金属特性对激光诱导击穿光谱最佳实验参数的影响

采用波长为532nm的单脉冲激光诱导两种金属样品铜和锌，产生等离子光谱，固定激光能量40mJ、门宽100ns、光谱仪入射狭缝0.1mm、ICCD增益100等参数，研究金属样品物理化学特性对汇聚透镜焦点到样品表面距离、ICCD采集延迟等最优化实验参数的影响.实验中分别选取铜样品Cu（I）521.82nm和锌样品Zn（I）481.053nm谱线作为LIBS信号，实验测定的透镜焦点在距样品表面不同距离处的LIBS信号强度，结果表明铜和锌样品的聚焦透镜焦点分别在样品表面内距表面的距离为5mm和5.5mm时得到光谱信号强度最大；铜和锌的ICCD探测延时分别为1300ns和1100ns时等离子体光谱信号的信噪比最大并具有可观测的强度，依据铜和锌样品物理化学特性的差异对实验结果进行了合理的分析与讨论，为后续研究金属样品LIBS技术的基底效应、纳米结构增强激光诱导击穿光谱机理提供数据参考.     

基于LIBS技术结合PCA-SVM机器学习对猪肉部位的识别研究

近年来,激光诱导击穿光谱（LIBS）与算法相结合分类、识别生物组织逐渐兴起。由于猪肉各部位组织光谱特性相似,仅通过分析光谱信息很难达到准确识别的效果,采用来自于同一个体、四个不同部位的猪肉进行研究,并将其进行切片、压平,应用LIBS技术对4种部位的组织（里脊,梅花,前腿,五花）进行了样品光谱的采集,每种样品采集100幅光谱进行分析,选取Ca,Na,K等6条谱线进行了初步光谱分析,观测谱线发现除脂肪含量较多的五花组织C-N以及C含量较其他组织高以外,其他组织很难区分,进一步对这6个成分进行主成分分析（PCA）,得到PC1,PC2,PC3累计贡献率达到95%,通过特征分数作为支持向量机（SVM）模型输入源,建立SVM分类模型,得到几种部位样品的混淆矩阵图,通过观察混淆矩阵可以清楚分辨出每个种类样品的分类整准确率,发现四种样品准确率分别为96%,98%,97%,100%,平均准确率达到了97%以上。研究证明LIBS结合PCA-SVM可作为一种快速鉴别猪肉不同组织部位的检测方法。     

激光诱导击穿光谱技术在气体检测中的研究综述

随着工业技术的发展,气体检测领域对在线检测仪器及检测技术的要求越来越高,气体成分在气体流动时会发生复杂变化,通常的检测手段傅里叶变换红外光谱技术（FTIR）、光腔衰荡技术（CRDS）、电化学传感等往往不能满足检测要求或仅对局部区域检测。激光诱导击穿光谱（LIBS）作为一种新兴的原子发射光谱分析技术,得到光谱分析领域研究者的广泛重视与研究。LIBS技术具备多元素同时检测、非侵入式、实时在线以及无需样品特殊制备等技术优势,已应用于固体、液体和气体的检测。在环境恶劣、干扰较大的气体制造及检测领域LIBS技术能够实时准确地进行检测。介绍了LIBS技术基本原理并描述等离子体物理特性的两个参数等离子体温度及等离子体电子数密度,针对LIBS技术在气体检测领域中的应用,从通过原子谱线强度比分析燃料的当量比、燃料混合气燃烧产物的气体组分、工业制造中作为保护气的氮气及稀有气体、温室气体和新能源气体的检测,以及与之相关的LIBS实验装置及实验方法的改进与优化等6个方面介绍了LIBS技术应用于气体检测领域的近些年国内外进展。对气体检测领域激光诱导击穿光谱研究的前景进行了展望。     

