Lazer ile oluşturulan plazma spektroskopi sisteminin tasarımı, endüstriyel ve biyolojik uygulamaları

Abstract

Lazerle oluşturulan plazma spektroskopisi (LIBS) endüstriyel ve biyolojik malzemelerdeki elemental bileşiminin spektral ölçümüne olanak verir. Yüksek çözünürlükte çok kanallı spektrometre ve spektral analiz kısmı tasarlanarak malzeme analizine yönelik tasarlanan BAKİ-LIBS sistemi Kocaeli Üniversitesi Lazer Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Merkezi'nde (LATARUM) yerli bir cihaz olarak geliştirildi. Bu doktora tezinde, LIBS'in endüstriyel bir uygulaması olan bakır metallerin lazer ile kaynak edilmesindeki verimliliği arttırmak için eklenen stellite 6 tozunun bakır metali içindeki elemental bileşimi ve difüzyonu belirlendi. Bakır metallerin lazerle kaynak edilen bölgedeki elementler ve stellite 6 tozunun nüfuz ettiği derinlik yüksek çözünürlükte çok kanallı CCD spektrometre ve nanosaniye (ns) Nd:YAG lazer kullanılan BAKİ-LIBS sistemi analizi ile belirlendi. Biyolojik bir uygulama olan böbrek taşları da BAKİ-LIBS ile analiz edildi. bileşimindeki elementlerin analizi ve böbrek taşı sınıflandırma çalışmaları element oranı, PCA ve PLS-DA metodları kullanılarak gerçekleştirildi. Heterojen yapıdaki farklı tipteki böbrek taşlarının bileşiminde bulunan elementlerin çizgi yayınımı karakteristikleri taşların farklı noktalarından belirlenerek, elementlerin uzaysal dağılımları incelendi. Böbrek taşlarının sınıflandırılmasında C, H, Ca, Mg, ve P elementlerinin spektral çizgi şiddet oranları kullanıldı. Organik bileşenli böbrek taşı tiplerinin belirlenmesi için en önemli faktörün hidrojenin karbona oranı (H/C) olduğu sonucuna varıldı. Farklı tipte böbrek taşlarını sınıflandırarak için ayrıca temel bileşenler analizi (PCA) ve kısmi en küçük kareler ayrıştırma analizi (PLS-DA) gibi geniş bir spektral bölgede çok değişkenli sınıflandırma ve ayrıştırma teknikleri de kullanıldı. Böbrek taşlarının sertliği mekanik Vickers testi ile ölçüldü ve elde edilen sonuçların Mg II/Mg I spektral çizgi şiddet oranları kullanılarak gerçekleştirilen BAKİ-LIBS sertlik testi ile çok iyi uyum sağladığı sonucuna varıldı.Anahtar kelimeler: Derinlik Analizi, LIBS, Malzeme Analizi, Sertlik Analizi, Sınıflandırma.

Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) provides a spectral measure of elemental composition in industrial and biological materials. BAKİ-LIBS system with a high resolution multichannel spectrometer and spectral analysis software was developed at Laser Technologies Research and Application Center (LATARUM), Kocaeli University. This thesis reports an interesting industrial application of LIBS in order to determine the elemental composition and diffusion of Stellite 6 powder evaluating quality of the laser welding of copper plates. The elements in laser weld joints of copper plates were analysed with BAKİ-LIBS, utilizing a high resolution multi-channel CCD spectrometer and a nanosecond pulse Nd:YAG laser, providing a depth profile of elemental composition of the penetrated region. As a biological application, various types of kidney stones were analysed with BAKİ-LIBS and classified by using element ratio, Principal Component Analysis (PCA) and Partial Least Squares Discriminant Analysis (PLS-DA) methods. Heterogeneous kidney stones were analyzed by LIBS emission lines; charateristic of elements present in different types of kidney stones, taken at different locations on the stones, producing elemental mapping. The classification of the stones were conducted using the spectral line intensity ratios of C, H, Ca, Mg and P elements. It was found that the ratio of hydrogen (H) to carbon (C) was an important indicator of organic compounds such as uric acid. Also, PCA and PLS-DA of broadband LIBS spectra were employed for classifying different types of kidney stones. The hardness of the kidney stones was measured with traditional Vickers hardness test and was computed in good correlation from LIBS spectral line intensity ratio of MgII lines to MgI line.Keywords: Depth Analyis, LIBS, Material Analysis, Hardness Test, Classification.