Лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия (LIBS) в геологоразведке: обзор возможностей и применений

Лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия (LIBS) — это разновидность оптической эмиссионной спектроскопии, позволяющая проводить быстрый многоэлементный анализ. LIBS эффективен для геологических изысканий, а также широкого спектра минералов, горных пород, почв как в традиционных лабораторных условиях, так и за их пределами. Благодаря появлению портативных лазерных анализаторов для анализа в реальном времени непосредственно на месторождениях, лазерные анализаторы находят все более широкое применение в геологии.

О методе LIBS (лазерно-искровой эмиссионный спектрометр)

LIBS — это разновидность атомно-эмиссионной спектроскопии — метода химического анализа, который измеряет интенсивность света, излучаемого искрой, электрической дугой или плазмой. Это простой, надежный и универсальный метод, позволяющий быстро определять элементный состав любых материалов с минимальной пробоподготовкой.

Каждый элемент имеет по крайней мере одну оптическую линию излучения в типичном спектральном диапазоне 200–900 нм, который охватывается большинством лазерных анализаторов. Таким образом, один лазерный импульс генерирует широкополосный спектр, который в реальном времени документирует наличие всех элементов в пробе выше их предела обнаружения, определяемого конструкцией прибора и матрицей образца.

Анализ по методу ЛИЭС с помощью портативных анализаторов широко применяется в геологии, так как этот метод обладает высокой чувствительностью к самым легким элементам (H, He, Li, Be, B, C, N, O, Na, Mg), которые могут присутствовать в материалах в высоких концентрациях, но трудно определяются некоторыми другими методами (например, XRF/РФА). Метод LIBS обычно позволяет обнаруживать элементы в образце на уровне содержаний до мкг/г, что обеспечивает быстрое многоэлементное картирование с высоким разрешением. Спектральный лазерно-искровой анализ может использоваться для быстрой идентификации неизвестных материалов при использовании хемометрических методов и предварительно созданных баз данных. Количественный анализ методом ЛИЭС возможен с использованием внешней калибровки на основе стандартных образцов, очень близких по матрице к анализируемым. Также возможен полуэмпирический анализ с использованием методов, не требующих калибровки.

Строение лазерного анализатора

Четырьмя основными компонентами LIBS-прибора являются: лазер, система фокусировки и сбора света, спектрометр/детектор и программное обеспечение для управления и регистрации данных. Наиболее часто используется короткоимпульсный лазер, который за секунды генерирует энергию, необходимую для превышения порога образования плазмы, вызывает пробой материала и формирование плазмы. Система регулирует последовательность анализа LIBS — запуск лазерного импульса, количество импульсов, интервал между ними, начало регистрации света плазмы и интервал сбора сигнала. Оптическая система из зеркал и линз фокусирует лазерный луч на образец и собирает излучение, испускаемое плазмой. Далее, детектор/спектрометр собирает и спектрально разделяет световое излучение плазмы.

Появление портативных лазерных анализаторов около двух десятилетий назад значительно облегчило проведение геохимического анализа непосредственно в «полевых условиях». Их аналоги — портативные XRF-анализаторы и спектрометры коротковолнового инфракрасного диапазона имеют технические ограничения, которые сужают их детекционные возможности. В то время как лазерные анализаторы, как новейшее дополнение группы портативных технологий, предлагают возможности для анализа легких элементов, которые могут заполнить этот пробел.

Преимущества метода LIBS (ЛИЭС)

Лазерные анализаторы обладают набором характеристик, которые делают их особенно полезными для анализа геологических сред, включая рудные и буровые месторождения.

Пределы обнаружения элементов для лазерно-искрового анализатора сильно варьируются, но постоянно улучшаются на протяжении последних двух десятилетий по мере технического прогресса. Пределы обнаружения зависят от анализируемого элемента, типа и физических характеристик образца, прибора и условий анализа.

Пределы, получаемые с помощью лабораторных лазерно-искровых систем, ниже, чем у портативных анализаторов, поскольку мощность лазера и другие рабочие параметры могут быть настроены и точно контролироваться под конкретный тип образца. Некоторые элементы с низким потенциалом ионизации (например, Li) имеют довольно низкие пределы обнаружения, тогда как элементы с высоким потенциалом ионизации (например, F, Cl, S) имеют гораздо более высокие.

Визуализация программного обеспечения

Еще одним преимуществом портативных лазерных анализаторов является быстрое многоэлементное определение химического состава, которое может быть как качественным, так и количественным. Способность визуализировать распределение элементов в образце позволяет выявить состав, сложные структуры, парагенезис и т.д. Для визуализации состава геологических образцов были разработаны исключительно быстрые и высокопространственно-лабораторные методы.

Качественный и количественный ЛИЭС-анализ

Самой базовой возможностью LIBS является обнаружение элементов. Поскольку все элементы имеют эмиссионные линии в диапазоне длин волн 200–900 нм, и поскольку интенсивность эмиссии пропорциональна содержанию элемента в плазме, регистрация положения и интенсивности характеристических длин волн в LIBS-спектре предоставляет информацию как о химических видах, присутствующих в образце, так и об их концентрации.

