Сотрудники химического факультета МГУ разработали модель, которая рассчитывает параметры лазерной плазмы и быстро определяет содержание химических элементов в испаряемой пробе. Предложенный учеными алгоритм позволяет в том числе определять редкоземельные элементы прямо в породах.
При высоких плотностях мощности лазерного излучения в среде, где происходит его распространение, наблюдается явление оптического пробоя – лавинообразная ионизация вещества и образование светящейся плазмы. Химики научились использовать этот эффект для того, чтобы определять состав исследуемого образца, так как все атомы и ионы, находящиеся в области развития оптического пробоя, излучают на своих длинах волн. Можно изучать и твёрдый образец: если излучение сфокусировать на него, с поверхности также происходит испарение с образованием плазмы. А спектр лазерной плазмы позволяет идентифицировать элементы и определять их концентрации. Такой метод называется лазерно-искровой эмиссионной спектроскопией (ЛИЭС).
Метод ЛИЭС стал универсальным для анализа твёрдых образцов, жидкостей, газовых сред, взвешенной пыли и аэрозолей. Однако исследование спектров лазерной плазмы осложняется высоким фоновым излучением и эффектом самопоглощения, и такое неоспоримое достоинство, как универсальность, нивелируется невысокой чувствительностью, которая ограничивает применение метода в аналитической практике.
Для описания «леса» из пиков в эмиссионных спектрах (в частности, для железа может наблюдаться несколько десятков тысяч линий) специалисты пытаются моделировать лазерно-индуцированную плазму. Дело в том, что, не имея никаких представлений о параметрах плазмы, корректно расшифровать эмиссионный спектр практически невозможно. Существующие модели лазерной плазмы либо требуют значительных по времени расчетов, либо не обеспечивают хорошего совпадения экспериментальных и расчетных данных. К примеру, динамическое описание плазмы, получающейся при испарении одного образца, может занимать более суток, что неприемлемо для рутинного анализа.
Сотрудники кафедры лазерной химии химического факультета МГУ под руководством доцента, к.х.н. Тимура Лабутина предложили использовать стационарную модель лазерной плазмы, позволяющую легко идентифицировать линии спектров эмиссии плазмы. Входными данными для алгоритма стали температура, электронная плотность, масса плазмы и доли компонентов в смеси. Алгоритм может рассчитывать спектр за 2 миллисекунды. Варьируя параметры плазмы, ученые «подгоняют» смоделированный спектр под экспериментальный. Помимо учета самопоглощения, моделирование спектра позволяет оценить наложение эмиссионных линий разных элементов, поскольку в реальных образцах может содержаться большая часть Периодической таблицы.
«Раньше оптимизация всех экспериментальных параметров для проведения анализа требовала большого количества предварительных измерений. Теперь же мы моделируем спектр для нескольких характерных условий в лазерной плазме, затем оцениваем самопоглощение и взаимное мешающее влияние эмиссионных линий элементов. Соответственно, мы можем до эксперимента выявить основные мешающие факторы и выбрать подходящие условия для измерений», — прокомментировал исследование Тимур Лабутин.
Предложенная российскими учеными модель позволяет значительно повысить правильность метода ЛИЭС, а в ряде случаев улучшить его чувствительность за счет оптимизации экспериментальных условий. Предложенный алгоритм интерпретации экспериментальных спектров позволяет расширить список анализируемых методом ЛИЭС объектов: «Мы показали, что метод может на уровне 6 ppm определять в образце легкие редкоземельные элементы, что ниже их среднего содержания в земной коре. Это значит, что метод стал пригоден для определения редких земель в реальных породах», — пояснили авторы. Кроме того, с помощью нового алгоритма можно существенно улучшить результаты при определении следов в многокомпонентных пробах, например, серебра в рудах. Еще одной важной практической задачей, для которой использование моделирования оказалось существенно полезным, стало экспрессное определение углерода в сталях на воздухе.
Высокая значимость данного исследования подтверждается тем, что публикация по его результатам была выбрана для обложки свежего номера журнала Spectrochimica Acta Part B.