht, die Ausdehnung beim Gefrieren/Tauen und die Reibungseigenschaften von Aggregaten vorherzusagen sowie schädliche Materialien in Aggregaten zu identifizieren. Diese Anwendungen veranschaulichen die Kraft dieser Technologie, die Art und Weise zu verändern, wie wir über die Qualität und Quellen der Materialien denken, die wir in unserem täglichen Leben verbrauchen.

Beitrag von LIBS zu Mineralressourcen: von der Multielementanalyse zur mineralogischen Kartierung

Cécile Fabre; Université de Lorraine / GeoRessources Mineralogische und petrographische Studien erfordern analytische Methoden, mit denen sich die Verteilung von Haupt- und Spurenelementen in geologischen Proben ermitteln lässt. Die konventionellen Methoden EMPA (Electron Microprobe Analysis) und µXRF (Röntgenfluoreszenz), die für solche Untersuchungen verwendet werden, allerdings in eingeschränkten Bereichen, stehen kurz davor, durch die Technik µLIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) ersetzt zu werden, die eine schnelle Elementkartographie auf dünnem Gestein ermöglicht Abschnitte oder sogar größere Proben unter Umgebungsbedingungen. Diese spektroskopische Methode mit extrem schneller Erfassungsgeschwindigkeit (bis zu 1 kHz), niedrigen Nachweisgrenzen insbesondere für leichte Elemente (im Sub-ppm-Bereich) ist perfekt für die Multielementbildgebung von Haupt- und Spurenelementen geeignet und bietet die Möglichkeit, große Oberflächen zu scannen (mehrere cm2) mit einer mikroskopischen Auflösung (bis zu 15 µm). Da es sich außerdem um eine rein optische Methode handelt, ist es relativ einfach, andere Charakterisierungsmodalitäten wie optische, Raman- oder Lumineszenzbildgebung zu koppeln. Mineralunterscheidung und relative Elementgehalte sind mit dem tragbaren LIBS-Tool auch auf einem Millimeter-Beobachtungsbereich direkt auf der Oberfläche eines Felsvorsprungs oder eines beliebigen Gesteinsabschnitts möglich. In dieser Präsentation konzentrieren wir uns auf aktuelle Forschungsergebnisse zur Entwicklung von LIBS-Bildern für Mineralressourcen anhand verschiedener Themen: Elementkartierung (quantitativ oder nicht), mineralogische Unterscheidung oder Identifizierung, Korrelation zwischen Multielementergebnissen und molekularen Beobachtungen (z. B. Raman oder Lumineszenz). ), erhalten mit dem gleichen LIBS-Aufbau, Steigerung der Spektrenerfassung (bis zu kHz) mit einer Vergrößerung der Probenoberfläche. Wenn die Korrelation von zwei/drei elementaren Karten durch Betrachten (mit unseren Augen) der Karten vervollständigt werden kann und die Anzahl der Daten zu wichtig ist, kann der Beitrag chemometrischer Techniken von wesentlicher Bedeutung sein.

Quantitative Analyse von Fluor in geologischen Proben mit tragbarer laserinduzierter Abbauspektroskopie

