Zolix Spectrograph Application in LIBS(LIBS 분야에서의 Zolix 분광기 응용)
Introduction
Laser induced break down(LIBS) is a method of analysis of materials. It is a kind of emission spectroscopy, very easy to analyse many kinds of elements at the same time. Since it was introduced for analytical field in 1962, especially in these two decades, LIBS has developed very fast. Now it has been researched not only in LABS, but in many field as well, such as metallurgy, cultural heritage and archaeology. Spectrograph also plays important role in LIBS system, despite of laser and fast detectors.
Application
The LIBS contains Pulsed laser, focusing apparatus, sample holder, signal collecting apparatus, time control device (controlling the delay between laser and detector), spectrograph and fast response detector(often ICCD).
Fig1:Diagram of LIBS system
Nanosecond laser is often be used in LIBS. 532nm and 1064nm are two kinds of wavelength in the system. In recently years, femtosecond laser is also applied in LIBS, because of its ultrafast advantages.
ICCD is a kind of fast response detector, and a good choice for LIBS. But we can also try some other method to get LIBS signal. When the laser excites the sample, LIBS signal won’t appear immediately (microsecond after excitation). And it also lasts for microseconds. So, we can capture LIBS signal with the help of Time control device, which control the delay between laser and fast detector, such as Linear CCD not ICCD.
In recent years, Quantitative LIBS is a major part of LIBS research. It needs high stability of laser power, high time resolution of fast detector and time control device. Of course, spectrograph is also a key part. Echelle spectrograph is widely used in LIBS system, which can display the signal in a wide wavelength range. But higher resolution, smaller wavelength range in one shot, and more expensive. So, C-T(Czerny-Turner) spectrograph, a kind of conventional spectrograph is still popular, because of its advantages, such as price and easy to operation.
It’s very easy for C-T spectrograph to get higher resolution or wide one-shot range just by replacing different kinds of gratings. Compared with Echelle spectrograph, it’s also easy to achieve image corrected signal, which is important for high resolution and good peak profiles. So, that makes quantitative analysis much easier!
Zolix is concentrated on spectrograph for 20 years. We provide Omni series spectrographs, which is based on C-T configuration. Depends on focal length, we have 200mm, 320mm, 500mm and 750mm spectrographs. For example, for 750mm spectrograph, with 1200L/mm grating, the resolution will be 0.03nm, which is enough for LIBS signals.
Fig2: LIBS analysis of Codonopsis pilosula samples
The data shown above is the LIBS signal of Codonopsis pilosula sample. In this experiment, scientist used Omni-500 spectrograph and ICCD. We may find the resolution of spectrograph is high enough to distinguish the signals, which are very close to each other.
Omni series spectrograph is very versatile, we provide fiber adaptor, on the entrance port, also we can attach some kinds of signal point detector on the exit port.
Fig 3: we provide many kinds of combination of spectrograph
References
[1] WangJinmei, YanHaiying, ZhengPeichao, TanGuining,1111002,44(2017).
[2] YongqiangWang, Maogen Sua, Duixiong Sun, ChaoWu, Xiaomin Zhang,Quanfang Lu, Chenzhong Dong,Microchemical Journal,318,137(2018).
[3] Yuanhang Wang,Yang Bu,Yachao Cai and Xiangzhao Wang,Journal of Analytical Atomic Spectrometry,1023,37(2022).
1. 서론 (Introduction)
**레이저 유도 붕괴 분광법(Laser Induced Breakdown Spectroscopy, 이하 LIBS)**은 재료 분석 기법의 하나입니다. 이는 **발광 분광법(Emission Spectroscopy)**의 일종으로, 다종의 원소를 동시에 분석하는 데 매우 용이합니다. 1962년 분석 분야에 처음 도입된 이래, 특히 최근 20년간 LIBS는 비약적인 발전을 이루었습니다. 현재는 실험실 연구를 넘어 금속 공학(Metallurgy), 문화유산 보존, 고고학 등 다양한 현장 분야에서 활발히 연구되고 있습니다. LIBS 시스템에서는 레이저와 고속 검출기뿐만 아니라, 스펙트럼을 분해하는 분광기(Spectrograph) 또한 핵심적인 역할을 수행합니다.
2. 응용 및 구성 (Application)
LIBS 시스템은 펄스 레이저(Pulsed laser), 집광 광학계(Focusing apparatus), 시료 홀더, 수광 광학계(Signal collecting apparatus), 타이밍 제어 장치(레이저와 검출기 사이의 지연 시간 제어), 분광기, 그리고 고속 응답 검출기(주로 ICCD)로 구성됩니다.
