激光誘導擊穿光譜（LIBS）分析技術的發展趨勢

　　趨勢一：便攜化

　　近年來(lái)，随着對工業節能減排的要求，以及環境污染事件頻發、食品安全等一系列問題、快速檢測儀器(qì)得(de)到了極大(dà)的重視(shì)。對于軍事國防業及突發事件對快速響應的需求，環境監測與地質對在線監測的需求，曆史文化遺産對于不可(kě)移動物質判别的需求，LIBS技術以其無樣品預處理(lǐ)，多(duō)形态分析以及無輻射危害的優勢成為(wèi)現場(chǎng)檢測技術新發展的熱點，而便攜化無疑是這一技術的一大(dà)發展趨勢。這類儀器(qì)不但(dàn)要考慮儀器(qì)的集成度和(hé)穩定性等基本指标，還(hái)需要考慮能耗、抗振動、工作(zuò)環境等問題。

　　無論是IVEA的手持LIBS還(hái)是TSI的車(chē)載小(xiǎo)型LIBS儀器(qì)，都是在現有(yǒu)儀器(qì)基礎上(shàng)形成的小(xiǎo)型化儀器(qì)，此外，牛津的手持儀器(qì)已經可(kě)以實現電(diàn)池操控，五秒(miǎo)內(nèi)對鋼鐵(tiě)樣品實現分類定性，這是商業化LIBS的一大(dà)，值得(de)所有(yǒu)面向應用的科研團隊學習。而對于國內(nèi)的LIBS技術來(lái)說，依然多(duō)是基于實驗室的研究儀器(qì)，需要複雜的參數調節與嚴格的檢測環境。在此背景下，我們分析儀器(qì)研究中心團隊實現了便攜式激光誘導擊穿光譜分析儀器(qì)的國産化。便攜式激光光譜分析儀(LIBS )以及體(tǐ)積更小(xiǎo)、質量更輕，更适用于野外現場(chǎng)樣品快速分析的手持式LIBS儀器(qì)：手持式激光光譜分析儀(LIBS Mini)，均能在數秒(miǎo)之內(nèi)在原地完成對固體(tǐ)、液體(tǐ)甚至氣體(tǐ)形态的物質的完整在線元素分析，因此該類便攜式儀器(qì)可(kě)用于地質、環境、安保、古董、冶金、表面處理(lǐ)及電(diàn)子器(qì)件現場(chǎng)分析。

　　趨勢二： 化

　　在實際應用中，要摒棄“一機多(duō)用”的面面兼顧思維模式，不僅浪費資源，也往往使儀器(qì)不能達到優的使用效果。對于不同的使用需求，要開(kāi)發各種有(yǒu)針對性的實用儀器(qì)。 儀器(qì)的使用成本和(hé)檢測精度都會(huì)得(de)到有(yǒu)效的改善。針對特定的檢測對象和(hé)檢測指标，關鍵還(hái)要有(yǒu) 的、穩定可(kě)靠的校(xiào)正模型以及模型的維護和(hé)二次開(kāi)發能力。以牛津mPulseTM為(wèi)例，其抓住鋼鐵(tiě)分類為(wèi)應用點，采用聚類分析的手段，雖然限制(zhì)了LIBS技術的應用範圍，但(dàn)是同時(shí)也降低(dī)了儀器(qì)成本，提高(gāo)了測定速度與率。隻有(yǒu)跟用戶單位的有(yǒu)效溝通(tōng)和(hé)通(tōng)力協作(zuò)才能夠實現LIBS技術的真正 ，比如我們分析儀器(qì)研究中心的LIBS儀器(qì)，就是在基于成熟的便攜LIBS系統的基礎上(shàng)，根據來(lái)自地質研究院以及鋼鐵(tiě)集團的實際需求，對儀器(qì)的硬件參數與軟件操作(zuò)進行(xíng)改進與升級。同時(shí)，建立了LIBS技術用于岩性識别的方法體(tǐ)系，并借助于化學計量學手段開(kāi)展基體(tǐ)校(xiào)正研究，探索了地層樣品的LIBS元素定量-半定量分析的模型部分。

　　趨勢三：核心零部件研制(zhì)和(hé)創新

　　國家(jiā)對于國産科學儀器(qì)的發展給予了高(gāo)度的關注和(hé)資金支持，而核心零部件性能對于儀器(qì)整體(tǐ)性能的提升至關重要。光栅是光譜儀器(qì)的核心部件，光栅刻劃集精密機械、光學技術于一身。但(dàn)目前我國光栅、檢測器(qì)、掃描裝置等部件多(duō)依賴于進口。因而，積極采用以及自主研發國産部件對于終成型儀器(qì)的商品化上(shàng)市以及産品的競争力具有(yǒu)極大(dà)的推動作(zuò)用。光電(diàn)倍增管檢測器(qì);光譜分析用多(duō)維固體(tǐ)檢測器(qì)—線陣、面陣式CCD檢測器(qì);高(gāo)刻線密度、高(gāo)光通(tōng)量全息光栅;中階梯閃耀光栅;高(gāo)強度短(duǎn)弧氙燈-連續光源等，這些(xiē)國內(nèi)或較少(shǎo)有(yǒu)自主産品，或相應的質量和(hé)性能不及國外産品。重要的是，儀器(qì)成本往往取決于相關部件的成本，若我們僅僅靠裝配組裝技術，永遠無法掌握真正的核心技術，也難于形成有(yǒu)競争力的産品。反過來(lái)，LIBS技術的大(dà)力發展，不僅對于技術本身有(yǒu)積極意義，對于零部件國産化的進程也具有(yǒu)極大(dà)的促進作(zuò)用。許多(duō)業內(nèi)人(rén)士都曾呼籲大(dà)家(jiā)關注儀器(qì)核心零部件的研制(zhì)。在這一點上(shàng)，我們的LIBS研發團隊對此也深有(yǒu)體(tǐ)會(huì)。

