微型光谱仪之LIBS光谱系统

　　1、技术简介

　　在高强度的激光作用 下，被测材料表面就会有几微克的物质被喷射出来，这个过程通常被称为激光剥离，同时材料表面还会产生寿命短但亮度很高的等离子体，其瞬间温度可达 10,000℃ 。在这个热等离子体中，喷射出来的物质离解成激发态的原子和离子。在激光脉冲结束后，由于等离子体以超音速向外扩展所以迅速地冷却下来。在这段时间内， 处于激发态的原子和离子从高能态跃迁到低能态，并发射出具有特定波长的光辐射。用高灵敏度的光谱仪对这些光辐射进行探测和光谱分析分析，就可以得到被测材料的元素构成信息。

　　激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种原子发射光谱。可以对固相、液相和气相基体中几乎所有元素进行定性和定量的分析。不同于传统的检测方法，LIBS在检测过程中无需进行复杂的样品制备。为了达到这个目的，LIBS激光脉冲发射并汇聚于样品表面一点，样品被激光加热到气态继续吸收能量成为等离子态，等离子体背景辐射快速衰减导致等离子特征谱线突出，光谱仪开始积分获得测量结果。对产生的对应元素发射谱进行分析。元素发射谱的波长与元素的种类直接相关，而元素谱线的强度则和元素的含量相关。

图1 激发诱导击穿光谱检测原理图

图2 激发等离子体与能级图

　　2、应用说明

　　激光诱导击穿光谱技术系统在进行元素分析的时候，需要样品量极少，对样品的破坏性小，可以对固相，液相，气象的样品进行测量;具有自清洁能力，几乎不需要样品制备;可以实现快速实时在线分析;具有遥测能力，可实现有毒、强辐射等恶劣环境中的远距离、非接触性测量;具有宽光谱多种元素同时测量，ppm量级探测灵敏度，可对痕量元素进行探测。多通道光谱仪，凭借其高效的外部同步时钟，完美的协同了所有通道实现精确的延迟采集，准确的在原子激发辐射突出时采集到完整的原子谱线信号。同时，多通道光谱仪可以应客户的需求在180-1037nm的范围内自由的配置光谱仪的通道数量和盖范围，系统自带的高效时钟可以完美的同步所有通道，并同时实现精确触发两台外部设备。

　　自然环境：土壤污染分析，工业生产环境监测，金属、煤炭等材料分析，宝石鉴定等;

　　安防检测：爆炸物分析，生化武器分析;

　　基础研究：等离子体发光测量，生物柴油火焰分析;

　　航空航天：火星探测应用;

　　医学诊断：骨骼，牙齿等相关分析分析癌症细胞，抗糖尿病药物分析等。

　　3、典型产品和配置

　　LIBS光谱技术系统配置：

　　1. 多通道光谱仪：超宽光谱范围，优异的紫外响应方便轻元素测量;短时间，最短1ms积分时间，通道间积分抖动±10ns以内;高分辨，最高可达0.035nm光谱分辨率，精准延时触发控制;多扩展，两路可控延时触发接口。

图4 多通道光谱仪

　　2. 样品仓：安全防护具有1064nm激光安全防护窗、电动激光安全锁、仓门自动安全锁、E-stop;双光纤收集光路，支持两路45度收集通道。可单独使用抗紫外光纤作为紫外通道，，同时选择使用普通可见光纤作为可见通道，增强系统的紫外探测能力。气氛保护机制能够自动充气开关控制和流量调整。能够排出测量产生的烟尘污染，延长光路寿命并且提高测试稳定性。

图5 样品仓

　　3. 激光器

　　4. 采样附件(光纤等)

　　5. 光谱仪控制软件

图6 LIBS典型配置

　　典型配置

　　典型产品：多通道光谱仪，样品仓，激光器

　　4、应用文章

　　4.1 土壤与农作物污染检测

图7 土壤与农作物检测光谱图

　　4.2 古玩真伪鉴定

图8 LIBS古玩真伪检测

　　4.3 金属和煤炭测量

图9 金属煤炭检测光谱

　　4.4 等离子体发光测量

图10 等离子体发光

　　4.5 生物柴油火焰检测

图11 生物柴油检测图

　　4.6 检测抗糖尿病药物中的有效成分

图12 抗糖尿病药物成分检测

　　4.7 LIBS在火星探测中的应用

图13 LIBS检测火星元素光谱图

　　4.8 珠宝真伪的检测

图14 真伪珠宝检测光谱图

　　4.9 工业废水检测

图15 工业废水检测光谱图

　　4.10 爆炸物检测

图16 爆炸物检测

　　4.11 核废料/放射性物质检测

（来源：海洋光学）