门后即是春天，寻找LIBS成熟之门的“钥匙”——访清华大学王哲教授

激光诱导击穿光谱（以下简称为“LIBS”）曾随“好奇号”探索火星，与“蛟龙号”揭秘深海，自1962年诞生以来，在世界范围内受到了广泛的重视，被称为是“未来化学分析巨星”。与传统的化学检测方法相比，LIBS有不需直接接触样品、可实现远程探测、样品需求量低、损耗小、无需繁琐的制备过程等优势，可应用于以固、液、气任一物态形式存在的样品，在环境监测、食品安全、临床诊断、深海探测、以及军事太空等领域都有广泛的应用前景。

近10年，中国LIBS领域发展迅猛，已成为世界LIBS领域最有活力的一股力量。近日，仪器信息网特别采访到了中国LIBS领域的领军人物、清华大学王哲教授，请他对自身科研经历，LIBS的现状、发展前景及未来市场等内容展开介绍。

清华大学 王哲教授

作为中国LIBS领域的领军人物，王哲曾先后就读于清华大学热能工程系和美国宾州州立大学，目前为清华大学能源与动力工程系教授、中国激光诱导击穿光谱专家委员会常务副主任兼秘书长、第8届LIBS国际会议秘书长、第9，11届LIBS国际会议副主席、亚洲LIBS国际会议发起人兼常务副主席。在LIBS领域，特别是在LIBS定量化方面，王哲拥有多年的研究经验，目前已申请国家发明专利40多项，授权25项（含国际专利1项），并且已通过美国TSI公司、中国国电科学技术研究院等得到成果转化，总专利成果转让费超过1500多万元。

好奇心开启LIBS研究之路 

王哲在硕士及博士阶段一直从事电力系统仿真建模、燃烧等领域的研究，基本上都与煤的燃烧有关,因此对煤质在线分析的重要性深有体会。王哲介绍说：“通过对煤质的分析，可以对煤场燃料进行管理，这在节能减排过程中是重要的支撑工序。当时，该领域研究缺少适合对煤质实时分析的技术，原有的技术要么价格昂贵，要么准确度不够，无法解决生产中的实际问题。”机缘巧合，王哲在美国曾短暂地接触过LIBS，对是否可以使用LIBS技术对煤质进行分析抱有很大的希望。他说：“当时的想法很简单，只是想开发出一个应用，找到一个可以用在煤质分析上的好工具，解决实际问题，并没有想以LIBS研究为主，之后还要回到能源动力研究中。”随后，王哲便搭建了他的第一台LIBS装置，检测的效果令他吃惊，一块含碳量70%的样品，检测的数据只有50%，这巨大的差距让他深深的体会到：LIBS并不是一个成熟的工具。于是，从2010年开始，王哲便放下原来的课题，全心全意开始了LIBS技术的研究，从此也就开启了他的LIBS科研之路。

当提到为什么发现LIBS技术不成熟时，不是选择放弃，尝试寻找其他技术，而是继续开发和研究这项技术时，王哲风趣的回答道：“因为比较‘傻’，比较执着，感觉这很好‘玩’，还有很多不知道的东西可以探索，我想做一些新的事情。而实际上，在对LIBS的研究中也找到了乐趣，它变成了我的新追求。我一直相信，这个技术会获得成功。”

对于LIBS，王哲最开始了解的相对较少，从能源动力学研究转到光谱领域，他对基础知识有所欠缺，相当于重新开始。但从另一方面来说，正是能源动力学研究的经验，成就了他与同领域其他人思维上的不同。“我一直在思考，为什么我的研究方向永远和别人不一样？后来我发现，是我与其他人思考问题的角度不同。”他说：“在能动领域，传热传质是最基本的概念，而光谱领域的科研工作者对这些概念的认知比较薄弱。虽然我到了这个领域，但我的思考中，天生带着这个概念。”他凭借交叉领域的思维方式，发现了在LIBS测量中，不稳定性是不可避免的。王哲介绍说，由于等离子体和周围环境气体发生了激烈的传热传质过程，某些相互作用过程导致了等离子体的形状不可重复，这是测量不确定性的主要来源。虽然最开始对王哲来说LIBS的确是一个全新的领域，但是后来他发现原有的知识也起到了很大的作用。

