Direct monitoring of strontium in aerosols by laser-induced plasma spectroscopy

HE Hongyu; GAO Zhixing; HE Yun; ZHANG Xiaohua; GUO Bing

doi:10.37188/OPE.20233119.2827

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Direct monitoring of strontium in aerosols by laser-induced plasma spectroscopy

Modern Applied Optics | 更新时间：2023-10-12

- Direct monitoring of strontium in aerosols by laser-induced plasma spectroscopy
- Optics and Precision Engineering Vol. 31, Issue 19, Pages: 2827-2835(2023)
- 作者机构：
  
  中国原子能科学研究院，北京 102413
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20233119.2827
  CLC： O53;TN249
- Received：11 April 2023，
  
  Revised：04 May 2023，
  
  Published：10 October 2023
- 稿件说明：
移动端阅览
何洪钰,高智星,何运等.激光诱导等离子体光谱直接探测气溶胶中的锶元素[J].光学精密工程,2023,31(19):2827-2835.

HE Hongyu,GAO Zhixing,HE Yun,et al.Direct monitoring of strontium in aerosols by laser-induced plasma spectroscopy[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(19):2827-2835.
何洪钰,高智星,何运等.激光诱导等离子体光谱直接探测气溶胶中的锶元素[J].光学精密工程,2023,31(19):2827-2835. DOI： 10.37188/OPE.20233119.2827.

HE Hongyu,GAO Zhixing,HE Yun,et al.Direct monitoring of strontium in aerosols by laser-induced plasma spectroscopy[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(19):2827-2835. DOI： 10.37188/OPE.20233119.2827.

摘要

气溶胶中锶元素的监测对于大气污染防治和工业设施排放监控具有重要意义。激光诱导等离子体光谱技术具有无需采样预处理、可原位快速检测等优势，在环境介质成分直接在线监测方面具有极大的应用潜力。介绍了基于实验室搭建的LIPS装置开展的气溶胶中锶元素的直接探测工作。利用整体平均法对气溶胶等离子体进行光谱分析，结果显示实验装置对锶元素的检测限为809 μg/m

。对于低密度气溶胶光谱，条件分析法可以将平均光谱的信噪比提升8倍。基于实验结果讨论了含锶气溶胶统计学特性和数据分析方法的影响。气溶胶中颗粒物的密度对等离子体温度的影响极小，光谱强度变化直接反应了激光激发气溶胶颗粒物的数量。通过对条件分析法使用范围的讨论，提出在测量周期内利用累计光谱取代平均光谱，可将系统的灵敏度提升近3个数量级。实验装置的检测限达到1.3 μg/m

，初步满足工业排放监测的需求。

Abstract

The direct monitoring of strontium in aerosols is crucial for air pollution prevention and the monitoring of emissions from industrial facilities. Laser-induced plasma spectroscopy （LIPS） offers a promising method for the direct and online monitoring of environmental mediums. Specifically， LIPS requires no sample preparation， allows rapid analysis， and facilitates online detection. This study introduces the direct detection of strontium in aerosols using an LIPS setup. The experimental findings confirm that， through ensemble averaging， the limit of detection （LOD） for strontium aerosols is 809 μg/m

. Conditional analysis enhances the signal-to-noise ratio of the average spectrum eight-fold for low-density aerosols. Furthermore， this study delves into the effects of aerosol statistical characteristics and spectral analysis methods on spectral line intensity. Given that the aerosol particle density has minimal impact on plasma temperature and the spectral intensity is influenced by particle density， the scope of conditional analysis is further explored. Hence， it is proposed that the sensitivity of LIPS can be enhanced nearly three-fold by substituting the average spectrum with the cumulative spectrum over a given measurement period. With this adjustment， the LOD of the setup can approach 1.3 μg/m

， fulfilling the requirements of industrial emission monitoring.

关键词

Keywords

references

孙晓兵，宋茂新，吴洋，等 . 航空遥感大气多角度偏振辐射计及测试实验分析［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 22 ）： 2847 - 2859 . doi: 10.37188/ope.20223022.2847 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20223022.2847

SUN X B ， SONG M X ， WU Y ， et al . Analysis of the atmospheric multi-angle polarimetric radiometer for aerial remote sensing and its test experiments ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2022 ， 30 （ 22 ）： 2847 - 2859 . （in Chinese） . doi: 10.37188/ope.20223022.2847 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20223022.2847

刘泽阳，李学彬，孙刚，等 . 中国部分地区的春季气溶胶光学特性［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 5 ）： 1021 - 1028 . doi: 10.3788/OPE.20202805.1021 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20202805.1021

LIU Z Y ， LI X B ， SUN G ， et al . Optical properties of spring aerosol in typical areas of China ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 5 ）： 1021 - 1028 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20202805.1021 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20202805.1021

姚琳，廖欣峰，张海洋，等 . 中国大气重金属污染研究进展与趋势［J］. 环境科学与管理， 2012 ， 37 （ 9 ）： 41 - 44 . doi: 10.3969/j.issn.1673-1212.2012.09.012 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1673-1212.2012.09.012

