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The elemental analysis of soil is useful in forensic and environmental sciences. Methods were developed and optimized for two laser-based multi-element analysis techniques: laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) and laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). This work represents the first use of a 266 nm laser for forensic soil analysis by LIBS. Sample preparation methods were developed and optimized for a variety of sample types, including pellets for large bulk soil specimens (470 mg) and sediment-laden filters (47 mg), and tape-mounting for small transfer evidence specimens (10 mg). Analytical performance for sediment filter pellets and tape-mounted soils was similar to that achieved with bulk pellets. An inter-laboratory comparison exercise was designed to evaluate the performance of the LA-ICP-MS and LIBS methods, as well as for micro X-ray fluorescence (μXRF), across multiple laboratories. Limits of detection (LODs) were 0.01-23 ppm for LA-ICP-MS, 0.25-574 ppm for LIBS, 16-4400 ppm for µXRF, and well below the levels normally seen in soils. Good intra-laboratory precision (≤ 6 % relative standard deviation (RSD) for LA-ICP-MS; ≤ 8 % for µXRF; ≤ 17 % for LIBS) and inter-laboratory precision (≤ 19 % for LA-ICP-MS; ≤ 25 % for µXRF) were achieved for most elements, which is encouraging for a first inter-laboratory exercise. While LIBS generally has higher LODs and RSDs than LA-ICP-MS, both were capable of generating good quality multi-element data sufficient for discrimination purposes. Multivariate methods using principal components analysis (PCA) and linear discriminant analysis (LDA) were developed for discriminations of soils from different sources. Specimens from different sites that were indistinguishable by color alone were discriminated by elemental analysis. Correct classification rates of 94.5 % or better were achieved in a simulated forensic discrimination of three similar sites for both LIBS and LA-ICP-MS. Results for tape-mounted specimens were nearly identical to those achieved with pellets. Methods were tested on soils from USA, Canada and Tanzania. Within-site heterogeneity was site-specific. Elemental differences were greatest for specimens separated by large distances, even within the same lithology. Elemental profiles can be used to discriminate soils from different locations and narrow down locations even when mineralogy is similar.
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2016
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We have carried out optical Thomson scattering measurements from a laser induced breakdown in He at 1 atmosphere. The breakdown was created with a Nd:YAG laser with 9ns pulse duration and 400mJ pulse energy focused into a chamber filled with He. A second harmonic Nd: YAG laser with 9ns pulses and up to 80mJ energy was used to obtain temporally and spatially resolved data on the electron density and temperature. In parallel experiments, we measured the emission of the 447.1nm line from He I. Initial results suggest good agreement between densities inferred but full Abel inversion is needed for conclusive results.
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The damage in fused silica and CaF2 crystals induced by wavelength tunable femtosecond lasers is studied. The threshold fluence is observed to increase rapidly with laser wavelength lambda in the region of 250-800 nm, while it is nearly a constant for 800
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The effectiveness of various trace element concentrations in medicinal plants in the cure of various diseases can be determined by their quantitative estimation. Elemental concentrations of aqueous extract of F. religiosa leaves were measured by Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). LIBS is a very powerful and efficient analytical tool for determining elemental constitution. The present study deals with the LIBS-based validation of elements responsible for the glycemic potential of aqueous extract of F. religiosa leaves in streptozotocin-induced diabetic models. The significant decrease in blood glucose level and marked improvement in glucose tolerance test of diabetic models is correlated to the concentration of elements present in the extract as revealed by LIBS spectra. Elements such as Mg and Ca have been observed in the LIBS spectra of F. religiosa.
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This paper reports, the Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) studies and structure elucidation of compounds isolated from the fruit extract of Moringa oleifera and also deals with their possible effects on some bacterial strains viz. Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumonia, Escherichia coli and Pseudomonas aeruginosa. The extract was found to be active against all four microorganisms used. Extent of inhibitory effect of extract was assessed at different concentrations of 25, 50, 75 mg/ml by measuring diameter of inhibition zone (DIZ). Our results clearly showed that the 75 mg/ml concentration of the extract had 14, 12 and 18 mm of the DIZ against Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumonia and Pseudomonas aeruginosa and 14 mm with 50 mg/ml concentration against Escherichia coli. The results were compared with the standard antibiotic `ampicillin' of 1 mg/ml concentration. LIBS was recorded with high power pulsed laser beam from Nd: YAG Laser (Continuum Surelite III-10), focused on the surface of the material, which was in liquid form, to generate plasma on the surface of the sample. LIBS data clearly demonstrate the presence of trace elements, magnesium and iron, in high concentration in the extract. Whereas, from the phytochemical profile reveals the presence of two new compounds, S-ethyl-N-{4-[(alpha-L-rhamnosyloxy) benzyl]} thiocarbamate and 2-acetoxy {4-[(2',3',4'-tri-O-acetyl-alpha-L-rhamnosyloxy) benzyl]} acetonitrile as the major constituents. This study is the first report on synergetic effect of the phytoconstituents and certain set of elements present in their defined role in bacterial management against different bacterial strains.