Любой элемент в любом типе материала может быть обнаружен по наличию его атомных, ионных или молекулярных эмиссионных линий в LIBS-спектре. Кроме того, вся информация о составе, содержащаяся во всем широкополосном спектре эмиссии, может рассматриваться как геохимический «отпечаток», основанный на предпосылке, что образцы разного состава будут генерировать уникальную спектральную подпись, которая может использоваться для таких применений, как определение минералов или пород сходного состава и определение происхождения минералов или пород.

Лазерный анализатор может генерировать точные и надежные количественные результаты с использованием стандартного калибровочного подхода, если анализируемая матрица остается постоянной, а все инструментальные параметры контролируются и не изменяются в ходе аналитического исследования. Используя подход калибровочной кривой, содержания элементов в наборе образцов могут быть определены путем сравнения интенсивностей эмиссии, зарегистрированных для образца, с соотношениями интенсивность–концентрация, наблюдаемыми для набора стандартов в ожидаемом диапазоне концентраций неизвестных образцов.

Калибровочная кривая напрямую связывает измеренную интенсивность площади пика в спектре со стандартами известного состава, измеренными в тех же аналитических условиях. Надежные калибровочные кривые могут быть созданы путем выбора соответствующих эмиссионных линий и использования линейных или квадратичных регрессионных моделей.

Применение лазерных анализаторов в разведке полезных ископаемых и переработке руд

В горнодобывающей промышленности необходимо измерять состав горных пород и минералов как в ходе разведочного и оценочного бурения, так и при добыче и переработке руды. Одним из факторов, определяющих эффективность открытых горных работ, является время, затрачиваемое на мониторинг состава для измерения качества руды при добыче и первичной переработке. Обычно пробы отбираются на горном участке, транспортируются в центральную лабораторию (на месте или вне его) и анализируются с использованием оборудования, требующего трудоемкой и длительной пробоподготовки и аналитических процедур, а результаты затем передаются обратно на горный участок для принятия решений. Портативный лазерный анализатор способен кардинально изменить этот сложный многоступенчатый процесс управления разведкой, добычей и оценкой.

Особенно важными характеристиками ЛИЭС анализатора в контексте разведки полезных ископаемых и переработки руд являются его возможности для:

• химического анализа в реальном времени в полевых условиях с минимальной подготовкой образцов или без пробоподготовки;
• «полевой» анализ с пространственным масштабом до ~10 мкм;
• анализа тонких корок, покрытий или поверхностных изменений;
• быстрой и высокопространственно-разрешенной визуализации химически зональных пород, минералов и минералогически сложных образцов;
• внутрискважинного анализа состава и онлайн-мониторинга пульпы при переработке руды.

LIBS — универсальный метод, который может использоваться в разведке полезных ископаемых и переработке руд для решения любых из пяти типичных задач, обычно стоящих перед пользователями методов спектроскопии и спектрометрии:

• Обнаружение — присутствует ли интересующий элемент в этом образце?
• Идентификация — что это за образец?
• Подтверждение — верна ли атрибуция образца?
• Классификация — к какому классу принадлежит этот образец?
• Количественное определение — какова концентрация элемента в этом образце?

Существует широкий потенциал для использования LIBS в разведке полезных ископаемых и переработке руд. В ходе полевой разведочной кампании анализ с помощью портативного ЛИЭС может быстро идентифицировать и количественно определять экономически важные элементы, которые не могут быть распознаны другими методами.

Он также может обеспечить микро- и макро-масштабный анализ, необходимый для понимания распределения элементов в наборе образцов. LIBS-системы могут быть разработаны для контроля качества при переработке руды. В более широком смысле, LIBS-анализ может использоваться как инструмент, облегчающий оценку перспективных участков и ускоряющий принятие управленческих решений.

LIBS vs XRF: ключевые особенности и портативные решения

Портативные лазерные анализаторы LIBS часто сравнивают с рентгенофлуоресцентными (XRF) анализаторами. Обе технологии определяют элементный состав, но LIBS имеет важные преимущества для геологоразведки: анализ легких элементов (Li, Be, B, C, N, O, Na, Mg) и отсутствие ионизирующего излучения. В отличие от РФА, лазерно-искровой метод не требует лицензирования и радиационной сертификации, а также демонстрирует высокую чувствительность к углероду и другим низкоатомным элементам, что критично при картировании рудных тел и определении карбонатных пород.

Современные LIBS-анализаторы, такие как лазерный анализатор Calibus Arun 5, обеспечивают скорость анализа от 1 секунды, определяют углерод с точностью до 0,008%, повторяемость 99,8% и имеют прочный корпус для полевых работ. Их легкий вес и эргономика делают метод незаменимым при геологоразведочных экспедициях, керновом анализе и оперативном опробовании.

Грамотная консультация по подбору лазерного анализатора

8-800-100-99-64

или напишите нам на

sale@usps.ru