2015年(nian)1月(yue)6日，2014年(nian)北(bei)京光(guang)譜(pu)年(nian)會在北(bei)京召開，本(ben)次(ci)會議(yi)聚焦光(guang)譜(pu)儀器新(xin)產品新(xin)技術及其應用方面。來(lai)自清華(hua)大學(xue)熱能系的王哲教授帶(dai)來(lai)題目為《LIBS發展(zhan)現狀》的報告。

清華(hua)大(da)學熱(re)能系 王哲教授

　　激光誘導(dao)擊穿(chuan)光譜(Laser Induced Breakdown Spectroscopy)，簡稱(cheng)LIBS。1962年(nian)(nian)美國Brech發(fa)(fa)表(biao)的(de)(de)(de)一(yi)篇LIBS論文(wen)標志LIBS的(de)(de)(de)誕生(sheng)，至今(jin)已經有53年(nian)(nian)的(de)(de)(de)發(fa)(fa)展歷史。LIBS技術由于不(bu)需(xu)要樣(yang)品(pin)準備(bei)、無損、快(kuai)速(su)、原位、多(duo)元素分析功能，被稱(cheng)為(wei)是(shi)“未(wei)來的(de)(de)(de)化(hua)學分析之星”。但是(shi)，同(tong)樣(yang)由于不(bu)需(xu)要樣(yang)品(pin)準備(bei)，導(dao)致了其(qi)測(ce)量不(bu)確定度(du)相對較高，測(ce)量誤差較大(da)(da)(兩大(da)(da)瓶頸)。LIBS站在大(da)(da)規(gui)模(mo)商業應用(yong)的(de)(de)(de)大(da)(da)門(men)之前，需(xu)要大(da)(da)量的(de)(de)(de)機理(li)、數據處(chu)理(li)、應用(yong)研究；也許需(xu)要和其(qi)他設備(bei)配(pei)合;需(xu)要商業化(hua)定量測(ce)量應用(yong)實例來推動(dong)技術發(fa)(fa)展。

　　中國LIBS發展歷史與現狀

　　近年來(lai)LIBS最引人矚目的應用是，2012年美國火星探(tan)(tan)測器攜帶LIBS登(deng)上火星，2014年完成了探(tan)(tan)測任務，探(tan)(tan)測發現火星上存在(zai)水(shui)分等。在(zai)中國LIBS技術用于(yu)“地溝油”的檢(jian)測。

　　中(zhong)國LIBS的研究(jiu)(jiu)歷(li)史開始于(yu)1992年的安徽師(shi)范大(da)(da)(da)(da)學(xue)(xue)崔執鳳老(lao)師(shi)利用LIBS進行痕量元素測(ce)量，初期研究(jiu)(jiu)還(huan)有2002年中(zhong)南民族大(da)(da)(da)(da)學(xue)(xue)用于(yu)環境監測(ce)等(deng)；2004年華中(zhong)理(li)(li)工大(da)(da)(da)(da)學(xue)(xue)將其用于(yu)煤炭領域(yu)；2008年之后，中(zhong)國LIBS研究(jiu)(jiu)隊伍得(de)到了(le)快速發展。目(mu)前，全國已經(jing)有超(chao)過30多個小(xiao)組在(zai)進行LIBS相關研究(jiu)(jiu)，例如(ru)，大(da)(da)(da)(da)連(lian)理(li)(li)工大(da)(da)(da)(da)學(xue)(xue)、華中(zhong)科(ke)技大(da)(da)(da)(da)學(xue)(xue)、香港浸會大(da)(da)(da)(da)學(xue)(xue)、華南理(li)(li)工大(da)(da)(da)(da)學(xue)(xue)、清華大(da)(da)(da)(da)學(xue)(xue)、浙江師(shi)范大(da)(da)(da)(da)學(xue)(xue)等(deng)。

　　關于LIBS學術交流和組織方面，有偶(ou)數(shu)年(nian)舉行的(de)國際LIBS會(hui)(hui)議(yi)(yi)；EMSLIBS、NASLIBS、ASLIBS等(deng)三大(da)國際LIBS團體。隨著(zhu)中(zhong)(zhong)(zhong)國LIBS的(de)迅(xun)速發(fa)展，2011年(nian)在(zai)(zai)青島海洋大(da)學組織召(zhao)開了第(di)一屆中(zhong)(zhong)(zhong)國LIBS會(hui)(hui)議(yi)(yi)，當時只有40多人參(can)會(hui)(hui);到(dao)了2013年(nian)在(zai)(zai)廣(guang)州中(zhong)(zhong)(zhong)南理工大(da)學舉辦(ban)的(de)第(di)三屆會(hui)(hui)議(yi)(yi)，參(can)會(hui)(hui)人數(shu)已(yi)經達到(dao)了240多人；2014年(nian)，在(zai)(zai)北京(jing)清華(hua)大(da)學召(zhao)開了國際LIBS大(da)會(hui)(hui)，360多人參(can)會(hui)(hui)；2015年(nian)計劃在(zai)(zai)華(hua)中(zhong)(zhong)(zhong)科技大(da)學舉辦(ban)亞(ya)洲LIBS會(hui)(hui)議(yi)(yi)。