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Psoralea corylifolia (PC), a medicinal plant, is used in traditional medicine to treat diabetes. Purpose of the research was to examine the antidiabetic and antilipemic potential of PC and to determine the relationship between its antidiabetic potential and the trace elements present. Wistar rats (150-200 g) with fasting blood glucose (FBG) of 80-110 mg dl(-1)(sub-diabetic) and 150-200 mg dl(-1)(mild diabetic) were selected for the short term antidiabetic studies and severely diabetic rats (FBG > 300 mg dl(-1)) were chosen for the long term antidiabetic and hypolipemic studies of PC seed extract. Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) was used to detect trace elements in the PC extract and the intensity ratios of trace elements were estimated. The dose of 250 mg kg(-1) of PC extract was found to be the most effective in lowering blood glucose level (BGL) of normal, sub, mild and severely diabetic rats during FBG and glucose tolerance test (GTT) studies. Lipid profile studies on severely diabetic rats showed substantial reduction in total cholesterol, triglycerides, very low density lipoprotein, and low density lipoprotein and an increase in the total protein, body weight, high density lipoprotein, and hemoglobin after 28 days of treatment. Significant reduction in urine sugar and protein levels was also observed. LIBS analysis of the PC extract revealed the presence of Mg, Si, Na, K, Ca, Zn and Cl. The study validates the traditional use of PC in the treatment of diabetes and confirms its antilipemic potential. The antidiabetic activity of PC extract may partly be due to the presence of appreciable amounts of insulin potentiating elements like Mg, Ca, and K.
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激光诱导击穿光谱(LIBS)在植物样品上面的应用是一个较新的课题. 为将LIBS技术能实际应用于与食品安全相关的领域,实验中对三种真空冻干水果样品进行了初步LIBS实验研究,鉴别了其LIBS光谱,并选取典型光谱线,运用统计学方法分析比较了三种水果中Ca,Na,K,Fe,Al,Mg六种元素含量的差别. 实验结果表明,苹果中Na的含量最高,Ca的含量最低,三种水果样品中的K,Fe,Mg等元素含量也都有差异. 实验结果还表明LIBS技术是一种检测、对比植物样品中微量元素含量的有效手段.
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本文利用Nd:YAG纳秒激光器与配有CCD探测器的四通道光纤光谱仪建立了一套可用于植物样品激光诱导击穿光谱(LIBS)测量的实验装置。基于该实验装置,论文着重开展了激光参数、探测角度、延迟时间等对LIBS 光谱影响以及植物样品LIBS光谱定性、定量分析两方面的实验研究工作。通过实验研究发现:1、在某一激光能量点处,LIBS有最大的相对光谱强度;2、红外(IR)激光击穿阈值要高于紫外(UV)激光,并且IR激光产生的LIBS光谱中连续谱强度也强于UV激光;3、粒子谱线信噪比随时间演化的方式与其产生机制有密切关系;4、光纤与样品表面法线方向夹角越小越容易获得信噪比大的光谱。对所获得的植物样品LIBS光谱分析得到以下结论:1、在230~1080nm范围内,从苹果表皮样品的LIBS中观测到了380余条谱线,鉴别分析出二十多种元素和分子;2、对经过真空冻干处理的三种水果和两种蔬菜样品中的K、Ca、Fe、Na、Mg、Al六种微量元素相对含量分别进行了比较。实验结果表明LIBS技术是分析比较植物样品中微量元素含量的一种有效方法
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激光诱导击穿光谱技术(LIBS)具有无需样品制备,原位快速分析,可进行实时控制的特点使其在钢铁冶炼控制中具有巨大的实际应用价值。本文以波长为1 064 nm的Nd∶YAG调Q固体激光器为激发光源,CCD为探测器,高合金钢GBW01605—01609系列为样品,在建立的LIBS实验装置上研究激光与合金钢之间的相互作用。系统地研究了观测距离、激光能量对高合金钢样品中激光诱导击穿谱特性的影响,并分析了LIBS信号的时间分辨特性,确定了将LIBS用于合金钢微量元素定量分析时的最佳实验条件。
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利用激光诱导击穿光谱定量分析了铝合金中多种元素的成分。采用Nd∶YAG脉冲激光器,在空气环境下烧蚀铝合金固体样品获得等离子体。利用多通道光栅光谱仪和CCD检测器对200~980nm波长范围的光谱进行同时检测。研究了检测时延、激光脉冲能量、元素深度分布对光谱强度的影响,考虑这些因素之后对实验参数进行了优化。在优化的实验参数下对国家标准铝合金样品中的八种元素Si,Fe,Cu,Mn,Mg,Zn,Sn及Ni进行了定标,并利用定标曲线对一种铝合金样品进行了定量分析。实验结果表明,测量结果的相对标准偏差(RSD)最大为5.89%,相对误差在-20.99%~15%范围内,说明对铝合金样品成分进行定量分析,激光诱导击穿光谱是一种有效的光谱分析工具,但是分析结果的准确度仍需要提高。
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La caractérisation de matériaux par spectroscopie optique d’émission d’un plasma induit par laser (LIPS) suscite un intérêt qui ne va que s’amplifiant, et dont les applications se multiplient. L’objectif de ce mémoire est de vérifier l’influence du choix des raies spectrales sur certaines mesures du plasma, soit la densité électronique et la température d’excitation des atomes neutres et ionisés une fois, ainsi que la température d’ionisation. Nos mesures sont intégrées spatialement et résolues temporellement, ce qui est typique des conditions opératoires du LIPS, et nous avons utilisé pour nos travaux des cibles binaires d’aluminium contenant des éléments à l’état de trace (Al-Fe et Al-Mg). Premièrement, nous avons mesuré la densité électronique