YAO L ， LIAO X F ， ZHANG H Y ， et al . Progress and trend of atmospheric heavy metal pollution in China ［J］. Environmental Science and Management ， 2012 ， 37 （ 9 ）： 41 - 44 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1673-1212.2012.09.012 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1673-1212.2012.09.012

PANAHIFAR A ， COOPER D M L ， DOSCHAK M R . 3-D localization of non-radioactive strontium in osteoarthritic bone： role in the dynamic labeling of bone pathological changes ［J］. Journal of Orthopaedic Research ， 2015 ， 33 （ 11 ）： 1655 - 1662 . doi: 10.1002/jor.22937 http://dx.doi.org/10.1002/jor.22937

徐萍，蒋云平，王利华 . 田湾核电站运行后外围环境水体中锶-90放射性水平研究［J］. 中国辐射卫生， 2011 ， 20 （ 3 ）： 334 - 335 .

XU P ， JIANG Y P ， WANG L H . Study on the 90 Sr radioactivity level in the surrounding water after the operation of Tianwan Nuclear Power Station ［J］. Chinese Journal of Radiological Health ， 2011 ， 20 （ 3 ）： 334 - 335 . （in Chinese）

WALLACE S H ， SHAW S ， MORRIS K ， et al . Effect of groundwater pH and ionic strength on strontium sorption in aquifer sediments： implications for 90 Sr mobility at contaminated nuclear sites ［J］. Applied Geochemistry ， 2012 ， 27 （ 8 ）： 1482 - 1491 . doi: 10.1016/j.apgeochem.2012.04.007 http://dx.doi.org/10.1016/j.apgeochem.2012.04.007

O’HARA M J ， BURGE S R ， GRATE J W . Automated radioanalytical system for the determination of 90 Sr in environmental water samples by 90 Y Cherenkov radiation counting ［J］. Analytical Chemistry ， 2009 ， 81 （ 3 ）： 1228 - 1237 . doi: 10.1021/ac8021407 http://dx.doi.org/10.1021/ac8021407

梅键民，杨俊，赵远昭，等 . 城市大气颗粒物中重金属污染研究进展［J］. 绿色科技， 2022 ， 24 （ 16 ）： 99 - 103 . doi: 10.3969/j.issn.1674-9944.2022.16.023 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1674-9944.2022.16.023

MEI J M ， YANG J ， ZHAO Y ZH ， et al . Research progress of heavy metal pollution in urban atmospheric particulate matter ［J］. Journal of Green Science and Technology ， 2022 ， 24 （ 16 ）： 99 - 103 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1674-9944.2022.16.023 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1674-9944.2022.16.023

王春迎，马越超，崔延青，等 . 大气重金属污染监测技术现状及展望［J］. 中国环保产业， 2012 （ 5 ）： 49 - 51 . doi: 10.3969/j.issn.1006-5377.2012.05.014 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1006-5377.2012.05.014

WANG CH Y ， MA Y CH ， CUI Y Q ， et al . Present situation and prospect of monitoring technology for atmospheric heavy metal pollution ［J］. China Environmental Protection Industry ， 2012 （ 5 ）： 49 - 51 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1006-5377.2012.05.014 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1006-5377.2012.05.014

RADZIEMSKI L J ， LOREE T R ， CREMERS D A ， et al . Time-resolved laser-induced breakdown spectrometry of aerosols ［J］. Analytical Chemistry ， 1983 ， 55 （ 8 ）： 1246 - 1252 . doi: 10.1021/ac00259a016 http://dx.doi.org/10.1021/ac00259a016

CREMERS D A ， RADZIEMSKI L J . Direct detection of beryllium on filters using the laser spark ［J］. Applied Spectroscopy ， 1985 ， 39 （ 1 ）： 57 - 63 . doi: 10.1366/0003702854249349 http://dx.doi.org/10.1366/0003702854249349

ESSIEN M ， RADZIEMSKI L J ， SNEDDON J . Detection of cadmium， lead and zinc in aerosols by laser-induced breakdown spectrometry ［J］. Journal of Analytical Atomic Spectrometry ， 1988 ， 3 （ 7 ）： 985 - 988 . doi: 10.1039/ja9880300985 http://dx.doi.org/10.1039/ja9880300985

OTTESEN D K ， WANG J C F ， RADZIEMSKI L J . Real-time laser spark spectroscopy of particulates in combustion environments ［J］. Applied Spectroscopy ， 1989 ， 43 （ 6 ）： 967 - 976 . doi: 10.1366/0003702894203778 http://dx.doi.org/10.1366/0003702894203778

CHENG M D ， KARR L ， KORNUC J ， et al . Evaluation of aerosol lead measurement techniques using laboratory generated super-micrometer particles ［J］. Microchemical Journal ， 2002 ， 72 （ 2 ）： 209 - 219 . doi: 10.1016/s0026-265x(02)00036-x http://dx.doi.org/10.1016/s0026-265x(02)00036-x