LIBS结合单变量定标法对土壤中铅元素含量检测

重金属污染一直影响着人们的健康生活,如镉,铅和铜等的污染,故而土壤重金属的快速检测和如何预防,一直受各国学者关注和研究。传统土壤重金属检测方法（如原子吸收光谱法、X荧光光谱法等）样品预处理复杂,分析成本较高,易形成样品的二次污染,不能满足快速分析的要求。激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种典型的原子发射光谱,它是基于分析物质中原子和离子受激发而发射的特征谱线信息,进而研究物质成分的分析方法。LIBS技术能够快速检测任何状态（固、液和气态）物质元素的成分和含量,被看作是未来化学检测和快速绿色分析领域的新兴技术。LIBS技术具有对样本简单预处理（或不需要处理）、多元素同步分析、远距离测量、适用性广等优势,被广泛用于生活生产的各个领域,已成为近年来国内外学者广泛关注和研究的热点之一。在农业信息快速感知的大背景下,以激光诱导击穿光谱技术为技术手段,以土壤重金属铅元素为研究对象,运用理论分析和数学建模相结合,建立了多种基于单变量定标曲线的土壤重金属铅检测模型,并进行了模型验证。自制15个已知的铅元素浓度梯度的谱线土壤样本,在获取了土壤LIBS数据之后,对其进行预处理对比,建立了基于谱峰强度、谱峰积分、洛伦兹拟合强度三种定标曲线模型,对土壤中铅元素含量进行定量分析,得出基于三种定标曲线模型对土壤中铅元素含量的预测决定系数R2分别为0.918 0,0.910 1和0.914 3,三种定标曲线分析方法的预测结果都较好,说明了LIBS结合单变量定标曲线法对土壤中铅含量的检测可靠性高。最后选取部分样本数据进行验证,结果较好。研究结果为研发便携式农田土壤污染物检测技术与装备提供技术支撑,也为农田精准管理和科学施肥奠定基础。     

基于LIBS技术和主成分分析的快速分类方法研究

将激光诱导击穿光谱（LIBS）技术与主成分分析（PCA）法相结合用于铝合金分类研究,对Al—Cu系、Al—Si系、Al—Mg—Si系、Al—Zn系四类13种铝合金标准样品进行了分类实验,实验结果证明LIBS-PCA方法可以实现铝合金的快速分类。通过使用LIBS技术激发130个铝合金标准样品得到130个光谱样本,再用主成分分析方法进行降维分析,计算出贡献率最大的三个主成分并计算各光谱的主成分得分绘制在三维空间中,发现光谱样本点按照铝合金的种类发生了明显的汇聚现象,由此确定了三个主成分和铝合金类型区域。用20个不同类型的铝合金进行实验对所得铝合金类型区域的准确性进行验证,发现所得20个光谱样本点全部落在其对应的标准样品类型区域内, 在一定程度上证明所得的铝合金标准样品类型区域的正确性,在此基础上可以进行未知类型铝合金的鉴别。实验结果表明基于LIBS光谱的PCA方法分类精度达到97.14%以上,能够有效的完成不同模式的区分,相比于常用的化学方法,LIBS技术可以原位快速地对待测样品进行检测,样品预处理简单,因此将激光诱导击穿光谱（LIBS）技术与主成分分析（PCA）法相结合用于质量检测和在线工业控制等领域,可以节约大量的时间及成本,提高检测效率。     

指纹光谱病原菌快速检测研究进展与趋势

病原菌检测对于保障饮用水和食品安全,应对突发公共卫生事件至关重要。现行检测标准或方法存在操作耗时费力,成本高等缺陷,难以满足现代社会高时效性要求,因此开发操作简单、低成本的病原菌快检技术迫在眉睫。近年来,随着激光技术和光电探测技术的高速发展,能够快速获取微生物指纹信息的激光光谱引起了研究者的广泛关注,其中表面增强拉曼光谱（SERS）和激光诱导击穿光谱（LIBS）由于具有快速、原位无损或微损检测等优点,在病原菌快速检测领域广受关注。SERS作为一种分子振动光谱技术,是在常规拉曼（Raman）光谱中引入具有光学信号放大作用的贵金属纳米结构,实现Raman信号数量级的提升同时能够猝灭荧光,因此可以快速获取目标分子的指纹光谱信息。然而受贵金属纳米粒子的材质、形貌、大小等自身属性,以及与待测物距离等多种因素的影响,重现性仍然是SERS在细菌检测中的一大瓶颈。LIBS作为一种新兴的原子发射光谱技术,具有多元素实时检测的能力,可以快速获取样品包括微量和痕量元素在内的所有元素信息。LIBS进行细菌分类和鉴别时,为了降低基底、共存基质的元素干扰,需采集大量纯培养细菌的光谱数据,不仅增加了检测周期,同时带来定性定量难两全的局面。结合SERS和LIBS技术在病原菌快检领域的研究现状,综述了两类方法各自的优势和局限性,并对其在病原菌快速检测领域的发展趋势进行了展望,为开发基于激光光谱的病原菌快检技术提供参考意见。     

