激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）分析技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

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　　趨勢(shì)一：便攜化

　　近年來(lái)，隨著對(duì)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(wèn)題、快速檢測(cè)儀器得到了極大的重視。對(duì)于軍事國(guó)防業(yè)及突發(fā)事件對(duì)快速響應(yīng)的需求，環(huán)境監(jiān)測(cè)與地質(zhì)對(duì)在線監(jiān)測(cè)的需求，歷史文化遺產(chǎn)對(duì)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(yù)處理，多形態(tài)分析以及無(wú)輻射危害的優(yōu)勢(shì)成為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)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(shì)。這類(lèi)儀器不但要考慮儀器的集成度和穩(wěn)定性等基本指標(biāo)，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(xiàn)有儀器基礎(chǔ)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(xiàn)電池操控，五秒內(nèi)對(duì)鋼鐵樣品實(shí)現(xiàn)分類(lèi)定性，這是商業(yè)化LIBS的一大，值得所有面向應(yīng)用的科研團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)。而對(duì)于國(guó)內(nèi)的LIBS技術(shù)來(lái)說(shuō)，依然多是基于實(shí)驗(yàn)室的研究?jī)x器，需要復(fù)雜的參數(shù)調(diào)節(jié)與嚴(yán)格的檢測(cè)環(huán)境。在此背景下，我們分析儀器研究中心團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了便攜式激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析儀器的國(guó)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(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(shù)秒之內(nèi)在原地完成對(duì)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(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(xiàn)場(chǎng)分析。

　　趨勢(shì)二：化

　　在實(shí)際應(yīng)用中，要摒棄“一機(jī)多用”的面面兼顧思維模式，不僅浪費(fèi)資源，也往往使儀器不能達(dá)到優(yōu)的使用效果。對(duì)于不同的使用需求，要開(kāi)發(fā)各種有針對(duì)性的實(shí)用儀器。儀器的使用成本和檢測(cè)精度都會(huì)得到有效的改善。針對(duì)特定的檢測(cè)對(duì)象和檢測(cè)指標(biāo)，關(guān)鍵還要有的、穩(wěn)定可靠的校正模型以及模型的維護(hù)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(yīng)用點(diǎn)，采用聚類(lèi)分析的手段，雖然限制了LIBS技術(shù)的應(yīng)用范圍，但是同時(shí)也降低了儀器成本，提高了測(cè)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(chǔ)上，根據(jù)來(lái)自地質(zhì)研究院以及鋼鐵集團(tuán)的實(shí)際需求，對(duì)儀器的硬件參數(shù)與軟件操作進(jìn)行改進(jìn)與升級(jí)。同時(shí)，建立了LIBS技術(shù)用于巖性識(shí)別的方法體系，并借助于化學(xué)計(jì)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(shì)三：核心零部件研制和創(chuàng)新

　　國(guó)家對(duì)于國(guó)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(duì)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(jī)械、光學(xué)技術(shù)于一身。但目前我國(guó)光柵、檢測(cè)器、掃描裝置等部件多依賴于進(jìn)口。因而，積極采用以及自主研發(fā)國(guó)產(chǎn)部件對(duì)于終成型儀器的商品化上市以及產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力具有極大的推動(dòng)作用。光電倍增管檢測(cè)器;光譜分析用多維固體檢測(cè)器—線陣、面陣式CCD檢測(cè)器;高刻線密度、高光通量全息光柵;中階梯閃耀光柵;高強(qiáng)度短弧氙燈-連續(xù)光源等，這些國(guó)內(nèi)或較少有自主產(chǎn)品，或相應(yīng)的質(zhì)量和性能不及國(guó)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(yuǎn)無(wú)法掌握真正的核心技術(shù)，也難于形成有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。反過(guò)來(lái)，LIBS技術(shù)的大力發(fā)展，不僅對(duì)于技術(shù)本身有積極意義，對(duì)于零部件國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程也具有極大的促進(jìn)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(diǎn)上，我們的LIBS研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)此也深有體會(huì)。

　　趨勢(shì)四：分析方法的創(chuàng)新

　　只有單純的譜圖，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足工業(yè)分析需求的。而簡(jiǎn)單的線性擬合方法，又會(huì)受到基質(zhì)效應(yīng)等因素的影響。對(duì)于分類(lèi)方法來(lái)說(shuō)，固定不變的參數(shù)同樣會(huì)因?yàn)橥饨缁|(zhì)的變動(dòng)而在實(shí)際應(yīng)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(jìn)行處理;亦或是通過(guò)小化參數(shù)的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)定性測(cè)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(tǒng)計(jì)算法學(xué)等，才能夠?qū)崿F(xiàn)LIBS技術(shù)的有效應(yīng)用。這一點(diǎn)也是國(guó)外現(xiàn)有LIBS技術(shù)的一個(gè)共性問(wèn)題，其操作或過(guò)于繁復(fù)，或過(guò)于簡(jiǎn)單，用戶需要自己考量的部分太多。因此，我們的研發(fā)團(tuán)隊(duì)在對(duì)于分析參數(shù)的變動(dòng)與軟件的簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)原位物質(zhì)瞬時(shí)定性與快速定量等方面，結(jié)合光譜特征譜線識(shí)別與標(biāo)定方法，在整體上完成了自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研發(fā)與設(shè)計(jì)，為整個(gè)LIBS實(shí)驗(yàn)過(guò)程的自動(dòng)化控制打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　趨勢(shì)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(shì)是將之與其他檢測(cè)技術(shù)聯(lián)用，例如將LIBS多元素檢測(cè)能力和拉曼技術(shù)或熒光技術(shù)在分子層面的檢測(cè)能力相結(jié)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(tǒng)，實(shí)現(xiàn)激光光譜儀對(duì)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(cè)試技術(shù)方面將具有意義。另外，通過(guò)與傳統(tǒng)富集方法的結(jié)合或者是創(chuàng)新的信號(hào)增強(qiáng)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(duì)于遠(yuǎn)距離測(cè)試，異地操控等實(shí)際應(yīng)用有極大價(jià)值，其潛力亦不可忽視。

　　趨勢(shì)六：遙測(cè)

　　目前納米脈沖激光器的使用已經(jīng)可以進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)百米左右距離的固體目標(biāo)遙測(cè)。通過(guò)使用有效的聚焦透鏡對(duì)激光束遠(yuǎn)程高度聚焦，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)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(duì)空氣、地面甚至水下檢測(cè)任務(wù)。以火星探測(cè)為例，在航天應(yīng)用時(shí)，不可能將探頭固定于某一位點(diǎn)，應(yīng)用LIBS技術(shù)，在非接觸的遠(yuǎn)距離條件下即可獲得巖石的測(cè)定結(jié)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(cè)用儀器。

　　趨勢(shì)七：提高可靠性

　　可靠性是分析儀器的靈魂和生命線。對(duì)于當(dāng)前的LIBS系統(tǒng)，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(shè)計(jì)分析工作，做好可靠性試驗(yàn)與驗(yàn)證工作。當(dāng)務(wù)之急是建立可靠的檢測(cè)范圍和實(shí)驗(yàn)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(cè)標(biāo)準(zhǔn)，得到行業(yè)的認(rèn)可，從而以快速度擴(kuò)大LIBS技術(shù)的應(yīng)用范圍。為此，我們的研發(fā)團(tuán)隊(duì)在前期激光等離子體空間分辨性質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)儀器的光學(xué)收集系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)造性地改良，了信號(hào)收集效率的增強(qiáng)，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(yīng)，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(jìn)的勢(shì)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。