　　近年(nian)來，LIBS研(yan)究(jiu)快(kuai)速(su)發(fa)展(zhan)，SCI論文(wen)發(fa)表數(shu)量(liang)已經由1996年(nian)的(de)(de)30多篇(pian)(pian)發(fa)展(zhan)到2014年(nian)的(de)(de)300多篇(pian)(pian)。其中(zhong)，2008、2009、2010、2011年(nian)發(fa)表的(de)(de)論文(wen)數(shu)量(liang)持平(ping)，幾乎沒(mei)有(you)增長。然而(er)，就像上文(wen)中(zhong)提到的(de)(de)，2008年(nian)之后中(zhong)國LIBS研(yan)究(jiu)快(kuai)速(su)發(fa)展(zhan)，相應的(de)(de)中(zhong)國學者發(fa)表的(de)(de)論文(wen)數(shu)量(liang)也(ye)從(cong)不到20篇(pian)(pian)發(fa)展(zhan)到2014年(nian)的(de)(de)近100篇(pian)(pian)。2014年(nian)“Frontiers of Physics” 第(di)一次刊登了中(zhong)國LIBS研(yan)究(jiu)進展(zhan)綜述文(wen)章。據了解，2008~2009年(nian)期(qi)間(jian)，世界LIBS研(yan)究(jiu)進入瓶頸，而(er)中(zhong)國LIBS研(yan)究(jiu)的(de)(de)崛起推動(dong)了世界LIBS向(xiang)前發(fa)展(zhan)。

　　國家對于(yu)LIBS儀(yi)(yi)(yi)(yi)器研制(zhi)也非常重視，科(ke)技部和基(ji)金(jin)委等(deng)支(zhi)持了多個LIBS儀(yi)(yi)(yi)(yi)器研制(zhi)項目(mu)，有的(de)(de)項目(mu)投入資(zi)金(jin)在2000萬元以上，如四川(chuan)大學段憶翔教(jiao)授(shou)團隊研制(zhi)多功能激(ji)光光譜分(fen)析(xi)(xi)儀(yi)(yi)(yi)(yi)項目(mu)；也有儀(yi)(yi)(yi)(yi)器公司(si)(si)和高校(xiao)合作(zuo)研究項目(mu)，如世界兩大LIBS生產商之(zhi)一的(de)(de)美國TSI公司(si)(si)與清華大學熱能系(xi)合作(zuo)研制(zhi)基(ji)于(yu)LIBS的(de)(de)煤炭分(fen)析(xi)(xi)儀(yi)(yi)(yi)(yi)項目(mu)等(deng)。

　　LIBS技術發展現狀

　　當前，LIBS研究(jiu)主要分為(wei)等(deng)離(li)子(zi)體(ti)(ti)形(xing)貌、時(shi)間空間演變、等(deng)離(li)子(zi)體(ti)(ti)參數估(gu)計、激光-樣品相互作用(yong)、等(deng)離(li)子(zi)體(ti)(ti)-環境互相作用(yong)等(deng)基礎研究(jiu)；硬(ying)件結構、采樣裝置方面的儀器設備研制；定量、定性分析中數據處理(li)方法(fa)研究(jiu)；工(gong)業現(xian)場在線(xian)(xian)、離(li)線(xian)(xian)等(deng)的應用(yong)研究(jiu)。所(suo)有研究(jiu)的目的主要是為(wei)了提高(gao)(gao)(gao)檢(jian)測(ce)限(xian)、提高(gao)(gao)(gao)測(ce)量準(zhun)確度，以及提高(gao)(gao)(gao)測(ce)量可重復性。