真空环境熔融金属成分检测的激光诱导击穿光谱系统

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是应用于冶金在线分析最具前景的技术之一。为了研究真空和高温条件下LIBS光谱特性和物质成分定量分析方法,设计并搭建了可实现真空环境高温熔融金属LIBS光谱测量的实验系统。系统以调Q Nd: YAG脉冲激光器为光源,采用不同焦距透镜实现激光聚焦和信号光采集,并利用光谱仪进行光谱检测,真空获取和高温加热通过真空泵和中频感应电炉实现,感应加热线圈通过陶瓷封接引线法兰与真空系统进行整合。经过安装测试,搭建系统在未加热情况下真空度可达1×10-4Pa,加热温度可达到1 600 ℃,可实现真空环境下铁、铝等金属加热或熔融,并获得相应环境下的LIBS测量光谱。利用该系统进行真空和熔融条件下标准钢样品的LIBS实验,得到了固态钢样品LIBS光谱在不同真空度下的光谱对比,以及真空环境熔融态和固态钢样品光谱对比。通过对测得的LIBS光谱进行数据处理和理论分析,所得初步实验结果与现有研究结论相符合,表明该系统工作状况良好,可满足真空环境下的熔融金属成分分析研究的基本需求。     

运用响应面分析法优化激光诱导土壤等离子体测试参数

测试参数的选择和优化是进行激光诱导击穿光谱（LIBS）试验的重要步骤之一,合适的测试参数能够保障所得光谱数据的准确性。本研究运用LIBS技术,以土壤中主要元素（硅、铁、镁、钙、铝、钠、钾等）为载体,研究LIBS不同测试参数对元素谱线特性影响,优化得到普适的土壤测试条件。设计了以LIBS系统中激光脉冲能量（LE）、延迟时间（DT）和聚焦透镜到样品的距离（LTSD）三因素的二次中心组合的试验,以土壤中主要元素的特征谱线组合信背比（SBR）Y_SBR为目标函数,分析了三因素之间交互作用对Y_SBR的影响。结果表明：因素DT对Y_SBR的线性效果显著,而LE和LTSD对Y_SBR的线性效果均不显著;三者的交互影响对Y_SBR的交互效果都不显著;对于二次项LE2,DT2和LTSD2对Y_SBR的曲面效应均显著。优化得到最佳的试验条件是：激光能量LE为103.09 mJ,延迟时间为2.92 μs,透镜到样品的距离LTSD为97.69 mm,得到最大组合信背比Y_SBR为198.602。这些测试参数是后期LIBS数据准确分析的前提,为田间实地土壤LIBS检测参数的选择提供重要的借鉴。     

激光感生击穿光谱技术（LIBS）的原理及影响因素

激光感生击穿光谱技术（LIBS）具有不需制备样品,快速分析,可进行实时控制的特点显示了巨大实际应用价值,文中介绍了激光感生击穿光谱技术（LIBS）的发展历史、研究现状及其原理。同时通过重复频率为20 Hz,最高单脉冲能量为50　mJ的纳秒激光（10 ns,1　064 nm）研究了在不同激发条件下Cr和Co薄膜产生的光谱信号。得出对于Cr膜当激发能量小于10 mJ时,信号差异不明显。但是当激发能量超过10　mJ时将产生明显的变化。分析了激光特性、延迟时间、实验装置、环境气体的种类及压力、单/双脉冲、以及采用的理论分析方法对LIBS探测结果的影响。     

激光等离子体光谱分析技术的发展现状

综述了近几年来应用激光等离子体光谱分析技术在不同领域所取得的研究成果,包括利用激光诱导击穿光谱学(LIBS)和激光诱导等离子体光谱学(LIPS)方法对固体样品(如金属合金、土壤、混凝土、矿物、化石、药品等)、液体样品(溶液、纯净水、液体喷射流等)和气体样品(大气、纯净气体、水蒸气和气溶胶等)中物质成分和相关特性的分析研究,以及在其他方面的研究应用;讨论了影响检测性能的因素,如激光波长、脉冲能量、功率密度、环境气氛、外加电场、样品表面涂层以及样品材料性能等对分析精确度和检出限的影响;对一些改进的实验装置及方法也进行了简单介绍。激光等离子体光谱分析技术的发展,为许多科学和应用研究创造了方便和快捷的有利条件,对科技进步有深远影响。     

