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疫情專刊三，原物料價格飆漲，LIBS如何一秒測出你的樣品有哪些元素？

我們想讓你知道的是

• LIBS 如何進行鋼鐵快速元素品管
• LIBS 如何分析篩選礦砂來源
• LIBS 如何進行鋰電池結構分析

關鍵字│固態樣品直接分析 ‧ 元素分佈資訊 ‧ 輕元素分析 ‧ 全週期表元素分析

新冠肺炎疫情的衝擊，使得全世界原物料的生產及運輸流通都受到不小的打擊。各國紛紛囤積原物料以求自保，加上運輸困難，使得各行業原物料價格飆漲，高居不下。像是倫敦金屬交易所 (LME) 於 2021 年 5 月的銅期貨價格就已經衝破每噸 1 萬美元大關，創下 10 年新高；而工業金屬如鋼材、鐵礦砂，農產品如玉米、大豆，經濟作物如木材等價格也陸續達到前所未有的高點。
對原物料多為進口的台灣而言，若要維持產能及產品品質，就需要快速，精準的原物料檢測分析，快速篩選出不良物料，減少不必要的時間成本。

LIBS 如何應用在元素分析上？ 

首先，LIBS 利用雷射電漿直接對樣品剝蝕 (Laser Ablation) 取樣，激發元素產生光譜進行分析的儀器。這表示LIBS 具有幾點優勢：

• 無需進行樣品前處理，直接對固態樣品進行分析。
• 高功率雷射電漿讓 LIBS 能夠激發分析輕元素及有機元素 (F、H、O、C)。
• 在數秒內同時提供所有元素分析資訊。
• 2D/3D 元素分佈資訊

LIBS 能夠減少大量的時間成本，如樣品前處理，不同儀器切換檢測與儀器分析速度所耗費的時間。可達到精準快速品管、物料篩選及對供應方有效的交流溝通。

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LIBS對鋼鐵的快速品管

國際鋼價飆漲，再加上歐盟於 2030 年開始課碳關稅。為了提升產能利用率，在業界在原物料與回收精煉之品質管理必需得斤斤計較。桌上型 LIBS 能夠提供穩定的元素分析，利用雷射激發次數，即可控制樣品分析的深度 (3D 分析) ，能夠準確觀測鋼合金中可能產生的 O 或 S 內嵌氧化物，減少判斷誤差。若能夠進行樣品不同深度分析，表示可以掌握元素在鋼鐵基質中的分佈，這對合金材料研發及應用而言也是重要的參數。

使用 LIBS 對已磨粉壓錠的 African Mineral Standards (AMIS) 的標準礦物進行分析。左圖是 LIBS 以 200 µm 雷射光點直接在剝蝕取樣的錠片，右圖為 LIBS 分析結果，其中元素譜線強度與元素濃度成正比。

在分析完成後，利用軟體內建 PCA 模式進行各個標準品之間，主要及微量元素比例差異的分群 (下圖)。而此分群數據結果，即可建立成為資料庫，在往後未知樣品或是原物料的品管上，在 LIBS 分析後可直接進行 PCA 分群對比，確保原物料品質。

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LIBS分析篩選礦砂來源

衝突礦產 Conflict Minerals 泛指非法手段取得的鈳鉭鐵礦、錫、鎢、金、鈷等礦產。LIBS 對來自美國緬因州、美國加州、加拿大等地區的鈳鉭鐵礦進行分析，數秒內可得到樣品譜線 (左圖)。並藉由儀器內建軟體計算，與資料庫對比後得到 PCA 圖，從礦產成分是否有重疊來判定礦產來源相同與否 (右圖)。

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LIBS對鋰電池多層深度剖析，得到各組成分元素資訊

LIBS 對含有 Li 金屬(負極)，LIPON (固態電解質)及 LiCoO₂ (正極)的鋰電池進行元素各深度及分佈分析。

LIBS 對鋰電池定點進行多次雷射激發，即可得到鋰電池中不同深度的元素組成分資訊。比對左邊的鋰電池剖面圖與右邊的鋰電池元素分析結果，即可對照鋰電池從負極到基底，不同層面構造的對應元素資訊。

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