激光誘導擊穿光譜技術(shù)發(fā)展與應用

尤浩　袁智煒　謝笑

摘 要：激光誘導擊穿光譜技術(shù)（LIBS）是一種近年來隨著激光和光譜檢測技術(shù)的發(fā)展而興起的對元素定性和定量分析的技術(shù)，本文主要講述該技術(shù)的研究現(xiàn)狀，發(fā)展方向以及在環(huán)境污染檢測、生物醫(yī)學、植物學、空間探測和軍事等諸多領域的應用。

關鍵詞：激光誘導擊穿技術(shù)（LIBS）原理 LIBS應用 LIBS發(fā)展趨勢及前景

中圖分類號：TN24 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）09-0-01

一、基本原理

激光誘導擊穿光譜技術(shù)（laser-induced breakdown spectroscopy， LIBS）是用高能量脈沖激光燒蝕材料，使材料表面的微量樣品瞬間氣化形成高溫、高密度的等離子體，發(fā)射出帶有樣品內(nèi)元素特征波長的等離子體光譜，譜線的波長和強度反映了樣品中的元素組成及含量。激光誘導擊穿光譜技術(shù)基于原子光譜和離子光譜的波長與特定的元素一一對應的關系，而且光譜信號強度與對應元素的含量也具有一定的量化關系，通過解析等離子體光譜，并結(jié)合定量分析模型，可以得到分析樣品成分的類別和含量信息。

二、激光誘導擊穿光譜技術(shù)的研究發(fā)展

LIBS技術(shù)作為一種物質(zhì)成分檢測方法，雖然相比于電感耦合等離子體發(fā)射光譜等光譜檢測技術(shù)在精確度和靈敏度方面尚有不足， 但是LIBS技術(shù)的樣品需求量少并且無需預處理，對固體、液體、氣體、非導電材料和生物樣品等各種材料都適用，可同時探測多種元素。為了將LIBS技術(shù)進一步向?qū)嵱没较蛲七M，提高LIBS探測的可靠性、經(jīng)濟性和準確性，目前研究重點集中在對收集光譜信號的優(yōu)化上，如增強光譜線信號強度、提高信噪比、降低基體效應、提高探測限等方面。

三、LIBS技術(shù)應用

1.環(huán)境檢測

由于近幾十年的工業(yè)發(fā)展，城市建設等因素導致環(huán)境污染日益嚴重，尤其是重金屬污染、水體富營養(yǎng)化等越來越引起人們的重視。這就迫切需要一種快速、原位、遠距離、無需制樣的技術(shù)來實現(xiàn)對環(huán)境污染物質(zhì)的檢測和監(jiān)測。LIBS 可以滿足上述要求，可以檢測分析任何形態(tài)的物質(zhì)元素（液體，氣體，固體），在對水體污染，危險有害廢物，氣體氣溶膠污染物質(zhì)的檢測分析，定量計算等方面都有很廣闊的應用前景。

2.食品安全和營養(yǎng)學

目前LIBS技術(shù)已被應用于食品、農(nóng)產(chǎn)品及植物成分的檢測研究。應用LIBS技術(shù)結(jié)合自由定標法分析楊樹葉片鈣、鐵，氮和磷的含量；利用LIBS技術(shù)分析了新鮮土豆及皮中的微量元素； 應用LIBS檢測焙烤食品中鈉及氯化鈉的含量；應用LIBS分析了臍橙中鎘含量，研究皮蛋殼中銅含量的檢測方法等。

3.材料分析

采用激光誘導擊穿光譜分析技術(shù)對鋼樣中錳、鉻兩種微量元素的含量進行測量。錳和鉻是鋼中兩種重要的微量元素，對鋼的性能有很大的影響，例如：鋼中含有一定量的鉻，能夠提高鋼的耐腐蝕性能，添加適當?shù)腻i可以提高鋼的強度等。不但如此，LIBS可以對許多材料進行成分元素定性以及定量的分析。

4.軍事和太空領域

歐洲太空部計劃采用 LIBS 和拉曼光譜聯(lián)用裝置， 用于探測火星表面環(huán)境的特征。美國航空與宇宙航行局擬在火星機器人上裝備一個基于LIBS 技術(shù)的探測裝置， 用于 2009 年火星登陸計劃 ， 并對火星的表面化學進行詳細分析。還可以進行軍事中爆炸物探測等方面。

四、發(fā)展趨勢

1.便攜化

對于國內(nèi)的LIBS技術(shù)來說，依然多是基于實驗室的研究儀器，需要復雜的參數(shù)調(diào)節(jié)與嚴格的檢測環(huán)境。在此背景下，便攜式激光光譜分析儀以及體積更小、質(zhì)量更輕，更適用于野外現(xiàn)場樣品快速分析的手持式LIBS儀器—手持式激光光譜分析儀，均能在數(shù)秒之內(nèi)原地完成對固體、液體甚至氣體形態(tài)的物質(zhì)的完整元素分析，因此該類便攜式儀器可用于地質(zhì)、環(huán)境、安保、古董、冶金、表面處理及電子器件現(xiàn)場分析。

2.專用化

對于不同的使用需求，要開發(fā)各種有針對性的實用儀器。專用儀器的使用成本和檢測精度都會得到有效的改善。針對特定的檢測對象和檢測指標，關鍵還要有大量的、穩(wěn)定可靠的校正模型以及模型維護和二次開發(fā)能力。

3.核心零部件研制與創(chuàng)新

光柵是光譜儀器的核心部件，但目前我國光柵、檢測器、掃描裝置等部件多依賴于進口。因而，積極采用以及自主研發(fā)國產(chǎn)部件對于最終成型儀器的商品化上市以及產(chǎn)品的競爭力具有極大的推動作用。LIBS技術(shù)的大力發(fā)展，不僅對于技術(shù)本身有積極意義，對于零部件國產(chǎn)化的進程也具有極大的促進作用。

4.分析方法的創(chuàng)新

大多數(shù)LIBS分析軟件依賴于光譜儀的操控，僅僅是獲得元素的譜圖，而后續(xù)再采用第三方軟件進行處理?；蚴峭ㄟ^最小化參數(shù)的改變來實現(xiàn)定性測定的要求?？梢哉f，沒有合適分析方法的LIBS儀器，僅僅是硬件的堆積。只有加入分析方法學，統(tǒng)計算法學等，才能夠?qū)崿F(xiàn)LIBS技術(shù)的有效應用。

五、結(jié)語

作為一種快捷、靈敏、可靠的元素檢測技術(shù)，LIBS 已經(jīng)證明了其在環(huán)境、食品安全、生物醫(yī)藥、材料、軍事、太空等多個領域的成功應用。檢測樣品形態(tài)涵蓋固、液、氣三態(tài)，既可以定性也可以定量分析幾十種化學元素。隨著定量分析原理的改進和實驗手段的進步，以及商業(yè)化進程的加大和細化，LIBS 技術(shù)在未來的環(huán)境、醫(yī)藥、材料、食品安全、國防等多個領域會有更大、更廣泛的應用。

參考文獻

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