　　基礎研究方面(mian)比較突出(chu)的(de)(de)(de)(de)有(you)：(1)美(mei)國Purdue University的(de)(de)(de)(de)Hassanein教授(shou)建立(li)了(le)HEIGHTS模型對(dui)物質燒蝕與(yu)等(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)形成過程進行(xing)數值模擬(ni)，并利(li)用此(ci)模型研究了(le)包括激光(guang)參(can)(can)數、環境氣體(ti)(ti)及(ji)雙脈沖激光(guang)等(deng)(deng)(deng)(deng)實驗參(can)(can)數對(dui)等(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)影響；(2)法國CNRS-Aix Marseille University的(de)(de)(de)(de)J.Hermann等(deng)(deng)(deng)(deng)對(dui)等(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)產生(sheng)及(ji)膨(peng)脹過程進行(xing)建模，找出(chu)光(guang)譜(pu)信號(hao)強(qiang)度(du)、LIBS實驗參(can)(can)數與(yu)等(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)體(ti)(ti)參(can)(can)數之間的(de)(de)(de)(de)關系，尤其(qi)是對(dui)非等(deng)(deng)(deng)(deng)溫等(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)建模有(you)利(li)于CF-LIBS方法的(de)(de)(de)(de)準確性(xing)的(de)(de)(de)(de)提高和更廣泛(fan)的(de)(de)(de)(de)應用；(3)意大利(li)National Research Council的(de)(de)(de)(de)R.Gaudiuso等(deng)(deng)(deng)(deng)利(li)用在(zai)金(jin)屬(shu)樣品表面(mian)添(tian)加納米顆粒(li)的(de)(de)(de)(de)方式(shi)，增強(qiang)了(le)光(guang)譜(pu)信號(hao)的(de)(de)(de)(de)強(qiang)度(du)；(4)日本Nuclear Science and Engineering Center的(de)(de)(de)(de)Ali Khumaeni等(deng)(deng)(deng)(deng)利(li)用微波輔(fu)助等(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)體(ti)(ti)技術用于光(guang)譜(pu)信號(hao)的(de)(de)(de)(de)增強(qiang)。

　　中國(guo)LIBS基礎研(yan)(yan)究(jiu)主要圍(wei)繞著空間限(xian)制(zhi)、火花放電(dian)再次激發等離子(zi)體、激光(guang)(guang)激發原子(zi)熒光(guang)(guang)等方面(mian)展開。不過(guo)，中國(guo)LIBS基礎研(yan)(yan)究(jiu)還停留在現象說明+機理解釋；國(guo)際領先的(de)研(yan)(yan)究(jiu)已經進入建(jian)立基于(yu)物質、能(neng)量傳(chuan)遞描述(shu)的(de)模(mo)型研(yan)(yan)究(jiu)來深入地解釋機理；目(mu)前(qian)還集中于(yu)相(xiang)對(dui)較(jiao)為簡單的(de)信號增(zeng)強(qiang)(降(jiang)低檢測限(xian))，對(dui)定(ding)量測量還屬(shu)于(yu)積(ji)蓄力(li)量階(jie)段，還需要理論的(de)進一步發展。

　　儀(yi)器設(she)備研(yan)究方面比較突出(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)有：(1)德(de)國BAM Federal Institute for Materials Research and Testing的(de)(de)(de)(de)(de)(de)I. Gornushkin等(deng)(deng)(deng)建立了等(deng)(deng)(deng)離子(zi)體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)膨脹模型，并利(li)用(yong)(yong)該(gai)模型研(yan)究了包括環境氣體(ti)、收光(guang)角(jiao)度等(deng)(deng)(deng)實驗(yan)參(can)數對(dui)光(guang)譜信號的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響，同時，他(ta)們(men)還利(li)用(yong)(yong)X射(she)線(xian)斷層成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)對(dui)等(deng)(deng)(deng)離子(zi)體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形態變(bian)化進行成(cheng)像(xiang)和(he)分(fen)析(xi)，此(ci)外(wai)，他(ta)們(men)還開發了一(yi)種新型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)SHS-LIBS技(ji)術(shu)，即將空間外(wai)差(cha)光(guang)譜技(ji)術(shu)應(ying)用(yong)(yong)到LIBS系(xi)統當(dang)中，很(hen)好地利(li)用(yong)(yong)了SHS技(ji)術(shu)光(guang)譜分(fen)辨率高(gao)、光(guang)通(tong)量大(da)等(deng)(deng)(deng)特點；(2)德(de)國Fraunhofer Institute for Laser Technology的(de)(de)(de)(de)(de)(de)R. Noll等(deng)(deng)(deng)設(she)計了LIBS高(gao)速在線(xian)(in-line)分(fen)析(xi)系(xi)統，以及液(ye)體(ti)熔(rong)渣的(de)(de)(de)(de)(de)(de)在線(xian)檢測(ce)系(xi)統；(3)華中科技(ji)大(da)學研(yan)制成(cheng)功一(yi)套(tao)LIBS裝置；(4)國內還研(yan)制有基于LIBS的(de)(de)(de)(de)(de)(de)煤(mei)粉、鋼水專用(yong)(yong)分(fen)析(xi)設(she)備。

