激光誘導擊穿光譜（LIBS）分析技術(shù)的發(fā)展趨勢

　　趨勢一：便攜化

　　近年來(lái)，隨著(zhù)對工業(yè)節能減排的要求，以及環(huán)境污染事件頻發(fā)、食品安全等一系列問(wèn)題、快速檢測儀器得到了極大的重視。對于軍事國防業(yè)及突發(fā)事件對快速響應的需求，環(huán)境監測與地質(zhì)對在線(xiàn)監測的需求，歷史文化遺產(chǎn)對于不可移動(dòng)物質(zhì)判別的需求，LIBS技術(shù)以其無(wú)樣品預處理，多形態(tài)分析以及無(wú)輻射危害的優(yōu)勢成為現場(chǎng)檢測技術(shù)新發(fā)展的熱點(diǎn)，而便攜化無(wú)疑是這一技術(shù)的一大發(fā)展趨勢。這類(lèi)儀器不但要考慮儀器的集成度和穩定性等基本指標，還需要考慮能耗、抗振動(dòng)、工作環(huán)境等問(wèn)題。

　　無(wú)論是IVEA的手持LIBS還是TSI的車(chē)載小型LIBS儀器，都是在現有儀器基礎上形成的小型化儀器，此外，牛津的手持儀器已經(jīng)可以實(shí)現電池操控，五秒內對鋼鐵樣品實(shí)現分類(lèi)定性，這是商業(yè)化LIBS的一大，值得所有面向應用的科研團隊學(xué)習。而對于國內的LIBS技術(shù)來(lái)說(shuō)，依然多是基于實(shí)驗室的研究?jì)x器，需要復雜的參數調節與嚴格的檢測環(huán)境。在此背景下，我們分析儀器研究中心團隊實(shí)現了便攜式激光誘導擊穿光譜分析儀器的國產(chǎn)化。便攜式激光光譜分析儀(LIBS )以及體積更小、質(zhì)量更輕，更適用于野外現場(chǎng)樣品快速分析的手持式LIBS儀器：手持式激光光譜分析儀(LIBS Mini)，均能在數秒之內在原地完成對固體、液體甚至氣體形態(tài)的物質(zhì)的完整在線(xiàn)元素分析，因此該類(lèi)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場(chǎng)分析。

　　趨勢二： 化

　　在實(shí)際應用中，要摒棄“一機多用”的面面兼顧思維模式，不僅浪費資源，也往往使儀器不能達到優(yōu)的使用效果。對于不同的使用需求，要開(kāi)發(fā)各種有針對性的實(shí)用儀器。 儀器的使用成本和檢測精度都會(huì )得到有效的改善。針對特定的檢測對象和檢測指標，關(guān)鍵還要有 的、穩定可靠的校正模型以及模型的維護和二次開(kāi)發(fā)能力。以牛津mPulseTM為例，其抓住鋼鐵分類(lèi)為應用點(diǎn)，采用聚類(lèi)分析的手段，雖然限制了LIBS技術(shù)的應用范圍，但是同時(shí)也降低了儀器成本，提高了測定速度與率。只有跟用戶(hù)單位的有效溝通和通力協(xié)作才能夠實(shí)現LIBS技術(shù)的真正 ，比如我們分析儀器研究中心的LIBS儀器，就是在基于成熟的便攜LIBS系統的基礎上，根據來(lái)自地質(zhì)研究院以及鋼鐵集團的實(shí)際需求，對儀器的硬件參數與軟件操作進(jìn)行改進(jìn)與升級。同時(shí)，建立了LIBS技術(shù)用于巖性識別的方法體系，并借助于化學(xué)計量學(xué)手段開(kāi)展基體校正研究，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：核心零部件研制和創(chuàng )新

　　國家對于國產(chǎn)科學(xué)儀器的發(fā)展給予了高度的關(guān)注和資金支持，而核心零部件性能對于儀器整體性能的提升至關(guān)重要。光柵是光譜儀器的核心部件，光柵刻劃集精密機械、光學(xué)技術(shù)于一身。但目前我國光柵、檢測器、掃描裝置等部件多依賴(lài)于進(jìn)口。因而，積極采用以及自主研發(fā)國產(chǎn)部件對于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(dòng)作用。光電倍增管檢測器;光譜分析用多維固體檢測器—線(xiàn)陣、面陣式CCD檢測器;高刻線(xiàn)密度、高光通量全息光柵;中階梯閃耀光柵;高強度短弧氙燈-連續光源等，這些國內或較少有自主產(chǎn)品，或相應的質(zhì)量和性能不及國外產(chǎn)品。重要的是，儀器成本往往取決于相關(guān)部件的成本，若我們僅僅靠裝配組裝技術(shù)，永遠無(wú)法掌握真正的核心技術(shù)，也難于形成有競爭力的產(chǎn)品。反過(guò)來(lái)，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(jìn)程也具有極大的促進(jìn)作用。許多業(yè)內人士都曾呼吁大家關(guān)注儀器核心零部件的研制。在這一點(diǎn)上，我們的LIBS研發(fā)團隊對此也深有體會(huì )。