Gabrielle Lambton; SciAps Präzise, ​​wiederholbare und schnelle quantitative Fluorergebnisse mit einem tragbaren LIBS-Analysegerät. Die laserinduzierte Durchbruchspektroskopie (LIBS) ist aufgrund des breiten Spektrums an nachgewiesenen Elementen ein nützliches Werkzeug für die Analyse geologischer Proben. Diese Studie nutzte ein tragbares LIBS-System zur Quantifizierung von Fluor in geologischen Proben. Empirische Kalibrierungsmodelle wurden mithilfe einer fortschrittlichen PC-basierten Software, Profile Builder, erstellt, um quantitative Daten zu sammeln. Diese Forschung befasst sich mit LIBS-Spektren, die sowohl in He- als auch in Ar-Umgebungen gesammelt wurden. Zu den verwendeten Proben gehört Cu-Au-Erz mit 340–72,500 ppm F. Aufgrund seiner hohen Anregungsenergie, die zu einer schwachen Emission der atomaren F-Linien führt, kann es schwierig sein, Fluor in einem LIBS-Spektrum nachzuweisen. Fluor kommt häufig in geologischen Proben vor, die Ca enthalten. In den späteren Stadien der LIBS-Plasmabildung rekombiniert F mit Ca und bildet Moleküle mit charakteristischen molekularen Emissionsbanden. In dieser Studie wurden CaF-Molekülbanden verwendet, um eine empirische Kalibrierung für F zu erstellen, und die Ergebnisse wurden mit einer Kalibrierung verglichen, die unter Verwendung atomarer F-Emissionslinien erstellt wurde. Die Genauigkeit und Nachweisgrenze von F wurde durch die Verwendung von CaF-Molekülbanden im Vergleich zu F-Atomemissionslinien verbessert. Die Signal-Hintergrund-Verhältnisse verbesserten sich bei der Bildung von Plasmen in He im Vergleich zu Ar, wohingegen die spektralen Intensitäten bei in Ar gebildeten Plasmen zunahmen. Kalibrierungen aus in He (gegenüber Ar) gebildeten Plasmen lieferten geringfügig bessere quantitative Ergebnisse für F. Diese Studie präsentiert Daten, die zeigen, dass mit einem tragbaren LIBS-Analysegerät genaue, wiederholbare und schnelle quantitative Ergebnisse für Fluor erzielt werden können.

Umwelt- und Kulturanwendungen

Optimierung handgehaltener LIBS-Instrumente für die Analyse archäologischer und historischer Stätten und ihrer Umgebung

Vincenzo Palleschi, Bruno Cocciaro, Olga De Pascale, Giorgio Senesi; CNR, ItalienDie Untersuchung archäologischer und historischer Siedlungen in ihrem natürlichen Umweltkontext ist aus der Perspektive der Umweltarchäologie äußerst wichtig, der Disziplin, die auf die Rekonstruktion antiker Umgebungen durch archäo- und paläobotanische Forschung abzielt. In diesem Rahmen ist es wichtig, tragbare Instrumente für die Analyse der interessierenden geologischen, biologischen und archäologischen Materialien zu entwickeln und einzusetzen. Die laserinduzierte Durchbruchspektroskopie (LIBS) weist grundsätzlich alle Eigenschaften hinsichtlich Empfindlichkeit und Effizienz auf, um in dieser Art von Untersuchungen effektiv eingesetzt zu werden. Das Erfordernis der Tragbarkeit spiegelt sich jedoch in einer schlechteren Analyseleistung handgehaltener LIBS-Geräte im Vergleich zu ihren Laboräquivalenten wider. In diesem Vortrag werden wir die Verfahren diskutieren, die entwickelt werden können, um die Behandlung der LIBS-Spektren zu verbessern, die mit Handinstrumenten bei der Untersuchung archäologischer und Umweltproben erfasst werden.

