[发明专利]一种复杂基体样品的浓度检测方法及系统

说明书

本发明公开了一种复杂基体样品的浓度检测方法及系统，属于激光等离子发射光谱技术领域。该方法利用已知元素浓度的样品作为定标样品，对采集的定标样品光谱扣除因等离子连续辐射产生的背景，计算分析元素的比强度，比强度被当作样品的特征，根据比强度大小把定标样品划分为若干类，类别编号记作样品的标签；结合定标样品的原始光谱与其标签建立分类模型；每一类定标集样品独立建立定量模型；采集未知样品的光谱，把光谱带入到分类模型中确定样品所属类别，再根据所属类别的定量模型预测未知样品元素浓度。本发明将所需要分析的元素比强度作为定量分析的关键特征，容易获取、维度低、运算量小，并充分量化了样品的基体在激光诱导击穿光谱中的特性。

技术领域

本发明属于激光等离子发射光谱技术领域，更具体地，涉及一种复杂基体样品的浓度检测方法及系统。

背景技术

激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy，简称LIBS)技术是一种典型的等离子体发射光谱技术，也称为激光探针技术。激光探针技术广泛应用于地质勘探、生物医学、环境监测、海洋科学等领域中，具有快速、原位、微损、远程、多元素同时分析、较强的环境适应能力等多种优点。其原理是通过分析激光诱导击穿样品产生的高温等离子体来确认样品组成成分信息。一般情况下，元素在等离子体中的光谱强度与其浓度线性相关。然而，在激光等离子形成过程中，由于样品所含元素种类和含量的差异会引起不同的物理和化学性质，等离子中总粒子数量和温度不能保证完全一致。这种现象的存在不仅仅导致定量精准度下降，甚至使得相同元素的不同样品无法共用一条定标曲线，即称为基体效应。基体效应对光谱的影响会随基体复杂程度的增加而增强。因此，迫切的需要研发一种提高复杂基体样品激光探针定量分析精度的浓度检测方法。

中国专利CN107907530A公开了光纤激光器与可调谐激光器结合的激光烧蚀共振激发检测方法和装置。该发明的基本原理是利用光纤激光器持续烧蚀待测样品，使其气化，并与空气或单一气体混合形成气溶胶，通过将气溶胶转移至新的位置，再利用波长可调谐激光对气溶胶进行诱导击穿形成等离子体。该方法通过气溶胶的形成达到样品基体匹配的目的，减少了基体效应对光谱的影响。然而，仪器使用两台激光器以及多个反射镜，提高了设备成本，且气溶胶密度远小于固体和液体，导致形成等离子体的总粒子数量大大减少，从而光谱信号变弱，不利于低浓度元素检测。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种复杂基体样品的浓度检测方法及系统，旨在减少激光探针在检测复杂基体样品所受到的严重基体效应影响，提高定量精准度。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种复杂基体样品的浓度检测方法，包括以下步骤：

(1)将已知组成元素浓度的样品作为定标样品，采集定标样品的等离子体光谱，使用光谱预处理方法对定标样品的光谱进行背景扣除；针对不同的元素挑选分析波峰，利用波峰强度与元素浓度的比值计算比强度，作为定标样品的特征，根据比强度特征值的大小，将定标样品划分成若干类，样品的标签为类别编号；目标元素波峰强度值为I，目标元素浓度为C，计算样品比强度特征值S：

S＝I/C

(2)在定标样品被划分好类别之后，将定标样品的等离子体光谱与(1)中获得的类别标签相结合，利用统计学习算法训练建立分类模型，以定标样品的光谱和元素含量作为自变量和因变量，利用单变量或者多变量分析方法分别对每一类样品建立定量模型；

(3)采集未知样品的等离子体光谱，把该光谱带入到步骤(2)获得的分类模型中，确定未知样品所属类别；结合已确定的类别，把未知样品的等离子光谱带入步骤(2)获得定量模型中，预测其元素浓度。

针对现有激光探针技术对基体差异较大的材料(如岩石、土壤、煤样品)无法满足高精度定量分析，本发明提供的方法可以减少基体效应对定量准确度的影响。

优选地，光谱背景扣除方式为小波变换去背景法或者两点去背景法。