Научные достижения химического факультета

Ученые из МГУ рассчитали лазерную плазму

Сотрудники Химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова разработали модель, которая  рассчитывает параметры лазерной плазмы и быстро определяет содержания химических элементов в испаряемой пробе. Предложенный учеными алгоритм расширяет возможности метода лазерной спектроскопии, в том числе позволяет определять редкоземельные элементы в породах.

При высоких плотностях мощности лазерного излучения в среде, где происходит его распространение, наблюдается явление оптического пробоя – лавинообразная ионизация вещества и образование светящейся плазмы. Лазерная плазма является источником характеристичного излучения атомов и ионов, находящихся в области развития оптического пробоя. Если излучение сфокусировать на твердый образец, также происходит его испарение и атомизация с образованием плазмы. Спектр лазерной плазмы позволяет идентифицировать элементы и определять их концентрации методом лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии (ЛИЭС).

Метод ЛИЭС является универсальным для анализа твёрдых образцов, жидкостей, газовых сред, взвешенной пыли и аэрозолей. Однако исследование спектров лазерной плазмы осложняется высоким фоновым излучением и эффектом самопоглощения, и такое неоспоримое достоинство как универсальность, нивелируется невысокой чувствительностью, которая ограничивает применение метода в аналитической практике.

Для описания "леса" из пиков в эмиссионных спектрах (в частности, для железа может наблюдаться несколько десятков тысяч линий) специалисты пытаются моделировать лазерно-индуцированную плазму. Дело в том, что, не имея никаких представлений о параметрах плазмы, корректно расшифровать эмиссионный спектр практически невозможно. Существующие модели лазерной плазмы либо требуют значительных по времени расчетов, либо не обеспечивают хорошего совпадения экспериментальных и расчетных данных. К примеру, динамическое описание плазмы, получающейся при испарении одного образца, может занимать более суток, что неприемлемо для рутинного анализа.

Сотрудники Кафедры лазерной химии МГУ под руководством доцента, к.х.н. Тимура Лабутина предложили использовать стационарную модель лазерной плазмы, позволяющую легко идентифицировать линии спектров эмиссии плазмы. Входными данными для алгоритма являются температура, электронная плотность, масса плазмы и доли компонентов в смеси. Алгоритм может рассчитывать спектр за 2 миллисекунды. Варьируя параметры плазмы, ученые "подгоняют" смоделированный спектр под экспериментальный. Помимо учета самопоглощения, моделирование спектра позволяет оценить наложение эмиссионных линий разных элементов, поскольку в реальных образцах может содержаться большая часть Периодической таблицы.

"Раньше оптимизация всех экспериментальных параметров  для проведения анализа требовала большого количества предварительных измерений, теперь же мы моделируем спектр для нескольких характерных условий в лазерной плазме,   затем оцениваем самопоглощение и взаимное мешающее влияние эмиссионных линий элементов. Соответственно, мы можем до эксперимента выявить основные мешающие факторы и выбрать подходящие условия для измерений", - комментирует Тимур Лабутин.

Предложенная российскими учеными модель позволяет значительно повысить правильность метода ЛИЭС, и даже, в ряде случаев, улучшить его чувствительность за счет оптимизации экспериментальных условий. Предложенный алгоритм интерпретации экспериментальных спектров позволяет расширить список анализируемых методом ЛИЭС объектов. "Мы показали, что метод может на уровне 6 ppm определять в образце легкие редкоземельные элементы, это ниже их среднего содержания в земной коре, что достаточно для определения их в реальных породах", - пояснили авторы.

Высокая значимость данного исследования подтверждается тем, что публикация по его результатам была выбрана для обложки свежего номера журнала Spectrochimica Acta Part B.