Примена спектроскопије ласерски индуковане плазме за одређивање трагова метала у уљима

Abstract

Предмет проучавања ове докторске дисертације је методологија припреме и анализе састава уља применом Спектроскопије ласерски индуковане плазме (ЛИБС). Циљ рада је минимизирање ефекта основе, уз малу потрошњу узорка, али задовољавајућу осетљивост и репродуктивност мерења. Описана процедура припреме узорака је врло једноставна - узорци уља се анализирају у облику филма нанесеног на силицијумску плочицу - супстрат. Како би ово било могуће постићи, уље је наношено у облику капљице на средину супстрата, након чега је супстрат ротиран фиксном брзином. На овај начин се формирају слојеви уља униформне дебљине, која зависи од примењене брзине ротације. Добијени резултати показују да се ЛИБС техника, уз предложену процедуру формирања танког слоја уља на супстрату, врло успешно може применити за квантитативну анализу присутних елемената - метала. Добијене су врло ниске границе детекције (у опсегу од 0,1 до 5 ppm) уз добру линеарност калибрационих кривих у опсегу од 0 до 60 ppm за све испитиване елементе. При изабраним оптималним условима снимани су спектри узорака у просторно и временски интеграљеном режиму. Временски разложене вредности интензитета спектралних линија, концентрације електрона и температуре плазме, добијене су одузимањем временски интеграљених спектара сниманих са различитим (узастопним) временима кашњења. Концентрација електрона процењена је на основу Штарковог профила Hα линије. Температура јонизације одређена је из односа интензитета јонске и атомске линије магнезијума. Емисиони спектри молекула C2 и CN послужили су за одређивање вибрационе и ротационе температуре тешких честица. Показано је да параметри плазме зависе од укупне концентрације метала у уљу: иако је ефекат мали, он ипак мора бити узет у обзир при квантитативном одређивању трагова метала у уљу применом ЛИБС технике.

The subject of research of this doctoral dissertation is a method for preparation and analysis of oils by Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), aimed to minimize the necessary sample volume and the matrix effect while maximizing the detection sensitivity and measurement’s repeatability. The preparation procedure consists in stabilizing the oil sample and silica wafer substrate at a fixed temperature (40°C) and in delivering an oil droplet on the wafer rotated by a spin coater. In this way, an uniform oil film is obtained, which thickness is controlled through the rotational speed. The obtained results show that the LIBS, with the proposed procedure of forming a thin layer of oil, can be very successfully applied for the quantitative analysis. Very low detection limits (in the range of 0.1 to 5 ppm) were obtained with good linearity of calibration curves in the range of 0 to 60 ppm for all tested elements. Spatially and temporally integrated spectral measurements were performed under experimental conditions optimized for elemental analysis of trace metals in oil. Time-resolved values of the spectral line intensities, electron number density, and plasma temperature were obtained by subtracting averaged spectra recorded at different time delays. The electron number density was estimated using the Stark broadened profile of the Hα line. Ionization temperatures were derived from Mg ionic to atomic line intensity ratios. Spectra of C2 and CN molecules were used to evaluate the rotational and vibrational temperature of heavy particles. It is shown that the plasma parameters depend on the total metal concentration in the oil: although the effect is small, it must be taken into account in the quantitative determination of trace metals in the oil using the LIBS technique.