Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) for analysis of precious metals in minerals

Abstract

The use of LIBS to quantify naturally-occurring gold and silver was investigated with the purpose of exploring its future application as an in situ and online monitoring technique for the precious metal mining industry. Two types of samples were prepared as pressed pellets and analyzed with conventional LIBS setups: a) surrogate samples were prepared by doping gold-free matrices with Au and Ag standard solutions, and b) ore samples from a Colombian mine company containing naturally-occurring gold. The ore samples were extracted from underground locations and from a processing plant. The LIBS setups included Nd:YAG lasers (1064 and 355 nm), two Czerny-Turner spectrometers and ICCD detectors (1024×256 pixels). The net peak height, peak-to-base ratio and the background intensities were measured and compared to understand the influence of LIBS parameters on analytical results. From 100 to 5 000 sampling shots were fired over the pellets and an equal number of single-shot spectra were acquired. Single-shot as well as ensemble-averaged spectra were considered. LIBS performance was evaluated using calibration curves, limits of detection and quantification, relative standard deviation and coefficients of determination. Quantification of silver was achieved through conventional ensemble-average calculation and calibration curves. On the other hand, gold quantification was not possible with conventional LIBS spectra processing (ensemble-averaging). However, under specific conditions of sampling, spectra manipulation and the use of conditional analysis to improve gold detection and quantification, a semi-quantitative approach to quantify gold was developed. Finally, Principal Component Analysis was applied to the discrimination of single-shot spectra containing Au emission lines.

Resumen: Con el propósito de explorar la aplicación de LIBS como una técnica de monitoreo in situ y en tiempo real de procesos de minería de metales preciosos se investigó su uso en la cuantificación de oro y plata en minerales naturales. Se analizaron dos tipos de muestras preparadas como comprimidos (pellets): a) sucedáneos que se obtuvieron dopando matrices libre de oro y plata con soluciones estándar de los dos elementos, y b) muestras de rocas provenientes de una mina colombiana. Los montajes experimentales de LIBS incluyeron láseres Nd:YAG (1064 y 355 nm), dos espectrómetros Czerny-Turner y detectores ICCD (1024×256 pixeles). Para determinar la influencia de los parámetros LIBS sobre los resultados analíticos se midió las intensidades de la altura de las líneas de emisión, el ruido y se el cociente de la altura de la emisión y el ruido. Las muestras se analizaron con entre 100 y 5 000 pulsos láser y se obtuvieron el mismo número de espectros LIBS individuales. Se estudiaron espectros individuales y promedio. El desempeño de LIBS se evaluó mediante curvas de calibración, límites de detección y cuantificación, valores de desviación estándar relativa y coeficientes de determinación. Se logró la cuantificación de plata mediante los procedimientos de cálculo de espectros promedio y curvas de calibración. Por otra parte, no fue posible cuantificar oro con los mismos métodos. Sin embargo, bajo ciertas condiciones de muestreo, tratamiento de espectros y el uso de análisis condicional para mejorar la detección y cuantificación, se desarrolló una metodología semi-cuantitativa para medir oro. Finalmente, la técnica de Análisis de Componentes Principales se aplicó para clasificar espectros individuales que contenían líneas de emisión de oro.