激光诱导击穿光谱技术在钾盐和钠盐检测中的应用

前言

激光诱导击穿光谱（LIBS）技术是一种利用高能流激光脉冲击穿样品诱导产生高温等离子体，通过测量等离子体在冷却过程中相应元素所发射的原子或离子光谱谱线进行元素成分定性和定量检测分析的一种发射光谱技术，原理图如图1所示。LIBS不依赖于复杂的样品制备，对样品的破坏极小，对样品的形态无选择性，同时能够进行多元素检测，由于这些优点，LIBS被广泛应用于工业检测领域。

图1 LIBS实验原理图

氯化钾和氯化钠是常见的盐类，广泛应用于农业和化工行业。氯化钾主要用于生产肥料，提供植物所需的钾元素，促进植物生长；同时也是多种化学品的原料。氯化钠则用于生产盐酸、烧碱和氯化铵等基础化工产品，并在污水处理中充当混凝剂和沉淀剂。尽管两者成分相似，但在具体的应用中还是必须要加以区分，例如在水产养殖中，氯化钾和氯化钠的功效不同，互相替代可能导致生长发育

图3 Maria多通道光谱仪

氯化钾和氯化钠其外观都为白色晶体状，同样都拥有味咸、易溶于水和甘油的特性。为了便于使用激光脉冲照射，需要对样品进行压片处理，使用压片器将两种样品压制成片状，然后放在样品台上进行测量。实验样品如图4所示。

不良或水质急剧变化，进而影响养殖效果。氯化钾和氯化钠的区分难点不仅在于它们的化学性质相似，还包括外观相似，均为白色结晶，容易混淆。如果使用焰色反应等传统的区分方法通常需要复杂的样品制备以及严格的实验条件，这使得快速识别变得困难。LIBS技术能够直接分析样品，无需特殊处理，从而克服了这些困难，实现高效、准确的区分。

实验设备和样品

本实验中使用的LIBS系统如图2所示，激发光源为输出波长为1064nm的泵浦激光器，激光光束经透镜组反射和聚焦后照射在样品表面，光谱信号由光纤收集。

图2 实验设备

本实验中使用如海光电Maria多通道光谱仪，如图3所示。Maria是一款集成式多通道光谱仪，最多可以支持8个通道。光谱范围最宽可达190-1100nm。分辨率0.1nm，最短积分时间可设置为10μs，外触发延迟可以控制在1μs±10ns，能够精准捕获等离子体信号，适用于等离子体光谱测量，原子发射、吸收光谱测量，火焰燃烧光谱测量和LIBS等多个领域。

图3 Maria多通道光谱仪

氯化钾和氯化钠其外观都为白色晶体状，同样都拥有味咸、易溶于水和甘油的特性。为了便于使用激光脉冲照射，需要对样品进行压片处理，使用压片器将两种样品压制成片状，然后放在样品台上进行测量。实验样品如图4所示。

图4 实验样品，左为氯化钾样品，右为氯化钠样品

实验结果和分析

通过查询美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的原子光谱数据库，从中找到钾元素、钠元素、氯元素的常用谱线，数据如表1所示。

表1 元素特征谱线

实验测得的光谱数据如图5所示，根据之前查询的元素特征谱线，可以识别谱峰对应的元素。从图中可以观察到，对于氯化钾样品来说，可以在766.49nm和769.896nm处观察到两条较为明显的钾元素特征谱线；对于氯化钠样品来说，可以在818.326nm和819.482nm处观察到两条较为明显的钠元素特征谱线，钾元素和钠元素的特征谱线能够很清晰地区分。因为两种样品都含有氯元素，所以在777.109nm和868.496nm处两种样品的数据中都能观察到了氯元素的特征谱线，且强度相差不大，这可能因为氯化钾和氯化钠都是离子化合物，均由阳离子和氯阴离子组成，尽管它们的阳离子不同，但都形成相似的晶体结构，这使得它们在相同条件下容易产生相似的光谱特征。

图5 氯化钾和氯化钠的光谱图

总结

本实验中，我们成功识别了氯化钾样品中的钾元素特征谱线（766.49 nm和769.896 nm）以及氯化钠样品中的钠元素特征谱线（818.326 nm和819.482 nm）。此外，实验中也观察到氯元素的谱线，进一步展示了光谱仪在分析离子化合物时的能力。

在氯化钾和氯化钠的区分中，与传统的焰色反应相比，LIBS技术无需复杂的样品制备且能够实现多元素的快速检测。这一优势使得LIBS在盐类检测和其他工业应用中具备较高的实用价值。实验中对样品的破坏极小，使得该技术适合于各种样品类型的分析。

本实验表明，LIBS技术是一种高效、准确的检测手段，能够在工业领域中快速区分氯化钾和氯化钠等盐类。随着技术的进一步发展，LIBS在更多应用领域的潜力将愈加显现，未来可以为材料分析和工业检测等方面提供更广泛的解决方案。如海光电提供适用于多领域的LIBS系统。

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