中科院西安光機所在激光等離子體光譜研究領域取得重要進展
【化工儀器網 項目成果】激光誘導擊穿光譜(LIBS)是一種基于原子發射光譜學的元素分析技術，通過超短脈沖激光聚焦樣品表面形成等離子體，進而對等離子體發射光譜進行分析以確定樣品的物質成分及含量。LIBS技術(原則上)可以分析任何物態的樣品，僅受到激光的功率以及攝譜儀&檢測器的靈敏度和波長范圍的限制。在多元素分析、實時快速原位測量等方面具備突出優勢，在定性識別物質與定量物質成分分析等領域具有重要應用前景。放電輔助激光誘導擊穿光譜(D-LIBS)在痕量檢測中代表了一種非常有前途的技術。
利用放電輔助可以顯著增強LIBS信號強度，從而達到提高分析靈敏度的目的。然而，D-LIBS在放電時電能消耗過大，同時從交變電壓和電流中產生電磁脈沖，這不可避免地導致能源浪費和環境污染相關問題。這一負面因素，不僅加大了安全隱患和運行風險，更不利于社會倡導的節能減排和環境保護要求，進而限制了D-LIBS技術的進一步應用。因此，開發一種“兩低一高”(低環境危害、低能耗、高分析靈敏度)的D-LIBS技術仍然是物質分析領域中一項難度較大的挑戰。
近日，西安光機所瞬態光學與光子技術國家重點實驗室湯潔研究員課題組，聯合美國勞倫斯伯克利國家實驗室Vassilia Zorba教授團隊，在激光等離子體光譜研究領域取得重要進展。湯潔研究員課題組與Vassilia Zorba教授團隊合作共同提出一種離子動力學調制方法，對克服傳統D-LIBS放電能耗大、安全風險高、環境危害大等不利因素，同時提高分析靈敏度具有顯著改善效果。該項工作借助于這種方法，合理優化電極配置，有序調控放電模式，在有效增強光譜信號強度的同時，大幅降低放電能耗。
實驗測試結果表明：與傳統D-LIBS對比，該成果對于非平坦樣品實現了在維持光譜信號2個數量級提升情況下，放電能耗降低了約1個數量級。結合經改進的小波變換降噪方法，D-LIBS中譜線信噪比、信背比，以及穩定性相比原光譜均獲得了顯著提升。微量元素(Mg)的檢出限從近百ppm降低至亞ppm量級。除此之外，與傳統D-LIBS及其他LIBS增強技術相比，微量元素(Mg、Si)探測靈敏度提高近2個數量級。該研究成果不僅有助于推動節能環保建設以及D-LIBS的廣泛應用，同時在低燒蝕激光功率密度的極端條件下，為D-LIBS微量或痕量元素定性與定量分析提供了有力的理論依據和技術支撐。
相關研究成果Large modulation of ion dynamics for discharge-assisted laser-induced breakdown spectroscopy于近日發表于Cell子刊Cell Reports Physical Science。
資料來源： 西安光學精密機械研究所
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