激光诱导击穿光谱对污染鱼体内重金属元素分布与含量的分析

环境污染可造成生物体的中毒、病变及死亡。生物体各组织对污染物质的吸收、积累情况是不同的。生物体各组织对污染物质重金属元素的吸收是生物医学中的一项重要研究。采用激光诱导击穿光谱(LIBS)方法对受污染的鱼体各组织进行了重金属元素定量分析。实验中得到了一组探测鱼类组织元素成份的LIBS最佳条件,拟合了Pb和Ba元素的定标曲线并通过外标法测定了重金属含量。实验结果表明,鱼体中肝脏及口腮等部位有重金属积累,而在鱼肉中重金属含量极低。所提出的方法可用于生物体受污染影响的评估研究, 在生物医学领域有重要推广价值。     

Assessment of LIBS for Spectrochemical Analysis: A Review

Abstract

This review assesses the applications of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) for the analysis of a variety of samples, including biomaterials (teeth, nail, hair, gallstones, and kidney stones, etc.), food materials (fruits and vegetables, milk, salt, nutritional supplements, etc.), medicinal plants, industrial waste, liquid samples, etc. In addition, for the first time the identification of cholesterol and pigment stones was performed on the basis of atomic lines of different elements and molecular bands of C₂ molecules present in the LIBS spectra of gallstones. Chemometric techniques such as principal component analysis (PCA) was also applied to LIBS data for rapid identification/classification of different gallstone samples. LIBS analysis of toxic/heavy elements present in vegetables (spinach, tomato) and rice is also presented in this review. It was observed that vegetables grown near industrial areas are rich in several toxic metals like Pb and Cr. The wastewater samples from different industries were also analyzed by recording their spectra using a liquid jet. These results clearly demonstrate the ability of LIBS technique as an instant monitoring device to detect heavy metals present in liquid samples. Finally, this review shows that LIBS is a versatile analytical technique with unlimited applications.     

激光击穿光谱检测赣南脐橙中铬元素的实验研究

为评估激光诱导击穿光谱技术(LIBS)对水果样品中重金属元素的检测潜力,选用在不同浓度梯度重铬酸钾水溶液中浸泡了30个小时的赣南脐橙样品进行LIBS实验,采集铬元素的特征谱线与峰值强度信息。在激光照射部位称取3 g左右的脐橙样品进行湿法消解,用原子分光光度计检测样品中的铬浓度。实验数据用Origin软件进行拟合后得到了谱线峰值强度和Cr浓度之间的关系曲线,即定标曲线,二者有线性关系,线性相关度0.981 66。由检测限公式计算得到铬浓度的检测限为11.68 μg·g-1。采用该定标曲线即可对赣南脐橙中的铬元素进行定量检测。实验结果表明LIBS技术是一种检测、定量分析水果样品中重金属元素含量的有效手段。     

基于激光诱导击穿光谱的洋葱在线原位检测

激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)是一种分析多元素的光学技术,可用于新鲜蔬菜的快速检测.以洋葱为例,采用LIBS对其含有的元素进行了在线原位检测.用乙酸铅溶液污染洋葱以模拟大气湿沉降的重金属污染现象,并进行重金属Pb元素检测.使用主成分分析(principal components analysis, PCA)和反向传播人工神经网络(back-propagating artificial neutral network, BP-ANN),以洋葱、大蒜、小葱为样品进行区分检测.洋葱光谱中的特征谱线包括Si、Fe、C、Mg、Al、Ca、Ti、Sr、Ba、Na、Li和K等元素,以及N、H、O的谱线和CN分子谱带.不同浓度梯度乙酸铅溶液污染的洋葱样品中都能检测出Pb元素,其相对强度与溶液浓度成比例.此外,PCA的结果表明洋葱、小葱、大蒜的区分效果明显,BP-ANN交叉验证的识别率为89.47%.结果证明LIBS在对元素进行快速分析时具有较好的识别能力,是检测新鲜蔬菜的有效手段.     