à l’aide de l’élargissement Stark de raies de plusieurs espèces (Al II, Fe II, Mg II, Fe I, Mg I, Halpha). Nous avons observé que les densités absolues avaient un comportement temporel différent en fonction de l’espèce. Les raies ioniques donnent des densités électroniques systématiquement plus élevées (jusqu’à 50 % à 200 ns après l’allumage du plasma), et décroissent plus rapidement que les densités issues des raies neutres. Par ailleurs, les densités obtenues par les éléments traces Fe et Mg sont moindres que les densités obtenues par l’observation de la raie communément utilisée Al II à 281,618 nm. Nous avons parallèlement étudié la densité électronique déterminée à l’aide de la raie de l’hydrogène Halpha, et la densité électronique ainsi obtenue a un comportement temporel similaire à celle obtenue par la raie Al II à 281,618 nm. Les deux espèces partagent probablement la même distribution spatiale à l’intérieur du plasma. Finalement, nous avons mesuré la température d’excitation du fer (neutre et ionisé, à l’état de trace dans nos cibles), ainsi que la température d’ionisation, à l’aide de diagrammes de Boltzmann et de Saha-Boltzmann, respectivement. À l’instar de travaux antérieurs (Barthélémy et al., 2005), il nous est apparu que les différentes températures convergeaient vers une température unique (considérant nos incertitudes) après 2-3 microsecondes. Les différentes températures mesurées de 0 à 2 microsecondes ne se recoupent pas, ce qui pourrait s’expliquer soit par un écart à l’équilibre thermodynamique local, soit en considérant un plasma inhomogène où la distribution des éléments dans la plume n’est pas similaire d’un élément à l’autre, les espèces énergétiques se retrouvant au cœur du plasma, plus chaud, alors que les espèces de moindre énergie se retrouvant principalement en périphérie.
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Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ist eine spektrochemische Elementanalyse zur Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer beliebigen Probe. Für die Analyse ist keine spezielle Probenpräparation nötig und kann unter atmosphärischen Bedingungen an Proben in jedem Aggregatzustand durchgeführt werden. Femtosekunden Laserpulse bieten die Vorteile einer präzisen Ablation mit geringem thermischen Schaden sowie einer hohen Reproduzierbarkeit. Damit ist fs-LIPS ein vielversprechendes Werkzeug für die Mikroanalyse technischer Proben, insbesondere zur Untersuchung ihres Ermüdungsverhaltens. Dabei ist interessant, wie sich die initiierten Mikrorisse innerhalb der materialspezifschen Struktur ausbreiten. In der vorliegenden Arbeit sollte daher ein schnelles und einfach zu handhabendes 3D-Rasterabbildungsverfahren zur Untersuchung der Rissausbreitung in TiAl, einer neuen Legierungsklasse, entwickelt werden. Dazu wurde fs-LIPS (30 fs, 785 nm) mit einem modifizierten Mikroskopaufbau (Objektiv: 50x/NA 0.5) kombiniert, welcher eine präzise, automatisierte Probenpositionierung ermöglicht. Spektrochemische Sensitivität und räumliches Auflösungsvermögen wurden in energieabhängigen Einzel- und Multipulsexperimenten untersucht. 10 Laserpulse pro Position mit einer Pulsenergie von je 100 nJ führten in TiAl zum bestmöglichen Kompromiss aus hohem S/N-Verhältnis von 10:1 und kleinen Lochstrukturen mit inneren Durchmessern von 1.4 µm. Die für das Verfahren entscheidende laterale Auflösung, dem minimalen Lochabstand bei konstantem LIPS-Signal, beträgt mit den obigen Parametern 2 µm und ist die bislang höchste bekannte Auflösung einer auf fs-LIPS basierenden Mikro-/Mapping-Analyse im Fernfeld. Fs-LIPS Scans von Teststrukturen sowie Mikrorissen in TiAl demonstrieren eine spektrochemische Sensitivität von 3 %. Scans in Tiefenrichtung erzielen mit denselben Parametern eine axiale Auflösung von 1 µm. Um die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und ein besseres Verständnis für die physikalischen Prozesse während der Laserablation zu erhalten, wurde in Pump-Probe-Experimenten untersucht, in wieweit fs-Doppelpulse den