2014年，王哲将LIBS技术应用到生产中，通过将煤炭压成饼，再用LIBS技术对其进行离线分析，取得了很好的测量结果。王哲说：“当时就感觉，完成了这步，距离在线监测也就是一步之遥了。”但事实上，这条路一走就又是5年。9年的研究中，王哲遇到了很多困难，当问到是什么信念让他坚持着LIBS的研究时，他说：“1979年，科学家Marvin Margoshes曾提出，理想的分析设备应该具有的功能包括远程检测、不接触样品、微损、快速等特点，而LIBS技术完全符合这些特点。”他相信，LIBS有非常大的潜力，将会是真正的“化学分析巨星”。

多方法结合实现技术突破，成果转化实现专利输出

王哲通过数学方法，将收集到数据加工整理，他推测影响LIBS等离子体不确定性的原因是总粒子数的波动。后期他又将数据与图像结合分析，发现可能是等离子体形状的波动导致观测到的总粒子数不同，本质原因在于当激波脱离等离子体时，激波反作用力使得等离子体上部物质向下运动，而下部物质碰撞，这个碰撞过程非常激烈，导致了之后的等离子体形状不稳定。“在和图像对比之前就猜测有一个过程导致等离子体千变万化，找到这个过程后，原理就会变得很简单，但是找到这个过程很难。为了找到这个过程，我们拍了无数张图片，当你有几幅图片的时候，对比起来很容易，但是当你有几千幅图片的时候你就完全不知道从何下手了。当时拼了命的来来回回去设想，去寻找，终于找到了这个过程，这也是需要运气的。”找到导致等离子体变化的主导过程后，他提出了很多种方法，如通过等离子体调制使产生的等离子体更加稳定，让观测到的待测元素总粒子数保持稳定。

由于目前只能通过等离子体调制方法一定程度地提高等离子体的稳定性，每次测量仍具有很大的不确定性，王哲提出一种假设，利用特定的LIBS系统，对每一类样品，存在一个标准状态，通过建立一个标准化模型，把每次测得的光谱强度值折合成标准状态的值，从而大幅降低了测量的不确定性、提高了准确度。另外，对LIBS定标模型来收，传统物理模型基于物理规律，因此模型具有很好的普适性，但是只用到了其中几条谱线的信息；而目前常用的偏最小二乘多变量模型利用了全谱线信息，所以定标效果相对传统物理模型好很多，但是本质是基于线性相关的统计学模型。为了解决这个问题，王哲将数学中的统计学方法与物理方法结合起来，大大的提高了测量的准确度。

据王哲介绍，这一系列的方法，与当时国外的理念几乎是截然不同，因此论文投稿过程也相当不易，被拒绝了5次，但他没有放弃，而是不断与审稿人沟通交流。也正是这一系列调制等离子体的方法，让人们渐渐注意到了他的工作，也让他自己感觉到LIBS中无限的乐趣。

终于在2017年，其课题组研制的“激光诱导击穿光谱（LIBS）定量化技术”项目荣获了2017年度中国仪器仪表学会科学技术奖一等奖。为了验证这项技术，仪器仪表学会特别组织了一场鉴定会，由学会科仪委主任燕泽程主持，金国藩院士、张玉奎院士、尤政院士、顾大钊院士等专家出席。“鉴定会前一天晚上十点钟才通知要提供一台样机，现场对样品进行检测以检验仪器的重复性和准确性。”王哲回忆道：“我连夜准备，但是鉴定会现场看到样品我当时就急了，样品上面锈迹斑斑，现场也没砂纸，只能用纸巾擦。”不过，虽然样品完全未知，客观条件也不好，不光滑又生锈，但检测的四块样品其数据结果非常不错，评委全票通过给予了国际领先的评价。 

获得学术界的认可后，便有很多企业找到了王哲，想与他合作将LIBS定量化技术转化成产品。谈到他印象最深的合作案例，王哲说：“我们与TSI把设备分别放在4家不同的电站中对煤质进行分析，模型建好后每天检测一次，TSI再用其他方法对比，连续对比一个月到一个半月，我们的仪器效果非常好。”通过这个对比，王哲的设备从性能上得到了多家国外领头企业的认可，纷纷向他提出了合作意向。目前，王哲与美国TSI、必达泰克都有过合作，据悉这也是LIBS领域国内首次向发达国家领头企业输出专利技术。不过，王哲也强调，他的心愿一直是与中国企业合作，将技术国产化，降低成本，为国家和社会做出一份贡献。

