LIBS激光诱导击穿光谱技术

LIBS激光诱导击穿光谱技术

激光诱导击穿光谱（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS）是一种用于化学多元素定性和定量分析的原子发射光谱技术。LIBS技术通过高能激光脉冲在样品表面产生等离子体，并检测其发射光谱来确定样品的元素组成。与传统的元素检测技术相比，LIBS具有无需样品制备、快速、几乎无损等优点，被誉为“未来化学分析之星”。

工作原理

1. 激光脉冲与样品相互作用

• 高能激光脉冲：一束高能脉冲激光聚焦在样品表面，当激光辐照度超过样品的击穿阈值时，少量材料将被烧蚀和激发，产生高温等离子体。

2. 等离子体的生成与冷却

• 等离子体生成：激光脉冲在样品表面产生等离子体，等离子体内包含电子、离子、原子、分子和微粒等，整体呈电中性。
• 等离子体冷却：在激光脉冲结束时，等离子体迅速扩散并冷却。

3. 光谱发射与检测

• 光谱发射：处于激发态的原子和离子从高能态迁移回低能态，并发出具有特定波长的特征光辐射。
• 光谱检测：用灵敏的光谱仪对等离子体发射光谱中的谱峰位置、峰强等信息进行分析，识别样品中的元素种类和相应的含量。

动力学过程

在激光诱导击穿光谱的动力学过程中，激光脉冲导致样品表面材料的烧蚀和等离子体的形成。等离子体中的粒子在高能级和低能级之间跃迁，并发射出特征光谱线。利用光谱仪检测这些特征光谱线，可以进行材料的识别、分类、定性以及定量分析。

能级跃迁示意图

当激光脉冲结束后，等离子体中被激发的粒子会从高能级向低能级跃迁，并发射特征谱线。特征谱线的波长(lambda)可以表示为：

[lambda=frac{ccdot h}{E_k-E_i}]

其中：

• (c)为光速
• (h)为普朗克常量
• (E_k)为高能级的能量
• (E_i)为低能级的能量

用光谱仪采集等离子体发射的特征谱线可以得到类似于下图所示的LIBS光谱图。等离子体中各种元素的比例通常与烧蚀样品的元素比例一致，通过分析特征谱线的强度，可以定量分析出样品中各种元素的含量。

LIBS系统的优势

1. 快速多元素检测

• 同时检测多种元素：LIBS系统能够同时检测样品中的多种元素，如碳(C)、锂(Li)、硅(Si)等。
• 高效分析：与传统方法相比，LIBS技术无需样品制备，能够实现快速、实时的元素分析。

2. 无损分析

• 几乎无损：由于激光烧蚀的样品量极小，LIBS分析对样品几乎无损。
• 适用广泛：适用于多种类型的样品，包括固体、液体和气体。

3. 高灵敏度和准确性

• 检测限：LIBS系统的检测限很大程度上取决于样品类型、具体元素以及仪器配置。通常，LIBS检出限可以做到10 ppm到100 ppm，对于均质材料甚至可以达到<1%的相对标准偏差。

LIBS定量标定需要注意事项

在使用LIBS做定量分析前，需要制备样品并进行一系列的物质准备。在LIBS测量中，需要注意以下几点：

1. 激光聚焦

• 精确聚焦：确保激光精确聚焦到样品上，以获得稳定的等离子体信号。

2. 样品表面条件

• 清洁处理：样品表面的粗糙程度、油污、指纹和灰尘等污染都会影响测量结果。因此，需要对样品表面进行清洁处理。
• 预燃处理：对于存在氧化层的样品，可以在标定或测量前发射几个激光脉冲以去除氧化层，这个过程称为预燃。

3. 获取光谱与谱线选取

• 多次轰击平均：为了提高测量精度，对样品同一个点多次轰击，平均光谱个数取决于样品，一般为10至500次。
• 无重叠谱线选择：选取无重叠的光谱线，并对光谱信号进行平均处理，以获得更稳定的测量结果。

结论

LIBS技术凭借其快速、无损、多元素同时检测的特点，在元素分析领域展现了巨大的潜力。特别是在需要快速、现场检测的应用场景中，LIBS技术提供了一种高效、可靠的解决方案。随着技术的不断进步和应用的日益广泛，LIBS技术有望在未来的化学分析中发挥更加重要的作用。