激光誘導擊穿光譜元素分析儀
激光誘導擊穿光譜(Laser-induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)技術是一種原子發(fā)射光譜分析技術,其基本原理是利用脈沖激光在待測樣品表面激發(fā)產(chǎn)生等離子體,通過等離子體發(fā)射的光譜波長和強度信息,分別獲得待測元素的種類及含量。LIBS技術因具有無需制樣、分析速度快、遠程非接觸、可實現(xiàn)對任何物質(zhì)的多元素同時分析等特點,被譽為分析領域的“未來超級巨星”,在航空航天、智能制造、生物醫(yī)藥、環(huán)境保護、能源、地質(zhì)、深海探測等領域都極具應用前景,特別是2021年我國“祝融號”火星車搭載LIBS系統(tǒng)登陸火星開展地質(zhì)勘探,使得該技術再次成為國內(nèi)外的研究熱點。LIBS系統(tǒng)主要由激光器、光譜儀、探測器和時序控制器等核心單元組成,典型的LIBS檢測系統(tǒng)如圖1(左)所示,光譜圖如圖1(右)所示。
圖1典型的LIBS檢測系統(tǒng)(左)與LIBS光譜圖(右)
本團隊對LIBS技術進行了長達15年的攻關,在一系列關鍵技術上取得了重大突破,成功研制了從臺式、移動式到手持式的系列國產(chǎn)LIBS元素分析儀,實現(xiàn)了6種LIBS成分分析儀器的國產(chǎn)化,并成功推動其在金屬材料、環(huán)境保護和生物安全等領域的應用。研究工作從基礎研究、裝備研發(fā)到工程應用全鏈條展開(如圖2),取得的創(chuàng)新成果如下。
圖2團隊對于LIBS技術從基礎研究-裝備研發(fā)-工業(yè)應用的全鏈條攻關
(1)高靈敏度、高穩(wěn)定性和高精度LIBS分析新方法
針對LIBS技術存在自吸收效應、基本效應和光譜波動性大等問題導致其探測極限低、靈敏度差和分析精度低的難題,團隊提出了一系列新技術新方法。
1)提出采用OPO波長可調(diào)諧激光對等離子體中基態(tài)粒子進行能態(tài)選擇性激發(fā)的新方法,從源頭上阻止了LIBS自吸收效應產(chǎn)生,從而獲得自吸收免疫的LIBS本征光譜。
2)提出采用微波對等離子體進行瞬時加熱,獲得溫度場均勻分布的等離子體,實現(xiàn)寬光譜多元素的自吸收效應遏止。
3)提出一種基于等離子體圖像-光譜融合的圖像輔助LIBS技術,有效克服了基體效應對定標曲線建立的影響,大幅度提高了LIBS的定量分析精度。
4)針對工業(yè)現(xiàn)場物質(zhì)的快速高精度定量分析需求,提出一種僅需一個標準樣品就可完成定量的LIBS單標樣法和一種可克服自吸收效應影響的LIBS無標樣定量方法。
5)針對生物體、食品、中藥等疏松含水組織基體復雜,導致光譜信號微弱且波動大的問題,提出了從光譜預處理-特征提取-機器學習模型的全鏈條定性定量分析算法,相比于傳統(tǒng)分析方法,可將分析精度提高10%。
6)提出一種面向金屬3D打印構件的激光譜-超聲同時檢測技術,可同時對金屬3D打印構件的表面元素分布、內(nèi)部缺陷、殘余應力和晶粒度進行同步分析。
(2)高精度LIBS成分分析儀研制
針對LIBS的光機電系統(tǒng)難以集成的難題,團隊通過構筑模塊化“籠式”光路系統(tǒng),研制了共聚焦顯微光學系統(tǒng)、同軸信號采集、放大裝置等新技術,成功將OPO共振激發(fā)和等離子體圖像-光譜融合新技術集成到LIBS成分分析儀中,實現(xiàn)了10-7量級的LIBS探測極限,將LIBS探測靈敏度提高了2個數(shù)量級,探測穩(wěn)定性優(yōu)于2%。所研制的系列激光探針元素分析儀如圖3所示。
圖3臺式到便攜式系列LIBS分析儀
華中科技大學
2022-10-11