激光诱导击穿光谱(LIBS)光谱诊断与元素分析及激光功率、入射角度以及测试足巨离的改变对结果影响

激光诱导击穿光谱法(LIBS)在精准识别该样品元素的组成成分和含量的同时,也可以得到该特征元素等离子体的电子温度、粒子旋转温度等相关光谱诊断参数.该方法非接触式、低损伤阈值,借助高速高分辨率响应的CCD探测元件更可以实现实时动态测量.文章基于LIBS的相关原理,对一块事先标定好元素成分的合金进行光谱诊断的同时,发现在改...     

激光诱导击穿光谱应用于三种水果样品微量元素的分析

激光诱导击穿光谱(LIBS)在植物样品上面的应用是一个较新的课题. 为将LIBS技术能实际应用于与食品安全相关的领域,实验中对三种真空冻干水果样品进行了初步LIBS实验研究,鉴别了其LIBS光谱,并选取典型光谱线,运用统计学方法分析比较了三种水果中Ca,Na,K,Fe,Al,Mg六种元素含量的差别. 实验结果表明,苹果中Na的含量最高,Ca的含量最低,三种水果样品中的K,Fe,Mg等元素含量也都有差异. 实验结果还表明LIBS技术是一种检测、对比植物样品中微量元素含量的有效手段. 关键词： 激光诱导击穿光谱 等离子体 植物样品 微量元素     

激光诱导击穿光谱与拉曼光谱技术在危险物检测中的研究进展

炸药、生物及化学危险物检测在反恐和公共安全领域具有重要应用价值,也是目前亟需解决的问题。激光诱导击穿光谱技术利用高能激光脉冲诱导材料产生等离子体,通过探测等离子体辐射光谱从而分析其组成成分。拉曼光谱技术是基于非弹性光散射的一种光谱检测方法,可以反映分子的振动信息。由于它们都具有快速和非接触遥测的优点,成为最有发展潜力和应用前景的危险物检测技术。介绍了激光诱导击穿光谱、拉曼光谱以及二者联合探测技术在危险物检测中的国内外发展现状,并对各自的优缺点进行了分析。激光诱导击穿光谱信号强、实时性好,但重复性差、基底效应影响显著,在判别组成元素相同而分子结构不同的危险物和干扰物时面临巨大挑战。拉曼光谱能够提供被测物的分子信息,适合于鉴别有机危险物,但信号弱、受荧光干扰大、检测低浓度样品及分析混合物的能力弱,外场使用时受周围杂散光以及环境变化的影响大。将这两种光谱探测技术相融合,发挥各自的优点,可以有效地提高探测危险物的准确度。但两种光谱联合探测系统结构和数据处理复杂,成本高,还有许多技术难点亟需解决。文章最后,对危险物激光诱导击穿光谱和拉曼光谱研究的前景进行了展望。     

Analytical Assessments of Gallstones and Urinary Stones: A Comprehensive Review of the Development from Laser to LIBS

Abstract

Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is a sensitive optical technique capable of fast multi-elemental analysis of various kinds of materials (solid, liquids, and gases) and its applications are growing rapidly and continue to extend to include a broad variety of biological materials. Its application is suited particularly for urinary stones and gallstones bulk analysis and microanalysis because investigation of the spatial distribution of matrix and trace elements can help to explain their emergence and growth. Therefore, we review the application of LIBS for the analysis of different kinds of gallstones and urinary stones. In brief, we also describe the history, fundamentals, advantages, and disadvantages of LIBS and its potential for spectrochemical analysis of gallstones and kidney stones. We also emphasize the applications of different kinds of lasers in urology, particularly the laser ablation of gallstones and urinary stones and its recent progress. We also summarize and compare the analytical figures of merits of analytical techniques that are commonly used to characterize and/or analyze stones.     

Biomedical and environmental applicationsof laser-induced breakdown spectroscopy

Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is an emerging analytical technique with numerous advantages such as rapidity, multi-elemental analysis, minimal sample preparation, minimal destruction, low cost and versatility of being applied to a wide range of materials. In this paper, we report the preliminary observations we obtained using LIBS for clinical and environmental samples. Elemental analysis has been done qualitatively in human teeth samples which show encouraging results. It has also been demonstrated in this paper that LIBS can be very well utilized in field applications such as plastic waste sorting and recycling.