zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2021-87-5-14-19zldm-1413Research ArticleАНАЛИЗ ВЕЩЕСТВАSUBSTANCES ANALYSISОптимизация параметров лазерно-искрового эмиссионного спектрометра с применением вероятностно-детерминированного планирования экспериментаOptimization of the parameters of a laser induced breakdown spectrometer (LIBS) using probabilistic-deterministic design of experimentФоминВ. Н.FominV. N.

Виталий Николаевич Фомин

г. Караганда, ул. Университетская, д. 28

Vitaly N. Fomin

28, Universitetskaya ul., Karaganda, 100028

АлдабергеноваС. К.AldabergenovaS. K.

Сауле Кидирбаевна Алдабергенова

г. Караганда, ул. Университетская, д. 28

Saule K. Aldabergenova

28, Universitetskaya ul., Karaganda, 100028

aldsau@mail.ruРустембековК. Т.RustembekovK. T.

Кенжебек Тусупович Рустембеков

г. Караганда, ул. Университетская, д. 28

Kenzhebek T. Rustembekov

28, Universitetskaya ul., Karaganda, 100028

ОмаровХ. Б.OmarovK. B.

Хылыш Бейсенович Омаров

г. Караганда, ул. Университетская, д. 28

Khylysh B. Omarov

28, Universitetskaya ul., Karaganda, 100028

РожковойИ. Е.RozhkovoyI. E.

Иван Евгеньевич Рожковой

г. Караганда, ул. Университетская, д. 28

Ivan E. Rozhkovoy

28, Universitetskaya ul., Karaganda, 100028

ДикА. В.DikA. V.

Антон Викторович Дик

г. Караганда, ул. Университетская, д. 28

Anton V. Dik

28, Universitetskaya ul., Karaganda, 100028

СаулебековД. М.SaulebekovD. M.

Данияр Мейрамбекович Саулебеков

г. Караганда, ул. Университетская, д. 28

Daniyar M. Saulebekov

28, Universitetskaya ul., Karaganda, 100028

Карагандинский университет им. академика Е. А. БукетоваКазахстанAcademician E. A. Buketov Karaganda UniversityKazakhstanAcademician E. A. Buketov Karaganda UniversityKazakhstan2021230520218751419Copyright © Фомин В.Н., Алдабергенова С.К., Рустембеков К.Т., Омаров Х.Б., Рожковой И.Е., Дик А.В., Саулебеков Д.М., 20212021Фомин В.Н., Алдабергенова С.К., Рустембеков К.Т., Омаров Х.Б., Рожковой И.Е., Дик А.В., Саулебеков Д.М.Fomin V.N., Aldabergenova S.K., Rustembekov K.T., Omarov K.B., Rozhkovoy I.E., Dik A.V., Saulebekov D.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1413

Рассмотрен метод оптимизации настроек прибора ЛИЭС для достижения максимальной интенсивности аналитических линий элементов в образце постоянного состава с использованием вероятностно-детерминированного планирования эксперимента (ВДПЭ). В качестве объекта анализа служила смесь оксидов Cr, Mn, Fe, Co, Ni, гомогенизированная и разбавленная путем сплавления со свинцово-фосфатной шихтой. Показано, что путем математической обработки данных 25 спектров методом ВДПЭ могут быть получены математические модели, связывающие интенсивность линии с энергией лампы накачки лазера, временем задержки первого и второго модуляторов добротности, временем задержки начала экспонирования и общим временем экспонирования. Применение среднего геометрического и математической модели в виде произведения частных зависимостей приводит к хорошей корреляции (R2 = 0,99) расчетных и экспериментальных значений интенсивности для всех рассмотренных линий спектра. Приведены результаты моделирования для 16 аналитических линий Cr, Mn, Co, Ni, иллюстрирующие возможность применения рассматриваемого метода. Экспериментально достигнутые максимальные интенсивности аналитических линий в матрице свинцово-фосфатного стекла отличаются от рассчитанных на основе полученных моделей в среднем на 7 – 12 %. Спектры, зарегистрированные в ходе эксперимента, могут быть использованы для оптимизации с применением ВДПЭ других параметров, например, соотношения сигнал/шум. Простота расчетов и сравнительно небольшое количество испытаний в оптимизационном эксперименте делают ВДПЭ перспективным методом для оптимизации параметров ЛИЭС.