HAHN D W ， FLOWER W L ， HENCKEN K R . Discrete particle detection and metal emissions monitoring using laser-induced breakdown spectroscopy ［J］. Applied Spectroscopy ， 1997 ， 51 （ 12 ）： 1836 - 1844 . doi: 10.1366/0003702971939659 http://dx.doi.org/10.1366/0003702971939659

CARRANZA J E ， HAHN D W . Plasma volume considerations for analysis of gaseous and aerosol samples using laser-induced breakdown spectroscopy ［J］. Journal of Analytical Atomic Spectrometry ， 2002 ， 17 （ 11 ）： 1534 - 1539 . doi: 10.1039/b206140f http://dx.doi.org/10.1039/b206140f

CARRANZA J E ， IIDA K ， HAHN D W . Conditional data processing for single-shot spectral analysis by use of laser-induced breakdown spectroscopy ［J］. Applied Optics ， 2003 ， 42 （ 30 ）： 6022 - 6028 . doi: 10.1364/ao.42.006022 http://dx.doi.org/10.1364/ao.42.006022

DIAZ D ， HAHN D W . Aerosol measurements with laser-induced breakdown spectroscopy and conditional analysis ［J］. Spectrochimica Acta Part B： Atomic Spectroscopy ， 2021 ， 179 ： 106107 . doi: 10.1016/j.sab.2021.106107 http://dx.doi.org/10.1016/j.sab.2021.106107

张子良，提汝芳，黄腾，等 . 气溶胶单粒子光谱的PLS聚类分析［J］. 量子电子学报， 2012 ， 29 （ 1 ）： 106 - 113 . doi: 10.3969/j.issn.1007-5461.2012.01.018 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-5461.2012.01.018

ZHANG Z L ， TI R F ， HUANG T ， et al . PLS cluster analysis of individual particle spectrum ［J］. Chinese Journal of Quantum Electronics ， 2012 ， 29 （ 1 ）： 106 - 113 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1007-5461.2012.01.018 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-5461.2012.01.018

ZHENG J P ， LU J D ， ZHANG B ， et al . Experimental study of laser-induced breakdown spectroscopy （LIBS） for direct analysis of coal particle flow ［J］. Applied Spectroscopy ， 2014 ， 68 （ 6 ）： 672 - 679 . doi: 10.1366/13-07278 http://dx.doi.org/10.1366/13-07278

YIN W B ， ZHANG L ， DONG L ， et al . Design of a laser-induced breakdown spectroscopy system for on-line quality analysis of pulverized coal in power plants ［J］. Applied Spectroscopy ， 2009 ， 63 （ 8 ）： 865 - 872 . doi: 10.1366/000370209788964458 http://dx.doi.org/10.1366/000370209788964458

陈世和，陆继东，张博，等 . 激光诱导击穿光谱法测量煤粉流的控制因素［J］. 光学精密工程， 2013 ， 21 （ 7 ）： 1651 - 1658 . doi: 10.3788/ope.20132107.1651 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20132107.1651

CHEN SH H ， LU J D ， ZHANG B ， et al . Controllable factors in detection of pulverized coal flow with LIBS ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2013 ， 21 （ 7 ）： 1651 - 1658 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20132107.1651 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20132107.1651

刘林美，林兆祥，龚顺生 . 大气气溶胶有害成分的激光击穿光谱探测［J］. 量子电子学报， 2013 ， 30 （ 2 ）： 134 - 137 . doi: 10.3969/j.issn.1007-5461.2013.02.002 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-5461.2013.02.002

LIU L M ， LIN ZH X ， GONG SH SH . Detection of injurious ingredient in aerosol by laser-induced breakdown spectroscopy ［J］. Chinese Journal of Quantum Electronics ， 2013 ， 30 （ 2 ）： 134 - 137 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1007-5461.2013.02.002 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-5461.2013.02.002

CANTALOUB M G . Total Measurement Uncertainty (TMU) for Nondestructive Assay of Transuranic (TRU) Waste at the Waste Receiving and Processing Facility [R]. FH (US) . Funding organisation : USDOE Office of Environmental Management (EM)(United States) , 2000 . doi: 10.2172/805401 http://dx.doi.org/10.2172/805401

DIAZ D ， HAHN D W ， PANNE U . LIBS for Aerosol Analysis ［M］. Laser-Induced Breakdown Spectroscopy. Amsterdam ： Elsevier ， 2020 ： 499 - 535 . doi: 10.1016/b978-0-12-818829-3.00022-8 http://dx.doi.org/10.1016/b978-0-12-818829-3.00022-8

Views

360

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

No data

Related Author

No data

Related Institution

No data

Address：No.3888 Dong Nanhu Road, Changchun, Jilin, China Postal code：130033
Tel：0431-86176855 Email：gxjmgc@ciomp.ac.cn
Technical support is provided by Beijing Founder electronics co., LTD 吉ICP备11002662号-17 京公网安备11010802024621
It is recommended to read the content of this site in Chrome&IE9+. Please switch to extreme mode in browser 360.
Cookies We use cookies to help provide and enhance our service and tailor content. By continuing, you agree to the use of cookies.

⁰