　　LIBS分析(xi)的(de)(de)數(shu)據處理方(fang)法(fa)研(yan)究主要集中在數(shu)據預處理與(yu)模型校準(zhun)兩(liang)方(fang)面。數(shu)據預處理包括(kuo)去噪、光譜(pu)標準(zhun)化(hua)等方(fang)法(fa)；模型校準(zhun)多(duo)采用基(ji)于PLS的(de)(de)多(duo)元統(tong)計方(fang)法(fa)。而(er)中國LIBS數(shu)據處理方(fang)法(fa)研(yan)究水平(ping)處于世界的(de)(de)前(qian)沿(yan)。

　　LIBS最適合(he)的(de)應用(yong)(yong)是在固(gu)體及(ji)工業現(xian)場(chang)、在線監測方面，國外亮眼的(de)研(yan)究主(zhu)要有：(1)美國Lawrence Berkeley National Laboratory的(de)V. Zorba等利(li)用(yong)(yong)fs-LIBS對鋰離子燃(ran)料(liao)電池進行元素(su)(su)檢(jian)測，利(li)用(yong)(yong)LIBS分(fen)(fen)別對電解質(zhi)、陰極、陽極材(cai)料(liao)進行逐層元素(su)(su)分(fen)(fen)析；(2)法國Université de Lyon的(de)V. Motto-Ros等利(li)用(yong)(yong)LIBS對金(jin)屬元素(su)(su)在腎臟中的(de)沉積(ji)情況進行分(fen)(fen)析。

　　國(guo)內LIBS應用研究(jiu)(jiu)非常(chang)豐富，主要(yao)有(you)：(1)中國(guo)清(qing)(qing)華(hua)大學(xue)(xue)、山西(xi)(xi)(xi)大學(xue)(xue)、華(hua)南理工(gong)大學(xue)(xue)聯(lian)合(he)研制(zhi)的(de)離線快速煤(mei)球分(fen)析(xi)設備，其分(fen)析(xi)結(jie)果(guo)接近國(guo)家標準(zhun)方(fang)法；(2)國(guo)內也有(you)研究(jiu)(jiu)團隊利用LIBS在(zai)(zai)線測(ce)量(liang)合(he)金鋼(gang)(gang)、爐渣、鋼(gang)(gang)液，為鋼(gang)(gang)鐵質量(liang)控制(zhi)提(ti)供半(ban)定(ding)量(liang)結(jie)果(guo)，大大節約能源；(3)中國(guo)海洋(yang)大學(xue)(xue)等(deng)在(zai)(zai)海洋(yang)勘探(tan)中采用了LIBS技(ji)術；(4)大連理工(gong)大學(xue)(xue)通過LIBS技(ji)術原(yuan)位監(jian)測(ce)面向等(deng)離子體(ti)材料(liao)成(cheng)分(fen)的(de)變化(hua)等(deng)；(5)西(xi)(xi)(xi)北(bei)師范大學(xue)(xue)、江(jiang)西(xi)(xi)(xi)農業大學(xue)(xue)采用LIBS技(ji)術檢測(ce)農產(chan)品(如橙色、枸杞葉(xie))中的(de)重(zhong)金屬元素；(6)其他應用，北(bei)京(jing)理工(gong)大學(xue)(xue)在(zai)(zai)炸(zha)藥、清(qing)(qing)華(hua)大在(zai)(zai)燃燒物、西(xi)(xi)(xi)北(bei)師范大學(xue)(xue)在(zai)(zai)電(dian)池、中國(guo)海洋(yang)大學(xue)(xue)在(zai)(zai)石油鉆探(tan)等(deng)領域都(dou)有(you)較好的(de)研究(jiu)(jiu)成(cheng)果(guo)。

　　最近幾年，中國LIBS團隊得到了(le)飛速的(de)發(fa)展，已經成為亞(ya)(ya)洲LIBS研究的(de)中心(xin)(亞(ya)(ya)洲已經成為與(yu)歐、美并列的(de)三(san)大研究中心(xin))。從定量的(de)角度(du)來說，中國和世界科(ke)研者站在同一起跑(pao)線，但是中國的(de)應用背景具有巨(ju)大的(de)市場，是LIBS發(fa)展的(de)新興(xing)和推(tui)動力量。