激光誘導擊穿光譜技術發展與應用

尤浩　袁智煒　謝笑

摘 要：激光誘導擊穿光譜技術（LIBS）是一種近年來隨著激光和光譜檢測技術的發展而興起的對元素定性和定量分析的技術，本文主要講述該技術的研究現狀，發展方向以及在環境污染檢測、生物醫學、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（LIBS）原理 LIBS應用 LIBS發展趨勢及前景

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（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，發射出帶有樣品內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的研究發展

LIBS技術作為一種物質成分檢測方法，雖然相比于電感耦合等離子體發射光譜等光譜檢測技術在精確度和靈敏度方面尚有不足， 但是LIBS技術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技術進一步向實用化方向推進，提高LIBS探測的可靠性、經濟性和準確性，目前研究重點集中在對收集光譜信號的優化上，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技術應用

1.環境檢測

由于近幾十年的工業發展，城市建設等因素導致環境污染日益嚴重，尤其是重金屬污染、水體富營養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、無需制樣的技術來實現對環境污染物質的檢測和監測。LIBS 可以滿足上述要求，可以檢測分析任何形態的物質元素（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.食品安全和營養學

目前LIBS技術已被應用于食品、農產品及植物成分的檢測研究。應用LIBS技術結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，添加適當的錳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 和拉曼光譜聯用裝置， 用于探測火星表面環境的特征。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、發展趨勢

1.便攜化

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

2.專用化

對于不同的使用需求，要開發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、穩定可靠的校正模型以及模型維護和二次開發能力。

3.核心零部件研制與創新

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國產部件對于最終成型儀器的商品化上市以及產品的競爭力具有極大的推動作用。LIBS技術的大力發展，不僅對于技術本身有積極意義，對于零部件國產化的進程也具有極大的促進作用。

4.分析方法的創新

大多數LIBS分析軟件依賴于光譜儀的操控，僅僅是獲得元素的譜圖，而后續再采用第三方軟件進行處理。或是通過最小化參數的改變來實現定性測定的要求。可以說，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，統計算法學等，才能夠實現LIBS技術的有效應用。

五、結語

作為一種快捷、靈敏、可靠的元素檢測技術，LIBS 已經證明了其在環境、食品安全、生物醫藥、材料、軍事、太空等多個領域的成功應用。檢測樣品形態涵蓋固、液、氣三態，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，以及商業化進程的加大和細化，LIBS 技術在未來的環境、醫藥、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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