Statistische Sortierung vermischter Überreste mithilfe tragbarer LIBS

Kristen Livingston, Matthieu Baudelet, Jonathan Bethard, Katie Zejdlik-Passalacqua; University of Central Florida, University of South Florida, Western Carolina University Die vor Ort einsetzbare LIBS-Technologie beschleunigt die Wiedervereinigung von Individuen in vermischten menschlichen Überresten. Die Vermischung menschlicher Überreste ist sowohl im forensischen als auch im archäologischen Kontext eine herausfordernde Situation. Skelettelemente mehrerer Individuen sind gemischt und müssen sortiert oder neu mit ihren jeweiligen Individuen verknüpft werden. Diese Aufgabe ist oft mühsam, wenn nicht sogar entmutigend, wenn physische und/oder visuelle osteometrische Methoden eingesetzt werden. Allerdings sind körperliche Merkmale nicht der einzige nützliche Unterscheidungsfaktor zwischen den Knochen einzelner Personen. Auch ihr chemisches Profil kann von Person zu Person unterschiedlich sein. In dieser Studie wird untersucht, ob diese Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung von Skelettresten Knochen eindeutig in die jeweiligen einzelnen Gruppen einteilen können. Die laserinduzierte Abbauspektroskopie (LIBS) ist die Analysemethode der Wahl, um solche chemischen Profile von Knochen zu erhalten. Es erfordert keine Probenvorbereitung und liefert schnell ein optisches Emissionsspektrum, das für die Zusammensetzung der Probenoberfläche repräsentativ ist. Darüber hinaus ist LIBS quasi zerstörungsfrei; Es gibt keine sichtbaren Anzeichen dafür, dass Material von der Knochenoberfläche entfernt wurde. Schließlich ist die LIBS-Technologie in tragbaren, vor Ort einsetzbaren Instrumenten verfügbar. Da ein Großteil der Arbeit in der Anthropologie und Bioarchäologie vor Ort stattfindet, sind tragbare Instrumente für eine effektive und effiziente Analyse von entscheidender Bedeutung. Diese Studie simuliert die Analyse von Massengräbern und die Reassoziation vermischter Überreste auf der Grundlage der chemischen Informationen, die durch die LIBS-Spektren von Knochen bereitgestellt werden. Ein umfassender Datensatz wird erstellt, indem Spektren einer großen Untergruppe von Knochen erfasst werden, die jeweils aus mehreren bekannten individuellen Überresten stammen, die in Zersetzungsanlagen gewonnen wurden. Anschließend werden statistische Modelle erstellt und mit überwachtem maschinellem Lernen getestet. In Verbindung mit Datenreduktionstechniken können Diskriminanzanalysealgorithmen wie LDA und PLS-DA einen nicht klassifizierten Knochen erfolgreich der Person zuordnen, zu der er gehört. Diese Technik erweist sich als vielversprechendes Werkzeug, das Bioarchäologen und forensischen Anthropologen bei der Sortierung vermischter menschlicher Überreste hilft. Die Spektralanalyse von Knochen 248 mit tragbaren LIBS-Systemen hat großes Potenzial, die Reassoziation von Individuen innerhalb von Skelettverbänden zu beschleunigen.

Posterpräsentation: Anwendung von tragbarem LIBS und RFA zur Analyse archäologischer Artefakte – als bestes Studentenposter ausgezeichnet