不仅如此，王哲还将这项技术推向了实际应用，截止目前，他已经将LIBS技术应用于煤质离线分析、金属在线分析等。其中煤质分析半在线设备（自动化压饼—检测）已经收到了很好的效果，金属在线分析也减轻了工人的负担。从技术上王哲已经证明了LIBS应用于工业的可行性，但同时他也指出，LIBS技术在工业应用中还存在一些问题，例如在弧形材料表面检测的欠缺，需要开发一些配件等。

基础理论是研究重点，亟待寻找“用武之地”

对于国内LIBS技术现今的发展状况，王哲认为，LIBS现在需要突破的三大瓶颈分别是：测量的可重复性、测量的准确性、以及检出限。同时他也强调，仪器技术的进步是要建立在理论研究基础上的，对基础研究的认识，中国人花的时间还不够多。现今国内的LIBS研究人员多以应用研究为主，研究基础理论的人员相对较少。王哲坦言，LIBS 在基础研究中，还有很多问题尚未解决。“可重复性的来龙去脉还没搞明白，哪个因素、过程决定了这个问题？是怎么干扰这个过程的？如何让可重复性变得更好？这些问题学术界还不太清楚，我们也一直在探索。也许这条路最后很简单，一旦有人发现了，也就是个‘开关’的问题，但在没有发现之前对大家来说都很难，这种状态会一直到我们找到那把‘钥匙’为止。当然，如果可以吸纳国外先进的理论，把关键的东西提炼出来，应该可以少走不少‘弯路’。”

从仪器发展的角度，王哲表示：中国的LIBS还处在“搭建状态”，核心元件还是需要进口，国内只是组装，这也是分析仪器行业的弊病。但如果不了解其中的特性，即使组装也不能得到合适的效果，用的是同样的光谱仪，但是整体仪器效果却比不上国外厂商，其中有很多技术知识。“光谱仪怎样与前端配合才是最稳定的？光路应该怎样设计，秘诀在哪里？国外在这条路走了很长时间，在稳定性及搭配上做的比国内要强，如果不经过系统的实验，很难一下子了解这些技术的。”

王哲指出，LIBS在搭建中有几个关键环节，问题不大，但是很重要，国外也是通过很多年的摸索，经过了很多次的失败后才成功的。“国内现在很多人说要弯道超车，哪有那么多的弯道超车？尤其是工程化上很难实现弯道超车。”

对于目前中国LIBS发展中亟待解决的问题，王哲认为主要有两方面：一是需要研究出整套的关于LIBS不确定性产生原因的理论，再从理论出发，找出哪些是制约的关键过程、关键因素，进而将它抵消，这样可以让LIBS定量化性能更好，可应用的场景也会更多；另一方面，LIBS现在已经可以解决一定问题，但依然需要寻找一个既有比较大的需求，现有技术又可以胜任的应用市场。王哲强调说。“这样的市场没有么？我相信肯定有，如果这样的市场找到了，LIBS的春天就来了。” 

目前LIBS仪器主要以定制化为主，民用极少，主要需求在工业生产以及高校科研，没有集中的市场，且需求量较少，价格偏贵。“国内市场还在等待着LIBS技术的成熟。”王哲说：“LIBS技术一旦成熟了，在流程工业，特别是煤炭利用、水泥制造、矿产生产（比如磷矿选矿）等行业将会有很大的市场。”他表示，现在国外LIBS企业在遴矿中有不错的表现，选矿效果好。同时他也提出，在一些领域中，目前LIBS最大的竞争对手是XRF，XRF技术现在相对成熟，也有较好的重复性和稳定性，LIBS还有较大的提升空间，需要打败XRF才会有更大的市场。

在整个采访过程中，王哲不断强调，目前LIBS技术距离成熟真的只差一点点，需要一把“钥匙”，找到了这把“钥匙”，以后的发展将一马平川，他坚信这天很快就会到来，他自己也将继续钻研下去，为了LIBS的春天尽快到来发挥自己的力量。

采访编辑：吴优

后记

王哲在LIBS领域钻研多年，同时他也很注重培养年轻的LIBS研究人员和学生，他建议在科研中要时刻保持一颗好奇心。他说：“许多学生在实验中，看到的实验结果与预计不同，第一反应就是很沮丧，他们应该感觉兴奋才对。如果看到的都一样，那这个技术早就成熟了。看到了其中的不同，才会找到突破口。”