A method for optimizing the settings of a LIBS device aimed at achieving the maximum intensity of analytical lines of the analyte of constant composition is considered using probabilistic-deterministic design of experiments (PDDE). A mixture of Cr, Mn, Fe, Co, and Ni oxides homogenized and diluted by fusion with a lead-phosphate mixture is used as an analyte. It is shown that data of mathematical processing of 25 spectra by the PDDE method can be used to develop mathematical models which relate the line intensity with the energy of the laser pumping lamp, the lag time of the first and second Q-switches, the time delay of the exposure onset, and the total exposure time. The use of the geometric mean and mathematical model in the form of the product of the partial dependences leads to a good correlation between the calculated and experimental values of the intensity for all the considered spectral lines. The simulation results presented for 16 analytical lines of Cr, Mn, Co, and Ni illustrate the applicability of the method under consideration. The experimentally achieved maximum intensities of analytical lines in the matrix of lead-phosphate glass differ from those calculated using the obtained models by 7 – 12 %. There is a linear correlation between the experimental and calculated values of the intensity at R2 = 0.99 and an inclination angle close to 45°. The spectra recorded during the experiment can be used for optimization of other parameters, e.g., the signal-to-noise ratio. The simplicity of calculations and relatively small number of tests in the optimization experiment make the PDDE a promising method for optimizing the LIBS parameters.