　　趨勢四：分析方法的創(chuàng )新

　　只有單純的譜圖，是遠遠無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)分析需求的。而簡(jiǎn)單的線(xiàn)性擬合方法，又會(huì )受到基質(zhì)效應等因素的影響。對于分類(lèi)方法來(lái)說(shuō)，固定不變的參數同樣會(huì )因為外界基質(zhì)的變動(dòng)而在實(shí)際應用中產(chǎn)生較大誤差。大多數LIBS分析軟件依賴(lài)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(jìn)行處理;亦或是通過(guò)小化參數的改變來(lái)實(shí)現定性測定的要求?？梢哉f(shuō)，沒(méi)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(xué)，統計算法學(xué)等，才能夠實(shí)現LIBS技術(shù)的有效應用。這一點(diǎn)也是國外現有LIBS技術(shù)的一個(gè)共性問(wèn)題，其操作或過(guò)于繁復，或過(guò)于簡(jiǎn)單，用戶(hù)需要自己考量的部分太多。因此，我們的研發(fā)團隊在對于分析參數的變動(dòng)與軟件的簡(jiǎn)化，實(shí)現原位物質(zhì)瞬時(shí)定性與快速定量等方面，結合光譜特征譜線(xiàn)識別與標定方法，在整體上完成了自動(dòng)化實(shí)驗平臺的研發(fā)與設計，為整個(gè)LIBS實(shí)驗過(guò)程的自動(dòng)化控制打下了堅實(shí)的基礎。

　　趨勢五：技術(shù)聯(lián)用

　　近年來(lái)，由于激光光譜儀器部件的趨同性，技術(shù)發(fā)展的一大趨勢是將之與其他檢測技術(shù)聯(lián)用，例如將LIBS多元素檢測能力和拉曼技術(shù)或熒光技術(shù)在分子層面的檢測能力相結合，得到更為的物質(zhì)成分信息。我們提出開(kāi)發(fā)兼具原子光譜和分子Raman光譜的LIBRAS(Laser Induced Breakdown Raman Spectroscopy)系統，實(shí)現激光光譜儀對樣品中元素和物質(zhì)種類(lèi)的鑒別和量化，這是分析技術(shù)的一次重點(diǎn)跨越，在推進(jìn)分析測試技術(shù)方面將具有意義。另外，通過(guò)與傳統富集方法的結合或者是創(chuàng )新的信號增強技術(shù)也是目前LIBS 技術(shù)研究工作中的一個(gè)重要方向。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，分析儀器與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )和云技術(shù)的聯(lián)用可以對于遠距離測試，異地操控等實(shí)際應用有極大價(jià)值，其潛力亦不可忽視。

　　趨勢六：遙測

　　目前納米脈沖激光器的使用已經(jīng)可以進(jìn)行長(cháng)達百米左右距離的固體目標遙測。通過(guò)使用有效的聚焦透鏡對激光束遠程高度聚焦，已經(jīng)實(shí)現了遠距離的等離子體激發(fā)和收集。隨著(zhù)LIBS儀器的日趨成熟，今后可能將其安裝在遙控操作式載體上，完成對空氣、地面甚至水下檢測任務(wù)。以火星探測為例，在航天應用時(shí)，不可能將探頭固定于某一位點(diǎn)，應用LIBS技術(shù)，在非接觸的遠距離條件下即可獲得巖石的測定結果，因而LIBS技術(shù)繼火星車(chē)ChemCam之后又一次被選為金星探測用儀器。

　　趨勢七：提高可靠性

　　可靠性是分析儀器的靈魂和生命線(xiàn)。對于當前的LIBS系統，可靠性仍然是發(fā)展中亟待解決的問(wèn)題之一。此外，在儀器完善過(guò)程中，必須采取一系列可靠性設計分析工作，做好可靠性試驗與驗證工作。當務(wù)之急是建立可靠的檢測范圍和實(shí)驗方法來(lái)鞏固和完善其在定量分析中的實(shí)用性，盡快制定出完善的檢測標準，得到行業(yè)的認可，從而以快速度擴大LIBS技術(shù)的應用范圍。為此，我們的研發(fā)團隊在前期激光等離子體空間分辨性質(zhì)研究的基礎上，對儀器的光學(xué)收集系統進(jìn)行了創(chuàng )造性地改良，了信號收集效率的增強，提高了儀器的靈敏度，并通過(guò)光學(xué)技術(shù)的，采用單脈沖雙光束激發(fā)的LIBS技術(shù)，能夠有效地避開(kāi)等離子體的遮蔽效應，使終激光能量受外界環(huán)境干擾因素顯著(zhù)地降低。

　　綜上所述，LIBS技術(shù)的發(fā)展正呈現出突飛猛進(jìn)的勢頭，其研究熱點(diǎn)主要集中于更高的靈敏度、更高的性、更好的選擇性、更高的自動(dòng)化程度、儀器的小型化和智能化等方面。

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