(그림 1: LIBS 시스템 구성도)
- 레이저 광원: LIBS에는 주로 나노초(Nanosecond) 펄스 레이저가 사용되며, 532nm와 1064nm 파장이 표준적으로 사용됩니다. 최근에는 초고속 펄스 특성을 활용하기 위해 펨토초(Femtosecond) 레이저도 도입되는 추세입니다.
- 검출 및 타이밍 제어: ICCD(Intensified CCD)는 고속 응답 특성을 지녀 LIBS에 최적화된 검출기입니다. 하지만 다른 검출 방식을 적용할 수도 있습니다. 레이저가 시료를 **여기(Excite)**시키면, LIBS 발광 신호는 즉시 발생하지 않고 수 마이크로초(μs)의 지연 후 생성되어 수 마이크로초 동안 지속됩니다. 따라서 레이저 발진과 검출 시점 사이의 **지연(Delay)**을 정밀하게 조절하는 **타이밍 제어 장치(Delay Generator)**를 활용하면, 고가의 ICCD 대신 선형 CCD(Linear CCD)와 같은 범용 검출기로도 유효한 신호를 포착할 수 있습니다.
3. 정량적 LIBS와 분광기의 광학적 특성
최근 정량적 LIBS(Quantitative LIBS) 분석이 주요 연구 분야로 대두되었습니다. 정밀한 정량 분석을 위해서는 레이저 출력의 높은 안정성(Stability), 검출기와 타이밍 제어 장치의 높은 시간 분해능(Time resolution)이 요구됩니다. 물론, 분광기의 성능 또한 필수적입니다.
- 에셸(Echelle) 분광기: 넓은 파장 대역을 단일 샷(One-shot)으로 얻을 수 있어 널리 쓰이지만, 높은 분해능과 넓은 대역을 동시에 얻으려 할 때 시스템이 복잡해지고 비용이 높다는 단점이 있습니다.
- 체르니-터너(Czerny-Turner, C-T) 분광기: 전통적인 분광기 구성인 C-T 방식은 합리적인 비용과 운용 편의성 덕분에 여전히 널리 사용됩니다.
C-T 분광기의 광학적 이점:
- 가변성: **회절 격자(Grating)**를 교체하는 것만으로 고분해능 모드나 광대역 모드로 손쉽게 전환할 수 있습니다.
- 이미징 성능: 에셸 분광기에 비해 **수차가 보정된 이미지(Image corrected signal)**를 얻기에 유리한 구조를 가집니다. 이는 스펙트럼의 피크 프로파일(Peak profiles)을 명확하게 하고 높은 분해능을 유지하는 데 중요하며, 결과적으로 정량 분석의 정확도를 높여줍니다.
4. Zolix Omni 시리즈 분광기
Zolix는 20년 역사의 분광 시스템 전문 기업입니다. 당사는 C-T 광학계를 기반으로 한 Omni 시리즈 분광기를 공급합니다. 초점 거리(Focal length)에 따라 200mm, 320mm, 500mm, 750mm 모델을 제공합니다.
- 성능 사양: 예를 들어 750mm 초점 거리의 분광기에 1200라인/mm(1200L/mm)의 회절 격자를 장착할 경우, 분해능(Resolution)은 0.03nm에 달해 미세한 LIBS 스펙트럼 선폭을 분석하기에 충분합니다.
(그림 2: 만삼(Codonopsis pilosula) 시료의 LIBS 분석 스펙트럼)
위 데이터는 만삼(Codonopsis pilosula) 시료에서 획득한 LIBS 신호입니다. Omni-500 분광기와 ICCD를 사용하여 측정한 결과로, 매우 인접한 파장의 신호들도 명확히 **분광(Resolve)**할 수 있을 만큼 분광기의 분해능이 우수함을 확인할 수 있습니다.
Omni 시리즈는 확장성이 뛰어납니다. **입사 슬릿(Entrance port)**에는 광섬유 어댑터를 장착할 수 있으며, **출사 포트(Exit port)**에는 다양한 종류의 단일 채널 검출기(Point detector)를 결합하여 활용할 수 있습니다.
(그림 3: 다양한 분광기 및 검출기 조합 예시)
참고 문헌 (References)
[1] WangJinmei, YanHaiying, ZhengPeichao, TanGuining, 1111002, 44 (2017). [2] YongqiangWang, Maogen Sua, Duixiong Sun, ChaoWu, Xiaomin Zhang, Quanfang Lu, Chenzhong Dong, Microchemical Journal, 318, 137 (2018). [3] Yuanhang Wang, Yang Bu, Yachao Cai and Xiangzhao Wang, Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 1023, 37 (2022).