Arbeitsgruppe Anorganische Spurenanalyse

Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)

Das Prinzip von LIBS basiert auf der Fokussierung eines gepulsten Lasers mit hoher Energie (GW/cm2) auf eine Probenoberfläche. Der Laserpuls trägt Material von der Probe ab, und es bildet sich ein laserinduziertes Plasma. In diesem Plasma wird das zuvor abgetragene Material teilweise atomisiert, ionisiert und angeregt. Wenn die angeregten Zustände zerfallen, wird elementspezifische Strahlung emittiert. Mit einer Sammeloptik wird das aus dem Plasma emittierte Licht gesammelt, mit einem Polychromator nach Wellenlänge getrennt und mit einer CCD-Kamera erfasst. Da LIBS-Spektren große Mengen an Informationen enthalten (eine Stunde LIBS-Analyse erzeugt in der Regel mehrere GB an Daten), werden für die Datenanalyse häufig Machine Learning und andere chemometrische Tools eingesetzt (Abbildung 1).

 

Laser Pulse wird auf eine Probenoberfläche fokussiert. Der Laserpuls trägt Material von der Probe ab und es bildet sich ein Plasma.  In diesem Plasma wird das Material teilweise atomisiert, ionisiert und angeregt. Wenn die angeregten Zustände zerfallen, wird elementspezifische Strahlung emittiert. Mit einer Sammeloptik wird das aus dem Plasma emittierte Licht gesammelt, mit einem Polychromator nach Wellenlänge getrennt und mit einer CCD-Kamera erfasst.

© Lukas Brunnbauer

LIBS

Abbildung 1. Schematische Darstellung von Laser-Induced Breakdown Spectroscopy

LIBS weist mehrere Merkmale auf, die es zu einer einzigartigen Technik im Bereich der Elementaranalyse durch direkte Feststoffproben machen:

  • LIBS kann alle Elemente des Periodensystems nachweisen.

  • LIBS bietet Nachweisgrenzen, die vom µg/g-Bereich für Alkali- und Erdalkalimetalle bis zum Promillebereich für Nichtmetalle reichen

  • LIBS ermöglicht die gleichzeitige Analyse mehrerer Elemente und ist damit ein hervorragendes Instrument für die nicht zielgerichtete Analyse, die besonders dann nützlich ist, wenn keine Informationen über eine Probe vorliegen. Darüber hinaus ist die Multielementanalyse sehr nützlich für die Klassifizierung, Identifizierung oder Unterscheidung von Proben auf der Grundlage eines elementaren Fingerabdrucks. Dies ist in vielen verschiedenen Bereichen wie Materialwissenschaft, Forensik, Biowissenschaften oder Umweltanalyse von großem Interesse.

  • LIBS kann räumlich aufgelöste Informationen mit einer lateralen Auflösung im Bereich von 50-200 µm und einer Tiefenauflösung im niedrigen µm-Bereich liefern. Daher ist es ein hervorragendes Werkzeug für die schnelle Messung großer Probenflächen (bis zu mehreren cm2) und die Analyse von Schichtsystemen von bis zu mehreren mm.

  • LIBS kann in einer Stand-Off-Konfiguration betrieben werden, die eine Analyse in einer Entfernung von mehreren Metern ermöglicht.