激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)是一種用于化學(xué)多元素定性和定量分析的原子發(fā)射光譜技術(shù)。LIBS技術(shù)通過高能激光脈沖在樣品表面產(chǎn)生等離子體，并檢測其發(fā)射光譜來確定樣品的元素組成。與傳統(tǒng)的元素檢測技術(shù)相比，LIBS具有無需樣品制備、快速、幾乎無損等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“未來化學(xué)分析之星”。

工作原理

1.激光脈沖與樣品相互作用

-高能激光脈沖：一束高能脈沖激光聚焦在樣品表面，當(dāng)激光輻照度超過樣品的擊穿閾值時(shí)，少量材料將被燒蝕和激發(fā)，產(chǎn)生高溫等離子體。

2.等離子體的生成與冷卻

-等離子體生成：激光脈沖在樣品表面產(chǎn)生等離子體，等離子體內(nèi)包含電子、離子、原子、分子和微粒等，整體呈電中性。

-等離子體冷卻：在激光脈沖結(jié)束時(shí)，等離子體迅速擴(kuò)散并冷卻。

3.光譜發(fā)射與檢測

-光譜發(fā)射：處于激發(fā)態(tài)的原子和離子從高能態(tài)遷移回低能態(tài)，并發(fā)出具有特定波長的特征光輻射。

-光譜檢測：用靈敏的光譜儀對(duì)等離子體發(fā)射光譜中的譜峰位置、峰強(qiáng)等信息進(jìn)行分析，識(shí)別樣品中的元素種類和相應(yīng)的含量。

動(dòng)力學(xué)過程

在激光誘導(dǎo)擊穿光譜的動(dòng)力學(xué)過程中，激光脈沖導(dǎo)致樣品表面材料的燒蝕和等離子體的形成。等離子體中的粒子在高能級(jí)和低能級(jí)之間躍遷，并發(fā)射出特征光譜線。利用光譜儀檢測這些特征光譜線，可以進(jìn)行材料的識(shí)別、分類、定性以及定量分析。

能級(jí)躍遷示意圖

當(dāng)激光脈沖結(jié)束后，等離子體中被激發(fā)的粒子會(huì)從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，并發(fā)射特征譜線。特征譜線的波長(lambda)可以表示為：

[lambda=frac{ccdot h}{E_k-E_i}]

其中：

-(c)為光速

-(h)為普朗克常量

-(E_k)為高能級(jí)的能量

-(E_i)為低能級(jí)的能量

用光譜儀采集等離子體發(fā)射的特征譜線可以得到類似于下圖所示的LIBS光譜圖。等離子體中各種元素的比例通常與燒蝕樣品的元素比例一致，通過分析特征譜線的強(qiáng)度，可以定量分析出樣品中各種元素的含量。

LIBS系統(tǒng)的優(yōu)勢

1.快速多元素檢測

-同時(shí)檢測多種元素：LIBS系統(tǒng)能夠同時(shí)檢測樣品中的多種元素，如碳(C)、鋰(Li)、硅(Si)等。

-高效分析：與傳統(tǒng)方法相比，LIBS技術(shù)無需樣品制備，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、實(shí)時(shí)的元素分析。

2.無損分析

-幾乎無損：由于激光燒蝕的樣品量極小，LIBS分析對(duì)樣品幾乎無損。

-適用廣泛：適用于多種類型的樣品，包括固體、液體和氣體。

3.高靈敏度和準(zhǔn)確性

-檢測限：LIBS系統(tǒng)的檢測限很大程度上取決于樣品類型、具體元素以及儀器配置。通常，LIBS檢出限可以做到10 ppm到100 ppm，對(duì)于均質(zhì)材料甚至可以達(dá)到<1%的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

LIBS定量標(biāo)定需要注意事項(xiàng)

在使用LIBS做定量分析前，需要制備樣品并進(jìn)行一系列的物質(zhì)準(zhǔn)備。在LIBS測量中，需要注意以下幾點(diǎn)：

1.激光聚焦

-精確聚焦：確保激光精確聚焦到樣品上，以獲得穩(wěn)定的等離子體信號(hào)。

2.樣品表面條件

-清潔處理：樣品表面的粗糙程度、油污、指紋和灰塵等污染都會(huì)影響測量結(jié)果。因此，需要對(duì)樣品表面進(jìn)行清潔處理。

-預(yù)燃處理：對(duì)于存在氧化層的樣品，可以在標(biāo)定或測量前發(fā)射幾個(gè)激光脈沖以去除氧化層，這個(gè)過程稱為預(yù)燃。

3.獲取光譜與譜線選取

-多次轟擊平均：為了提高測量精度，對(duì)樣品同一個(gè)點(diǎn)多次轟擊，平均光譜個(gè)數(shù)取決于樣品，一般為10至500次。

-無重疊譜線選擇：選取無重疊的光譜線，并對(duì)光譜信號(hào)進(jìn)行平均處理，以獲得更穩(wěn)定的測量結(jié)果。

結(jié)論

LIBS技術(shù)憑借其快速、無損、多元素同時(shí)檢測的特點(diǎn)，在元素分析領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的潛力。特別是在需要快速、現(xiàn)場檢測的應(yīng)用場景中，LIBS技術(shù)提供了一種高效、可靠的解決方案。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的日益廣泛，LIBS技術(shù)有望在未來的化學(xué)分析中發(fā)揮更加重要的作用。

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審核編輯 黃宇