激光誘導擊穿光譜(Laser-InducedBreakdownSpectroscopy，簡稱LIBS)技術是利用激光照射被測物體表面產生等離子體，通過檢測等離子體光譜而獲取物質成分和濃度的分析技術。相比于傳統的光譜分析方法，如原子吸收光譜分析、電感耦合等離子體-原子發射光譜、電感耦合等離子體質譜分析，LIBS技術具有快速、靈敏、多元素、遠距離在線同時檢測等優點。

LIBS技術不僅可以檢測固體還可以檢測液體和氣體物質，并且在工業，環境污染檢測，食品衛生安全，文物考古，寶石鑒定生物醫藥，司法鑒定等方面都發揮出巨大的應用潛力。

01 LIBS基本原理

LIBS技術的原理是將高強度的激光脈沖聚焦于樣品表面，樣品表面因吸收光子的能量而被加熱，脈沖不斷地打到樣品處，匯聚點溫度可達104~107℃，其物質瞬間發生融化，熱電子變成自由電子，自由電子在激光的不斷作用下又與原子發生碰撞，原子再變成電子，就這樣形成雪崩效應，最終產生大量的高溫等離子體。隨后，激光脈沖停止，等離子體溫度開始降低，等離子體中處于激發態的原子、單重和多重電離的離子以及自由電子在向下躍遷時產生弛豫現象，部分能量以光的形式輻射出來，這種輻射帶有明顯的元素特征。因此，通過光譜儀記錄和分析輻射的光譜信號即可以對固體、液體和氣體樣品中的化學元素進行定性和定量分析。

圖1 LIBS實驗裝置圖

圖2元素與光譜波長關系

02單脈沖和雙脈沖LIBS技術

LIBS在技術應用方式上又分為單脈沖和雙脈沖。單脈沖技術只需要對單一等離子體光譜檢測分析，其原理是利用單脈沖(單脈沖能量通常在幾十到幾百m)照射聚焦樣品，使樣品氣化蒸發，通過產生的等離子體發射出來的光譜對物質進行檢測分析。單脈沖LIBS對樣品破壞性小，檢測更加迅速靈敏，更加適合用于有特殊要求的場合，如文物和法醫鑒定等。單脈沖LIBS面臨的最大的問題是譜線強度的可重復性因為對于單脈沖照射而言，多種因素都可能對實驗的結果有影響。相比于單脈沖LIBS，雙脈沖LIBS技術在元素檢出限、檢測靈敏度、譜線強度和減少測量結果偏差等方面都有很好提高。雙脈沖LIBS比單脈沖LIBS在檢出限方面有1~2個數量級的提高，并具有更小的譜線增寬和譜線位移。雙脈沖LIBS原理大致是通過激光器先發射一個脈沖于樣品表面，使樣品被灼燒氣化蒸發產生等離子體，在其膨脹冷卻后用第二個激光脈沖打到等離子體上對其再度激發，通過探測第二個激光誘導的等離子體輻射譜線來分析檢測元素物質。雙脈沖LIBS面臨的主問題是其受周圍環境和檢測元素本身影響而有所變化，例如譜線強度的增加和元素本身性質還有環境變化有關，激光的兩個光束位置，脈沖時間間隔等都會影響檢測結果和精度。

表1部分元素LIBS譜特征峰和檢測極限

03 LIBS對固、液、氣樣品的檢測

3.1固相

LIBS技術在固相中的研究要比液相或者氣相更加豐富和深入。大量的文獻多見于對土壤合金等固相物質中的元素檢測分析。采用LIBS技術研究土壤污染不需要復雜的樣品制備，可以靈活快速地對樣品進行檢測定量分析。不受地域地形限制，可時時現場檢測，大大提高結果的真實程度。

3.2液相

通過LIBS的快速，無需采樣的檢測特點，可以使液相檢測得到很大的提高，尤其是對于環境污染監測有很好的應用前景。圖3是LIBS對不同濃度含Cu溶液在324.75nm波長檢測的特征譜線圖。從圖中可以看到譜線的強度可以反映出溶液中Cu離子的含量差異。

圖3不同濃度含Cu溶液的324.75nm特征譜

3.3氣相

工業發展導致的環境問題日益凸顯，工廠排放的煙氣一般溫度較高，重金屬含量高，成分復茶，分布不均勻，同時煙氣自身不穩定，極易發生變化等給檢測帶來了比較大的難度。激光拉曼散射法等雖然可以檢測氣體分子，但是需要較長的富集時間，靈敏度低、不能同時多元素檢測。LIBS集同時在線多元素、快速靈敏的檢測方法這些優點于一身，在不利地形中遠距離在線檢測氣體污染物質方面有很好的優勢，不需要復雜的取樣采集，檢測結果迅速。

圖4LIBS直接法測量大氣中CuSO4微粒濃度

04LIBS技術存在的問題和挑戰

(1)LIBS系統中最關鍵的是高功率激光光源，不同的樣品對激光的能量和功率密度要求不同，一般要求能量為10~100mJ，光斑尺寸在100μm以下。用于液體樣品分析時，常需要激光能量>100mJ，功率密度>1GW/cm2，這就對激光的能量要求提出挑戰。(2)激光脈沖能量無法全部使用，部分能量會損失掉，因而導致等離子體時刻隨著能量改變而變化，因此實驗的可重復性不強，這需要從脈沖激光器控制的角度進行深入研究改進激光脈沖的穩定和重復性。(3)如何實現準確的定量分析，一直是LIBS研究的重點。根據不同的物質，也發展出了多種定量分析方法，但一直還沒有一個非常有效的普適性方法。

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審核編輯 黃宇