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基于主成分载荷空间距离的LIBS特征谱线选择及矿物元素丰度研究方法
2019-09-17 21:17:17 郭恺琛    (点击次数:)

激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种强有力的物质元素分析方法,尤其适用于恶劣或危险条件下的远距离探测。NASA好奇号火星车上搭载的化学相机(ChemCam)是首台应用于行星探测的LIBS系统,它成功地对火星表面元素组成进行了巡视探测,探测结果有助于我们更好地了解火星表面矿物/岩石的分布甚至是火星地质演化历史。2020年中国,美国,欧空局都将发射搭载LIBS载荷的火星探测器,LIBS技术将成为下一代深空探测技术的重要基石,但目前仍存在许多制约LIBS技术发展的障碍,基体效应就是其中之一。同种矿物具有相同或相似的元素种类和元素丰度,因此矿物元素种类及丰度识别对于降低矿物基体效应,进一步提高元素定量分析精度至关重要。

前人对此已有类似研究,例如利用LIBS技术进行临床医学和生物学研究过程中提出了利用载荷值与主成分方差的乘积来对所有谱线进行筛选,再从选出的谱线中确定元素,来实现对LIBS特征谱线的筛选。但该方法存在较大的局限性,在仅关注C,H,O,N等少数几种元素的情况下能达到元素种类识别的目的;对矿物和岩石而言,其中含有的元素种类较多,谱线也更加丰富。使用前人的方法不能保证将所有元素的特征谱线都筛选出来,例如在岩石中P, Mn元素含量较低、信号弱但却对岩石分类起到非常重要的作用;另一方面,如含Fe矿物的Fe谱线强且多(1000多条谱线),若利用前人方法,可能识别出的大部分谱线都是Fe元素的干扰谱线而导致无法获取其他元素的重要谱线信息。

图1 目标元素数据处理流程图

图2 高Al样品识别分类结果展示

本中心硕士研究生郭恺琛在本中心武中臣老师,凌宗成老师和张江老师以及中科院西安光机所朱香平老师的指导和支持下,以ChemCam团队公布的64个定标样品的浓度和LIBS数据为研究对象,创新性地提出了通过使用PCA(主成分分析)载荷(Loading)空间距离法针对特定元素分析筛选出对该元素最敏感的LIBS谱线并以此为依据进行矿物元素种类和丰度识别的新方法。该方法对每一种元素都进行了针对性训练和谱线识别分析,兼顾到了每一种元素,保证元素信息不丢失的同时可以实现较高的识别分类精度,数据处理过程如图1所示。结果表明,基于此方法选择出的一条对矿物元素丰度识别最具影响力的LIBS特征谱线,利用该谱线对岩石/矿物元素丰度进行识别分析的识别精度高达92.8%(如图2三角形标示为识别出的高Al样品)。 该研究为岩石类型分析提供了一种新方法,利用该方法可以有效压制LIBS基体效应,降低岩石/矿物分类的难度,有利于实现对未知矿物的快速、高效鉴别分析。

文章已经被《ACTA PHOTONICA SINICA》接收,将于近期上线(GUO Kai-chen, WU Zhong-chen, ZHU Xiang-ping, et al. Mineral Element Abundance Identification Based on LIBS Emission Line Selection by Loading Space Distance of Principal Component Analysis [J]. Acta Photonica Sinica, 2019, 48(1))。预印本见http:// doi: 10.3788/gzxb201doi: 10.3788 /gzxb2019480.00009480 .0000. 作者感谢国家自然科学基金委和中国国家关键技术研发项目等的支持。


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