laserinduzierten Abtrag sowie die Plasmaemission beeinflussen. Dazu wurden in einem Mach-Zehnder-Interferometer Pulsabstände von 100 fs bis 2 ns realisiert, Gesamtenergie und Intensitätsverhältnis beider Pulse variiert sowie der Einfluss der Materialparameter untersucht. Sowohl das LIPS-Signal als auch die Lochstrukturen zeigen eine Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Diese wurden in vier verschiedene Regimes eingeteilt und den physikalischen Prozessen während der Laserablation zugeordnet: Die Thermalisierung des Elektronensystems für Pulsabstände unter 1 ps, Schmelzprozesse zwischen 1 und 10 ps, der Beginn des Abtrags nach mehreren 10 ps und die Expansion der Plasmawolke nach über 100 ps. Dabei wird das LIPS-Signal effizient verstärkt und bei 800 ps maximal. Die Lochdurchmesser ändern sich als Funktion des Pulsabstands wenig im Vergleich zur Tiefe. Die gesamte Abtragsrate variiert um maximal 50 %, während sich das LIPS-Signal vervielfacht: Für Ti und TiAl typischerweise um das Dreifache, für Al um das 10-fache. Die gemessenen Transienten zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit, jedoch kaum eine Energie- bzw. materialspezifische Abhängigkeit. Mit diesen Ergebnissen wurde eine gezielte Optimierung der DP-LIPS-Parameter an Al durchgeführt: Bei einem Pulsabstand von 800 ps und einer Gesamtenergie von 65 nJ (vierfach über der Ablationsschwelle) wurde eine 40-fache Signalerhöhung bei geringerem Rauschen erzielt. Die Lochdurchmesser vergrößerten sich dabei um 44 % auf (650±150) nm, die Lochtiefe um das Doppelte auf (100±15) nm. Damit war es möglich, die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und gleichzeitig die hohe räumliche Auflösung aufrecht zu erhalten.
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Atmospheric deposition of mercury to remote areas has increased threefold since pre-industrial times. Mercury deposition is particularly pronounced in the Arctic. Following deposition to surface oceans and sea ice, mercury can be converted into methylmercury, a biologically accessible form of the toxin, which biomagnifies along the marine food chain. Mass-independent fractionation of mercury isotopes accompanies the photochemical breakdown of methylmercury to less bioavailable forms in surface waters. Here we examine the isotopic composition of mercury in seabird eggs collected from colonies in the North Pacific Ocean, the Bering Sea and the western Arctic Ocean, to determine geographical variations in methylmercury breakdown at northern latitudes. We find evidence for mass-independent fractionation of mercury isotopes. The degree of mass-independent fractionation declines with latitude. Foraging behaviour and geographic variations in mercury sources and solar radiation fluxes were unable to explain the latitudinal gradient. However, mass-independent fractionation was negatively correlated with sea-ice cover. We conclude that sea-ice cover impedes the photochemical breakdown of methylmercury in surface waters, and suggest that further loss of Arctic sea ice this century will accelerate sunlight-induced breakdown of methylmercury in northern surface waters.
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Different treatments (consolidation and water-repellent) were applied on samples of marble and granite from the Front stage of the Roman Theatre of Merida (Spain). The main goal is to study the effects of these treatments on archaeological stone material, by analyzing the surface changes. X-Ray Fluorescence and Laser-Induced Breakdown Spectroscopy techniques, as well as Nuclear Magnetic Resonance have been used in order to study changes in the surface properties of the material, comparing treated and untreated specimens. The results confirm that silicon (Si) marker tracking allows the detection of applied treatments, increasing the peak signal in treated specimens. Furthermore, it is also possible to prove changes both within the pore system of the materialand in the distribution of surface water, resulting from the application of these products