Magdalena E. Jackson, Kristen Livingston, Mary Kate Donais, Matthieu Baudelet, Jacob T. Shelley, Douglas Perrelli; Rensselaer Polytechnic Institute, University of Central Florida, St. Anselm College, State University of New York at BuffaloLaserinduzierte Zerfallsspektroskopie (LIBS) und Röntgenfluoreszenz (RFA) ermöglichen eine schnelle Elementzusammensetzung fester Proben. Diese Techniken finden in der Archäologie Anwendung zur Unterscheidung ähnlicher, nicht identifizierter Exemplare. Allerdings wird die Archäologie häufig ohne den Einsatz analytischer Instrumente betrieben. Die Elementaranalyse kann archäologische Ausgrabungen unterstützen, indem sie traditionelle Feldmethoden durch empirische Informationen ergänzt. Darüber hinaus bieten tragbare LIBS- und RFA-Instrumente die Möglichkeit, Analysen vor Ort durchzuführen und die Richtung einer Ausgrabung festzulegen. In diesem Poster werden Ergebnisse von zwei Archäometrieprojekten vorgestellt, die den Einsatz tragbarer Elementeanalyseinstrumente untersuchen. In einem Fall wurde tragbares LIBS verwendet, um gemischte menschliche Knochen zu analysieren und Skelette zu organisieren. Zur Identifizierung und Trennung vermischter Skelettreste werden typischerweise fehleranfällige und subjektive Methoden eingesetzt. Es wird angenommen, dass LIBS eine sinnvolle konfirmatorische Ergänzung dieses Prozesses darstellen kann. Der erste Schritt zur Bestimmung der Machbarkeit dieser Anwendung bestand darin, einen Datensatz von LIBS-Spektren aus einer Reihe unterschiedlicher Skelette zusammenzustellen. Skelettreste von der Insel Sai im Sudan wurden verwendet, um Proben aus vorab ausgewählten Knochen und vorher festgelegten Stellen auf jedem Knochen zu gewinnen. Von zehn Skeletten wurden über 126 Messungen durchgeführt. Der Datensatz, bestehend aus Spektren und Skelettstandortinformationen, wurde mithilfe von Mustererkennungsmethoden analysiert, um zwischen einzelnen Skeletten zu unterscheiden. Der Zweck besteht darin, zu zeigen, dass LIBS eine praktikable Methode ist, um vermischte Skelettreste Personen zuzuordnen, die sich auf ihr Sehvermögen oder ihre Fitness verlassen oder nicht. In einem anderen Beispiel wurden Hand-RFA zur Untersuchung von Artefakten an der Ausgrabungsstätte des ehemaligen Cataract House Hotels in Niagara Falls, New York, verwendet. Mehrere Spektren wurden von zwei Gipswänden gesammelt, von denen angenommen wird, dass sie während separater Erweiterungen des Hotels errichtet wurden. Die Analyse der RFA-Spektren ergab einzigartige Elementgehalte und lieferte Beweise, die diese Hypothese stützen und Gipsrezepte mit bestimmten Zeiträumen in Verbindung bringen. Laborbasierte RFA- und LIBS-Messungen dieser Proben bestätigten die Feldergebnisse. Zu den weiteren Proben, die vor Ort gesammelt wurden, gehörten Flocken aus grünem Pigment, die mit mehreren spektroskopischen Methoden, darunter RFA, Raman- und Infrarotspektroskopie, analysiert wurden, um Informationen über die Herkunft des Pigments zu erhalten.

Fortgeschrittene Ansätze

Verwendung von LIBS zur Charakterisierung von Legierungen mit hoher Entropie für extreme Umgebungen

Prasoon K. Diwakar, Bharat Jasthi, Nicholas E. Pugh; South Dakota School of Mines, South Dakota School of Mines and Technology Neuartige Anwendung von LIBS für Legierungen mit hoher Entropie Multi-Hauptelement-Legierungen (MPEAs) und Legierungen mit hoher Entropie (HEAs) sind eine Materialklasse, die aufgrund ihrer überlegenen Eigenschaften zunehmend in extremen Umgebungen eingesetzt wird. Wenn unter Bedingungen gearbeitet wird, die dazu führen können, dass das Material auf ungewöhnliche Weise versagt, ist es wichtig, in Echtzeit zu wissen, was mit der Struktur des Materials geschieht. In dieser Studie wurde MPEA AlNbTaTiZr mittels Lichtbogenschmelzen synthetisiert und laserinduzierte Durchbruchspektroskopie (LIBS) wurde verwendet, um verschiedene Eigenschaften des MPEA zu analysieren und zu bestimmen. Bei der Analyse von LIBS-Spektren von MPEA kann das Vorhandensein verschiedener leichterer Elemente zu einem Matrixeffekt führen. Es ist wichtig zu bestimmen, wann und wo ein Matrixeffekt bei verschiedenen laserbasierten Techniken, wie z. B. LIBS, auftreten kann. Die erstellten und getesteten Proben bestanden entweder aus hochreinen Metallen (Al, Nb, Ta, Ti und Zr) oder aus hochreinen äquimolaren Konzentrationen von AlTi, AlNbTi, AlNbTiZr und AlNbTaTiZr. Es wird gezeigt, dass bei der Zugabe von Titan zu Aluminium und umgekehrt ein Matrixeffekt vorhanden war, bei der Zugabe anderer Komponenten jedoch in geringerem Maße. Mithilfe der LIBS-Spektralanalyse wurden verschiedene Materialeigenschaften einschließlich der Mikrohärte extrahiert. Weitere Details und Mechanismen der LIBS-Analyse von MPEAs hochentropischen Legierungen werden vorgestellt.