LIBS技術的廣泛應用

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LIBS技術的廣泛應用

LIBS工作原理

激光誘導擊穿光譜（LIBS）是一種原子發射光譜，它使用脈沖激光器作為激發源，激光脈沖聚焦到被測物體的表面產生等離子體，發射出具有特定波長的光輻射。用高靈敏度的光譜儀對這些光輻射進行探測和光譜分析，就可以得到被測材料的元素組成及含量。

LIBS工作原理示意圖

特點：

l 微損檢測

l 測量速度快，可遠程分析

l 無需樣品預處理

l 定量分析微量元素

金屬元素分析

近年來，中國有色金屬產業的發展突飛猛進，已成為世界有色金屬的生產和消費大國，在世界再生金屬產業的發展中有著舉足輕重的地位。由于市場需求強勁，有色金屬價格飆升，市場亟須可以在現場對金屬和合金進行快速識別和定量分析的儀器，LIBS技術由于其快速和可定性定量分析，被廣泛用于工業生產、回收及合金交易領域。Avantes公司新型Mini光譜儀體積僅紙牌大小，可以輕松集成為輕便的手持式LIBS光譜儀，將精密的儀器分析能力帶到生產的第一線，快速完成對鐵基、鋁基、銅基等金屬合金材料的牌號鑒別及合金元素成分的定量測量，幫助用戶輕松完成樣件的識別和分類，為客戶帶來巨大的經濟效益。

金屬元素分析1.jpg

手持式LIBS系統原理圖普鋁試樣在不同1Q延時下的LIBS測試光譜圖

圖片來源：路輝, 胡曉軍, 曹斌, et al. 普鋁中Fe, Si元素的激光誘導擊穿光譜測試條件及定量分析研究[J]. 光譜學與光譜分析, 2019, 39(4):7.

煤炭在線檢測

LIBS在線煤質監測系統，使用先進的激光誘導穿透光譜分析方法，能夠在短時間內檢測出煤炭的特性參數，并將結果直接反饋到運行控制中心，為控制系統實時提供相關參數。對提高能源利用效率，確保火力發電廠生產的經濟性、安全性具有十分重要的意義。除了測量速度快、多元素同時分析等優勢，激光誘導擊穿光譜（LIBS）還具有安全*輻射、成本低等優點，是目前先進的煤質在線監測技術。

煤炭在線1.jpg 煤炭在線2.jpg

系統搭建圖 典型煤樣平均光譜

圖片來源： Lu P , Zhuo Z , Zhang W , et al. Determination of calorific value in coal by LIBS coupled with acoustic normalization[J]. Applied Physics B, 2021.

巖石分析

巖石的巖性識別和元素含量分析對于能源開采、地球成因及演化發展和地質研究至關重要。傳統手段需要依靠工作人員的肉眼分析來判斷巖石顏色、顆粒大小、硬度等進一步確認巖石巖性，但是無法明確具體含量而且具有主觀性。實驗室內多數采用X射線熒光光譜法（XRF）、質譜法、化學分析法等，但是這些方法無法實現在線分析，并且實驗室樣品多數需要制備樣品，而且分析時間長，因此不適合長期野外分析。通過LIBS技術手段可以實現在線實時快速測量而且可以多元素同時定性、定量測量。下面的元素圖譜展示了巖石的元素分布狀況，利用巖石的不均勻性特征可以對巖石進行分類。

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利用光譜均值分類結果

（ａ） — 測試集為片麻巖１和鉀長花崗巖石的分類結果；（ｂ） — 測試集為片麻巖２和斜長花崗巖的分類結果；（ｃ）一測試集為片麻巖１和斜長花崗巖的分類結果

圖片來源：張蕊, 孫蘭香, 陳彤, 王國棟, 張鵬, & 汪為. (2020). 基于激光誘導擊穿光譜技術的巖石表面指紋圖譜分析及分類方法. 地質學報, 94(3), 8.

工業分揀

由于LIBS技術可以遠距離探測（15cm或更遠），而且測量速度快（每秒幾千幅光譜），所以LIBS 技術也可以用于工業在線分揀。比如：使用 LIBS 系統的快速材料識別能力可以更容易地分離塑料和金屬；在鋁回收過程中，LIBS 可以更快更準確地對廢金屬進行分類；可以在采礦業中用于選礦；在回收領域中用于電子產品廢料分選；等等。

土壤分析

近年來環境問題逐步成為了人們關注的焦點，其中土壤重金屬（Cr，Cd, As, Se, Hg, Ni, Pb）污染一直影響著人們的健康生活，研究人員也一直意識到土壤污染的重要性。但傳統重金屬檢測方法(如原子吸收光譜法、X射線熒光分析法等)樣品預處理程序復雜,分析成本較高,而且不能滿足現場快速分析的要求。而LIBS技術只需進行簡單的樣品制備或無需制備，而且僅需測量樣品表面一個很小的取樣點即可得到多種元素的成分分析結果，所以LIBS技術不僅可以減少分析時間和成本，而且它能夠進行小規模的本地化調查。

土壤分析.jpg

土壤在424nm-430nm波段的LIBS光譜圖

圖片來源：何秀文,陳添兵,姚明印,周華茂,胡慧琴,王彩虹,劉木華. 激光誘導擊穿光譜技術/多元二次非線性回歸分析土壤中的鉻元素[J]. 分析化學, 2016, 44(1):6.

食品及糧食安全

隨著人們生活質量不斷提高，食品攝入越來越多樣化，無論是常量元素，還是微量元素亦或是重金屬元素過多的攝入都會影響人類的身體健康，更有一些不良商家為了提升口感在食品生產加工過程中使用一些禁用的添加劑或超量使用添加劑,使食品存在安全隱患，最終導致人們身體健康受到威脅。因此對于食品的元素含量快速檢測變得十分重要。

糧食安全也是我們需要重視的領域，對糧食作物及種子中重金屬的檢測也是勢在必行。LIBS技術具有無需或少量樣品預處理、無環境污染、檢測速度快、可以進行多元素同時檢測的優勢，在食品分析領域如奶粉、水果、食用油、肉類、水產等方面和糧食作物及種子檢測方面均有應用。

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