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深海热液流体中金属元素的LIBS定量探测及分析方法研究

文献类型：学位论文

作者马丽丽
答辩日期2025-08-01
文献子类硕士
授予单位中国科学院大学
授予地点中国科学院海洋研究所
导师张鑫研究员 李近元高级工程师
关键词深海热液，激光诱导击穿光谱，金属元素，基底增强，定量分析
学位名称资源与环境硕士
英文摘要

深海热液喷口作为一种深海特殊的地质结构，其喷出的热液流体富含多种金属元素，能够形成海底热液金属矿床。开展深海极端环境中金属元素的原位探测，实现对热液喷口流体、周围海水及生物群落下覆水等不同场景的金属元素原位定量分析，对研究深海物质循环、水-岩反应、成矿作用等具有深远意义。激光诱导击穿光谱(Laser induced breakdown spectroscopy, LIBS)由于其非接触式、多元素同步检测及实时分析特性，在海洋金属元素原位监测领域展现出显著的技术优势。本论文搭建了一套可用于深海原位探测的LIBS系统，明确了最佳系统探测参数，探究了钠盐对溶液中Li、Mn、Sr三种元素的LIBS光谱特性影响，为LIBS原位探测方法的建立提供参考依据，基于固体基底辅助LIBS对比不同基底（硅基底、铝基底）的增强效果并建立金属元素的定量模型。本文主要工作如下：
（1）本文通过优化探测系统实验参数并探究不同NaCl浓度对LIBS光谱探测的影响，揭示了钠盐对金属元素（Li、Mn、Sr）特征谱线强度及定量分析的影响。确定最佳激光脉冲能量、延迟时间和脉冲次数关键参数分别20 mJ、400 ns和30次脉冲。在盐度影响研究中，NaCl浓度对Li、Mn、Sr的谱线影响呈现规律：钠盐对三种元素的原子线均表现为低浓度增强，高浓度抑制；加入钠盐对离子线信号有抑制作用。钠盐对三种元素的定量模型均有影响，加入钠盐可以降低检测限。
（2）本文利用固体基底辅助增强激光诱导击穿光谱法，探讨了硅基底和铝基底对溶液中Mn和Sr的光谱检测效果，并对比了传统定标法和内定标法建立的定量模型效果。硅基底和铝基底在403.30nm和460.73nm处无影响谱线，可用于Mn和Sr特征光谱的增强。对比两种基底，硅基底的增强效果相对于铝基底更好；与传统定标法相比，内标法可有效提高拟合精度，降低相对标准偏差。在硅基底增强作用下，采用内定标法定量分析Mn和Sr的决定系数R2均在0.99以上，Mn和Sr的最低检测限分别为9.75ppm和5.46ppm。采用基底增强LIBS技术检测了普通海水与热液区海水中Mn、Sr的含量，并与ICP-MS测定结果进行对比，两种方法的检测结果相对偏差均在20%以内。结果表明了利用固体基底辅助增强LIBS结合内定标法对海洋中Mn和Sr元素定量分析是可行的。
综上所述，本文的研究结果证明了LIBS系统可应用于深海原位金属元素探测，在未来深海原位探测时，需要考虑钠盐基质效应的影响。采用的固体基底增强LIBS可有效降低检测限，为深海溶液中金属元素的原位定量分析提供全新思路。

语种中文
目次

摘 要................................................................................... I

Abstract............................................................................. III

第1章 绪论..................................................................... 1

1.1 选题背景与意义....................................................................... 1

1.2 研究现状分析........................................................................... 4

1.2.1 激光诱导击穿光谱在溶液中金属元素的研究现状........ 4

1.2.2 激光诱导击穿光谱在海洋中应用的研究现状................ 6

1.3 本论文的研究内容及章节安排............................................... 9

第2章 激光诱导击穿光谱技术................................... 11

2.1 激光诱导击穿光谱技术的原理............................................. 11

2.1.1 等离子体形成原理及辐射机制...................................... 11

2.1.2 等离子体时间演化规律.................................................. 13

2.2 激光诱导击穿光谱中的基本特征参数................................. 14

2.2.1 增强因子.......................................................................... 14

2.2.2 信噪比.............................................................................. 14

2.2.3 等离子体温度.................................................................. 15

2.2.4 等离子体电子密度.......................................................... 16

2.3 LIBS定量分析原理及评价指标............................................ 16

2.3.1 外标法.............................................................................. 17

2.3.2 内标法.............................................................................. 17

2.3.3 定量分析评价标准.......................................................... 18

第3章 光谱探测系统和数据处理............................... 21

3.1 激光诱导击穿光谱原位探测系统......................................... 21

3.2 光谱数据采集与处理............................................................. 24

3.2.1 光谱数据采集.................................................................. 24

3.2.2 光谱数据处理.................................................................. 24

第4章 钠盐对金属元素LIBS光谱探测的影响........ 27

4.1 前言......................................................................................... 27

4.2 样品制备................................................................................. 28

4.3 光谱探测参数优化................................................................. 28

4.3.1 激光脉冲能量的优化...................................................... 28

4.3.2 延迟时间的优化.............................................................. 30

4.3.3 激光脉冲次数的优化...................................................... 32

4.4 不同浓度钠盐对LIBS光谱的影响...................................... 33

4.4.1 不同浓度钠盐对光谱信号的影响.................................. 34

4.4.2 不同浓度钠盐对信噪比和信背比的影响...................... 37

4.4.3 不同浓度钠盐对定标曲线的影响.................................. 38

4.5 本章小结................................................................................. 39

第5章 固体基底辅助增强LIBS对金属元素的探测 41

5.1 前言......................................................................................... 41

5.2 实验方案................................................................................. 42

5.2.1 溶液配制.......................................................................... 42

5.2.2 真实海水样品中Mn和Sr含量的检测......................... 42

5.3 结果和讨论............................................................................. 43

5.3.1 不同基底下光谱信号分析.............................................. 43

5.3.2 传统定标法定量分析...................................................... 45

5.3.3 内标法定量分析.............................................................. 47

5.3.4 真实海水样品的应用...................................................... 48

5.4 本章小结................................................................................. 49

第6章 结论与展望....................................................... 51

6.1 结论......................................................................................... 51

6.2 展望......................................................................................... 51

参考文献............................................................................ 53

源URL[http://ir.qdio.ac.cn/handle/337002/202360]  
专题海洋研究所_海洋地质与环境重点实验室
推荐引用方式
GB/T 7714		 马丽丽. 深海热液流体中金属元素的LIBS定量探测及分析方法研究[D]. 中国科学院海洋研究所. 中国科学院大学. 2025.

入库方式： OAI收割

来源：海洋研究所

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