激光誘導擊穿光譜技術在液體中的研究進展

摘 要：激光誘導擊穿光譜技術是一種利用高功率激光作用于物質表面激發等離子體信號，進而對元素進行定性、定量檢測的有效途徑。本文介紹了LIBS技術的原理，雙脈沖相對于單脈沖的優勢，重點討論了該技術在液體樣品方面的技術發展和應用，并分析比較了液體內部、液體表面、液體噴流、液滴以及將液體轉化為固體的優勢，LIBS技術在液體中的檢測方面還具有重大的應用潛力。

關鍵詞：光譜學；激光誘導擊穿光譜；液體；元素檢測

一、激光誘導擊穿光譜技術簡介

激光誘導擊穿光譜（laser induced breakdown spectroscopy，LIBS）是一種最為常用的激光燒蝕光譜技術，是典型的一種能夠實現在線、無損、快速的物質成分檢測方法。其工作原理是利用高功率激光經透鏡聚焦在氣體、液體或固體樣品上，當激光脈沖的能量密度大于擊穿門檻能量，就會在局部產生等離子體，稱作激光誘導等離子體；通過光學收光系統對激發的等離子體中的原子和離子發射特征光譜進行收集，再通過光譜儀測量這些特征譜線的波長和對應的光譜強度，進而實現對物質成分進行定性和定量分析。由于這種等離子體局部能量密度及溫度相當高，因而可用于取樣、原子化、激發及離子化等工作。用光譜儀直接收集樣品表面等離子體產生的發射譜線信號，從理論上可以根據發射光譜的強度進行定量分析。

LIBS突出的優勢在于檢測速度快、破壞性小，無需樣品制備或只需對樣品進行簡單的物理制備，可用于有毒和有害環境以及遠程實時多元素同時檢測，且不受樣品形態的影響，可廣泛應用到固體、液體、氣體的元素分析中?；谶@些優勢，使得LIBS技術在環境污染的痕量分析研究中受到越來越多的重視。

由于單脈沖LIBS的檢測限、穩定性等方面還不能真正滿足實際應用的需要，對于如何提高LIBS技術檢測的靈敏度和穩定性的問題成為了很多課題組的研究重點，繼而出現了多種有關激光誘導擊穿光譜在各個領域的探測新技術，雙脈沖激光誘導擊穿光譜技術的產生就是其中之一。國內外對于雙脈沖LIBS技術的研究大多是關于垂直結構的，對于共線結構雙脈沖LIBS的研究相對較少。與單脈沖LIBS技術相比，雙脈沖LIBS技術在一定程度上能提高信號的光譜強度、降低檢測限。

二、液相樣品的激光誘導擊穿光譜研究現狀

與LIBS在固體中的研究相比，其在液體中的應用研究相對來說較少，但經過各課題組幾十年的研究也取得了長足的進步和重大的進展。Gruber用LIBS原位檢測分析鋼液中的Mg和Cr元素，并分析了其周圍的壓力環境對檢測結果的影響。J?rvinen通過對水溶液蒸發濃縮，再采用LIBS分析水中的Zn和Pb元素，其檢測限分別為0.3ug·ml-1和0.1ug·ml-1。Fang.X對配置的HgCl溶液電解再用LIBS技術檢測溶液中的Hg元素，并通過配置的標準溶液得出校準曲線，計算得出Hg元素的檢測限為11ppb。Cahoon通過將液體樣品霧化以后用LIBS定量分析溶液中的Al、Mg、Ba和Si元素，實驗表明霧化成液滴以后，以上的被測元素的檢測靈敏度在很大程度上都得到了提高。在國內，在冶煉、機械制造、化工等工業生產過程中會排出多種重金屬元素的工業廢水，對環境和人類危害最大，如何科學有效檢測污染水中的成為一大研究熱點。宋超等利用激光誘導擊穿光譜技術對混合溶液中的Cu、Mg、Zn和Cd四種元素進行試驗測量，在蒸餾水中加入CuSO4，Mg（N03）2，Zn（NO3）2和Cd（NO3）2四種溶質，配置7種不同Cu，Mg，Zn和Cd濃度的混合溶液，采用統計探索性數據分析方法處理LIBS數據，得到蒸餾水中Cu.Mg.Zn和Cd元素的定標曲線，擬合度系數R，均大于0.99，研究表明激光誘導擊穿光譜技術在蒸餾水中科院檢測重金屬，但在實際水污染重金屬元素檢測方面有待研究。

為了提高激光誘導擊穿光譜技術用于水溶液中痕量金屬檢測的穩定性和靈敏度，徐麗等采用液體噴流的方式，相比于體相，流動液柱的形式對激光能量的吸收較小，避免了液柱表面的濺射和波動對LIBS信號的影響。利用激光誘導擊穿光譜技術對不同溶度的Cr溶液進行了檢測和分析，通過對實驗系統的激光能量、探測延時等的優化，提高了LIBS信號的穩定性，提高了LIBS技術對于液相基質痕量檢測的靈敏度。

受到液體內部復雜環境的影響，LIBS技術在針對液體樣品的成分檢測分析的應用受到很大的制約。由中國海洋大學光學光電子實驗室提出了一種由超聲波霧化器件輔助，先將液體霧化成空氣中密集的霧狀小液滴，然后進行LIBS檢測的新方法，并由此實現了一套檢測系統，使用該系統對溶解有鎂元素的水溶液樣品進行了系統實驗分析。實驗發現，即使在相對較低的脈沖能量下，該方法誘導的LIBS信號仍具有較長的壽命和較高的信背比。

三、結論與展望

LIBS作為一種嶄新的元素檢測技術，自從第一臺激光器問世以來，就受到人們的極大關注，但是該技術用于對液體樣品的分析仍然較少，同時在定量分析

方面與傳統技術相比還有一定的距離。LIBS技術能進行多元素同時測量，但在單個元素檢測限方面有待提高。LIBS作為一種相對安全、可靠的元素檢測新技術，現階段已經表明了它在環境檢測、食品檢測、材料成分等多個領域進行了成功運用。LIBS技術所檢測的樣品包括固態、液態和氣態，雖然在定量分析這方面還存在一些局限性，但隨著各項目組在定量分析原理方面經驗的積累和改進，已經取得了較大的進展，我們預知LIBS技術將在未來的太空、國防、食品等多個領域會有更廣闊的應用空間。

參考文獻：

[1]宋超，張亞維，高勛.基于激光誘導擊穿光譜技術的混合溶液重金屬元素檢測[J].光譜學與光譜分析，2017，37（06）：1885-1889.

[2]鄭美蘭.共線雙脈沖LIBS檢測水中重金屬銅和鎘元素的試驗研究[D].江西農業大學，2016.

作者簡介：甘蘭萍（1993—），女，漢族，江西豐城人，碩士研究生在讀，主要研究方向：農產品/食品安全品質LIBS檢測。