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，隨著對工業(yè)節(jié)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(jiān)測與地質(zhì)對在線監(jiān)測的需求，歷史文化遺產(chǎn)對于不可移動物質(zhì)判別的需求，LIBS技術(shù)以其無樣品預處理，多形態(tài)分析以及無輻射危害的優(yōu)勢成為現(xiàn)場檢測技術(shù)新發(fā)展的熱點，而便攜化無疑是這一技術(shù)的一大發(fā)展趨勢。這類儀器不但要考慮儀器的集成度和穩(wěn)定性等基本指標，還需要考慮能耗、抗振動、工作環(huán)境等問題。

　　無論是IVEA的手持LIBS還是TSI的車載小型LIBS儀器，都是在現(xiàn)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)可以實現(xiàn)電池操控，五秒內(nèi)對鋼鐵樣品實現(xiàn)分類定性，這是商業(yè)化LIBS的一大，值得所有面向應用的科研團隊學習。而對于國內(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，我們分析儀器研究中心團隊實現(xiàn)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(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(LIBS Mini)，均能在數(shù)秒之內(nèi)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。

　　趨勢二： 化

　　在實際應用中，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，要開發(fā)各種有針對性的實用儀器。 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(guān)鍵還要有 的、穩(wěn)定可靠的校正模型以及模型的維護和二次開發(fā)能力。以牛津mPulseTM為例，其抓住鋼鐵分類為應用點，采用聚類分析的手段，雖然限制了LIBS技術(shù)的應用范圍，但是同時也降低了儀器成本，提高了測定速度與率。只有跟用戶單位的有效溝通和通力協(xié)作才能夠?qū)崿F(xiàn)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(tǒng)的基礎上，根據(jù)來自地質(zhì)研究院以及鋼鐵集團的實際需求，對儀器的硬件參數(shù)與軟件操作進行改進與升級。同時，建立了LIBS技術(shù)用于巖性識別的方法體系，并借助于化學計量學手段開展基體校正研究，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于進口。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作用。光電倍增管檢測器;光譜分析用多維固體檢測器—線陣、面陣式CCD檢測器;高刻線密度、高光通量全息光柵;中階梯閃耀光柵;高強度短弧氙燈-連續(xù)光源等，這些國內(nèi)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。反過來，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。許多業(yè)內(nèi)人士都曾呼吁大家關(guān)注儀器核心零部件的研制。在這一點上，我們的LIBS研發(fā)團隊對此也深有體會。

　　趨勢四：分析方法的創(chuàng)新

　　只有單純的譜圖，是遠遠無法滿足工業(yè)分析需求的。而簡單的線性擬合方法，又會受到基質(zhì)效應等因素的影響。對于分類方法來說，固定不變的參數(shù)同樣會因為外界基質(zhì)的變動而在實際應用中產(chǎn)生較大誤差。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;亦或是通過小化參數(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。這一點也是國外現(xiàn)有LIBS技術(shù)的一個共性問題，其操作或過于繁復，或過于簡單，用戶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(shù)的變動與軟件的簡化，實現(xiàn)原位物質(zhì)瞬時定性與快速定量等方面，結(jié)合光譜特征譜線識別與標定方法，在整體上完成了自動化實驗平臺的研發(fā)與設計，為整個LIBS實驗過程的自動化控制打下了堅實的基礎。

　　趨勢五：技術(shù)聯(lián)用

　　近年來，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(jié)合，得到更為的物質(zhì)成分信息。我們提出開發(fā)兼具原子光譜和分子Raman光譜的LIBRAS(Laser Induced Breakdown Raman Spectroscopy)系統(tǒng)，實現(xiàn)激光光譜儀對樣品中元素和物質(zhì)種類的鑒別和量化，這是分析技術(shù)的一次重點跨越，在推進分析測試技術(shù)方面將具有意義。另外，通過與傳統(tǒng)富集方法的結(jié)合或者是創(chuàng)新的信號增強技術(shù)也是目前LIBS 技術(shù)研究工作中的一個重要方向。隨著網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，分析儀器與移動網(wǎng)絡和云技術(shù)的聯(lián)用可以對于遠距離測試，異地操控等實際應用有極大價值，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)可以進行長達百米左右距離的固體目標遙測。通過使用有效的聚焦透鏡對激光束遠程高度聚焦，已經(jīng)實現(xiàn)了遠距離的等離子體激發(fā)和收集。隨著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。以火星探測為例，在航天應用時，不可能將探頭固定于某一位點，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(jié)果，因而LIBS技術(shù)繼火星車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。對于當前的LIBS系統(tǒng)，可靠性仍然是發(fā)展中亟待解決的問題之一。此外，在儀器完善過程中，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。當務之急是建立可靠的檢測范圍和實驗方法來鞏固和完善其在定量分析中的實用性，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，對儀器的光學收集系統(tǒng)進行了創(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，并通過光學技術(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)境干擾因素顯著地降低。

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

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