лазерно-искровая эмиссионная спектрометриявероятностно-детерминированное планирование экспериментаоптимизация условий регистрации спектраlaser inducted breakdown spectrometryprobabilistic-deterministic design of experimentchemometricsoptimization of spectrum registration conditionsгрант МОН РК АР05132001 "Разработка метода получения и обработки атомных эмиссионных спектров с использованием планирование эксперимента"ReferencesMiziolek A., Paleshi V., Schechter I. Laser-inducted breakdown spectroscopy (LIBS) — New York: Cambridge University Press, 2006. — 640 p.Miziolek A., Paleshi V., Schechter I. Laser-inducted breakdown spectroscopy (LIBS) — New York: Cambridge University Press, 2006. — 640 p.Кремерс Д., Радзиемски Л. Лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия. — М.: Техносфера, 2009. — 360 с.Cremers D. A., Radziemski L. J. Handbook of Laser-Induced Breakdown spectroscopy. — NY: John Wiley & Sons, 2006. — 313 p.Andrade-Garda J. M. Basic Chemometric Techniques in Atomic Spectroscopy — London: RSC Publishing, 2009. — 314 p.Andrade-Garda J. M. Basic Chemometric Techniques in Atomic Spectroscopy — London: RSC Publishing, 2009. — 314 p.Zhang T., Tang H., Li H. Chemometrics in laser-induced breakdown spectroscopy: Progress of Chemometrics in Laser-induced Breakdown Spectroscopy / J. Chemom. 2018. Vol. 32. N 11. e2983. DOI: 10.1002/cem.2983Zhang T., Tang H., Li H. Chemometrics in laser-induced breakdown spectroscopy: Progress of Chemometrics in Laser-induced Breakdown Spectroscopy / J. Chemom. 2018. Vol. 32. N 11. e2983. DOI: 10.1002/cem.2983Fisher R. A. The Design of Experiments. — Edinburgh – London: Oliver and Boyd, 1935. — 264 p.Fisher R. A. The Design of Experiments. — Edinburgh – London: Oliver and Boyd, 1935. — 264 p.Zheng P., Liu H., Wang J., et al. Optimization of experimental conditions by orthogonal test design in a laser-induced breakdown experiment to analyze aluminum alloys / Anal. Methods. 2014. Vol. 7. N 6. P. 2163 – 2169. DOI: 10.1039/c3ay41466cZheng P., Liu H., Wang J., et al. Optimization of experimental conditions by orthogonal test design in a laser-induced breakdown experiment to analyze aluminum alloys / Anal. Methods. 2014. Vol. 7. N 6. P. 2163 – 2169. DOI: 10.1039/c3ay41466cFerreira E. C., Anzano J. M., Milori D. M. B. P., et al. Multiple Response Optimization of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy Parameters for Multi-Element Analysis of Soil Samples / Appl. Spectrosc. 2009. Vol. 63. N 9. P. 1081 – 1088. DOI: 10.1366/000370209789379394Ferreira E. C., Anzano J. M., Milori D. M. B. P., et al. Multiple Response Optimization of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy Parameters for Multi-Element Analysis of Soil Samples / Appl. Spectrosc. 2009. Vol. 63. N 9. P. 1081 – 1088. DOI: 10.1366/000370209789379394Протодьяконов М. М., Тедер Р. И. Методика рационального планирования эксперимента. — М.: Наука, 1970. — 76 с.Protodyakonov M. M., Teder R. I. The methodology of rational design of the experiment. — Moscow: Nauka, 1970. — 76 p. [in Russian].Малышев В. П. Вероятностно-детерминированное планирование эксперимента. — Алма-Ата: Наука, 1981. — 116 с.Malyshev V. P. Probabilistic-deterministic mapping. — Alma-Ata: Nauka, 1981. — 116 p. [in Russian].Беляев С. В., Малышев В. П. Пути развития вероятностно-детерминированного планирования эксперимента / Комплексная переработка минерального сырья Казахстана (состояние, проблемы, решения). 2008. Т. 9. Гл. 8. С. 599 – 633.Belyaev S. V., Malyshev V. P. Ways of development of probabilistic-deterministic design of experiments / Kompl. Pererab. Min. Syr’ya Kazakhstana. Sost. Probl. Resh. 2008. Vol. 9. Ch. 8. P. 599 – 633 [in Russian].Akhmetkarimova Zh. S., Baikenov M. I., Dyusekenov A. M. Mathematical simulation of the hydrogenation of borodino coal / Solid Fuel Chem. 2017. Vol. 51. N 2. P. 111 – 114. DOI: 10.3103/S0361521917020021Akhmetkarimova Zh. S., Baikenov M. I., Dyusekenov A. M. Mathematical simulation of the hydrogenation of borodino coal / Solid Fuel Chem. 2017. Vol. 51. N 2. P. 111 – 114. DOI: 10.3103/S0361521917020021Ibishev K. S., Malyshev V. P., Kim S. V., et al. Preparation of nanosized nickel powder by direct-current electrolysis combined with high-voltage spark discharge / High Energy Chem. 2017. Vol. 51. N 3. P. 219 – 223 DOI: 10.1134/S0018143917030055Ibishev K. S., Malyshev V. P., Kim S. V., et al. Preparation of nanosized nickel powder by direct-current electrolysis combined with high-voltage spark discharge / High Energy Chem. 2017. Vol. 51. N 3. P. 219 – 223 DOI: 10.1134/S0018143917030055Фомин В. Н., Ковалева А. А., Алдабергенова С. К. Использование многофакторных переменных в вероятностно-детерминированном планировании эксперимента / Вест. Карагандинского ун-та. Серия: химия. 2017. Т. 87. № 3. С. 91 – 100.Fomin V. N., Kovaleva A. A., Aldabergenova S. K. Using multivariate variables in probabilistic-deterministic design of experiments / Bull. Karaganda Univ. Chemistry Series. 2017. Vol. 87. N 3. P. 91 – 100 [in Russian].Fomin V. N., Aldabergenova S. K., Rustembekov K. T., et al. Method for increasing the accuracy of quantitative determination of iron by LIBS / Bulletin of the Karaganda University. Chemistry Series. 2018. Vol. 91. N 3. P. 74 – 83.Fomin V. N., Aldabergenova S. K., Rustembekov K. T., et al. Method for increasing the accuracy of quantitative determination of iron by LIBS / Bulletin of the Karaganda University. Chemistry Series. 2018. Vol. 91. N 3. P. 74 – 83.Лазерные эмиссионные спектрометры серии ЛАЭС (LAES Matrix), лазерные атомно-эмиссионные анализаторы элементного состава, послойный элементный анализ. http://www.spectrosystems.ru/analytical/laes/laes_matrix.shtml (дата обращения 18.12.2020).Laser emission Spectrometers of LAES Matrix Series. http://www.spectrosystems.ru/analytical/laes/laes_matrix.shtml (accessed December 18, 2020).Kramida A., Ralchenko Yu., Reader J., and NIST ASD Team. NIST Atomic Spectra Database (version 5.6.1) — Gaithersburg, MD: National Institute of Standards and Technology, 2018. DOI: 10.18434/T4W30FKramida A., Ralchenko Yu., Reader J., and NIST ASD Team. NIST Atomic Spectra Database (version 5.6.1) — Gaithersburg, MD: National Institute of Standards and Technology, 2018. DOI: 10.18434/T4W30F

The authors declare that there are no conflicts of interest present.