　　趨勢四：分析方法的創新

　　隻有(yǒu)單純的譜圖，是遠遠無法滿足工業分析需求的。而簡單的線性拟合方法，又會(huì)受到基質效應等因素的影(yǐng)響。對于分類方法來(lái)說，固定不變的參數同樣會(huì)因為(wèi)外界基質的變動而在實際應用中産生(shēng)較大(dà)誤差。大(dà)多(duō)數LIBS分析軟件依賴于光譜儀的操控，僅僅是獲得(de)元素的譜圖，而後續再采用第三方軟件進行(xíng)處理(lǐ);亦或是通(tōng)過小(xiǎo)化參數的改變來(lái)實現定性測定的要求。可(kě)以說，沒有(yǒu)合适分析方法的LIBS儀器(qì)僅僅是硬件的堆積。隻有(yǒu)加入分析方法學，統計算(suàn)法學等，才能夠實現LIBS技術的有(yǒu)效應用。這一點也是國外現有(yǒu)LIBS技術的一個(gè)共性問題，其操作(zuò)或過于繁複，或過于簡單，用戶需要自己考量的部分太多(duō)。因此，我們的研發團隊在對于分析參數的變動與軟件的簡化，實現原位物質瞬時(shí)定性與快速定量等方面，結合光譜特征譜線識别與标定方法，在整體(tǐ)上(shàng)完成了自動化實驗平台的研發與設計，為(wèi)整個(gè)LIBS實驗過程的自動化控制(zhì)打下了堅實的基礎。

　　趨勢五：技術聯用

　　近年來(lái)，由于激光光譜儀器(qì)部件的趨同性，技術發展的一大(dà)趨勢是将之與其他檢測技術聯用，例如将LIBS多(duō)元素檢測能力和(hé)拉曼技術或熒光技術在分子層面的檢測能力相結合，得(de)到更為(wèi)的物質成分信息。我們提出開(kāi)發兼具原子光譜和(hé)分子Raman光譜的LIBRAS(Laser Induced Breakdown Raman Spectroscopy)系統，實現激光光譜儀對樣品中元素和(hé)物質種類的鑒别和(hé)量化，這是分析技術的一次重點跨越，在推進分析測試技術方面将具有(yǒu)意義。另外，通(tōng)過與傳統富集方法的結合或者是創新的信号增強技術也是目前LIBS 技術研究工作(zuò)中的一個(gè)重要方向。随着網絡技術的發展，分析儀器(qì)與移動網絡和(hé)雲技術的聯用可(kě)以對于遠距離測試，異地操控等實際應用有(yǒu)極大(dà)價值，其潛力亦不可(kě)忽視(shì)。

　　趨勢六：遙測

　　目前納米脈沖激光器(qì)的使用已經可(kě)以進行(xíng)長達百米左右距離的固體(tǐ)目标遙測。通(tōng)過使用有(yǒu)效的聚焦透鏡對激光束遠程高(gāo)度聚焦，已經實現了遠距離的等離子體(tǐ)激發和(hé)收集。随着LIBS儀器(qì)的日趨成熟，今後可(kě)能将其安裝在遙控操作(zuò)式載體(tǐ)上(shàng)，完成對空(kōng)氣、地面甚至水(shuǐ)下檢測任務。以火(huǒ)星探測為(wèi)例，在航天應用時(shí)，不可(kě)能将探頭固定于某一位點，應用LIBS技術，在非接觸的遠距離條件下即可(kě)獲得(de)岩石的測定結果，因而LIBS技術繼火(huǒ)星車(chē)ChemCam之後又一次被選為(wèi)金星探測用儀器(qì)。

　　趨勢七：提高(gāo)可(kě)靠性

　　可(kě)靠性是分析儀器(qì)的靈魂和(hé)生(shēng)命線。對于當前的LIBS系統，可(kě)靠性仍然是發展中亟待解決的問題之一。此外，在儀器(qì)完善過程中，必須采取一系列可(kě)靠性設計分析工作(zuò)，做(zuò)好可(kě)靠性試驗與驗證工作(zuò)。當務之急是建立可(kě)靠的檢測範圍和(hé)實驗方法來(lái)鞏固和(hé)完善其在定量分析中的實用性，盡快制(zhì)定出完善的檢測标準，得(de)到行(xíng)業的認可(kě)，從而以快速度擴大(dà)LIBS技術的應用範圍。為(wèi)此，我們的研發團隊在前期激光等離子體(tǐ)空(kōng)間(jiān)分辨性質研究的基礎上(shàng)，對儀器(qì)的光學收集系統進行(xíng)了創造性地改良，了信号收集效率的增強，提高(gāo)了儀器(qì)的靈敏度，并通(tōng)過光學技術的，采用單脈沖雙光束激發的LIBS技術，能夠有(yǒu)效地避開(kāi)等離子體(tǐ)的遮蔽效應，使終激光能量受外界環境幹擾因素顯著地降低(dī)。

　　綜上(shàng)所述，LIBS技術的發展正呈現出突飛猛進的勢頭，其研究熱點主要集中于更高(gāo)的靈敏度、更高(gāo)的性、更好的選擇性、更高(gāo)的自動化程度、儀器(qì)的小(xiǎo)型化和(hé)智能化等方面。

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