離子動(dòng)力學(xué)調制LIBS增強原理及思路。論文作者供圖
激光誘導擊穿光譜（LIBS）是一種基于原子發(fā)射光譜學(xué)的元素分析技術(shù)，在多元素分析、實(shí)時(shí)快速原位測量等方面具備突出優(yōu)勢，在定性識別物質(zhì)與定量物質(zhì)成分分析等領(lǐng)域具有重要應用前景。目前該項技術(shù)已在深空深海探測、地質(zhì)勘探、生物醫藥以及環(huán)境監測等眾多領(lǐng)域取得廣泛應用。D-LIBS，即放電輔助LIBS技術(shù)，通常是將火花放電或電弧放電與LIBS技術(shù)相結合來(lái)實(shí)現。以上兩種放電模式具有放電功率密度大和電子數密度高的特點(diǎn)，在輔助元素定性和定量分析方面有著(zhù)獨特的技術(shù)優(yōu)勢。因此，利用放電輔助可以顯著(zhù)增強LIBS信號強度，從而達到提高分析靈敏度的目的。
然而，D-LIBS在放電時(shí)電能消耗過(guò)大，同時(shí)從交變電壓和電流中產(chǎn)生電磁脈沖，這不可避免地導致能源浪費和環(huán)境污染相關(guān)問(wèn)題。這一負面因素，不僅加大了安全隱患和運行風(fēng)險，更不利于社會(huì )倡導的節能減排和環(huán)境保護要求，進(jìn)而限制了D-LIBS技術(shù)的進(jìn)一步應用。因此，開(kāi)發(fā)一種低環(huán)境危害、低能耗、高分析靈敏度即“兩高一低”的D-LIBS技術(shù)仍然是物質(zhì)分析領(lǐng)域中一項難度較大的挑戰。
針對上述問(wèn)題，中科院西安光機所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室湯潔研究員課題組聯(lián)合美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室Vassilia Zorba教授團隊，合作共同提出一種離子動(dòng)力學(xué)調制方法，可克服傳統D-LIBS放電能耗大、安全風(fēng)險高、環(huán)境危害大等不利因素，同時(shí)提高分析靈敏度具有顯著(zhù)改善效果。其相關(guān)研究成果發(fā)表于Cell Press出版集團出版的《細胞報告自然科學(xué)》（Cell Reports Physical Science）期刊。論文第一作者為中科院西安光機所阿秒中心特別研究助理雷冰瑩博士，中科院西安光機所是第一完成單位和通訊單位。
該成果有兩個(gè)關(guān)鍵創(chuàng )新點(diǎn)。
一是首次提出并利用激光誘導等離子體沖擊波與外加電場(chǎng)空間零弧度耦合方式，實(shí)現有效放電區域全方位覆蓋激光等離子體中粒子的擴散方向，離子的動(dòng)力學(xué)特征從原始的向外擴散變更為放電空間內陽(yáng)極和陰極之間的漂移運動(dòng)。
“ 這種調制使得大部分離子被抓捕、約束在有效放電空間內，極大促進(jìn)電能與激光等離子體耦合，大幅降低放電能耗。” 雷冰瑩博士進(jìn)一步解釋。
二是突破了傳統D-LIBS方法及路徑，即僅在電容器放電過(guò)程中輔助LIBS，將放電增強LIBS拓展到電容器放電和充電的兩個(gè)過(guò)程。
雷冰瑩講解，采用直流電源與充電電容共同作用等離子體間隙的策略，使約束的帶電粒子在電容放電結束后繼續在電極之間漂移，并在毫秒尺度維持帶電粒子電遷移運動(dòng)特性，大幅延長(cháng)等離子體壽命，進(jìn)而實(shí)現火花和電弧放電的有序調控，以及原子和離子光譜信號的選擇性增強。
基于上述創(chuàng )新，論文作者們有效解決了在D-LIBS中同時(shí)具備“兩高一低”特性的關(guān)鍵技術(shù)難題。
他們的實(shí)驗測試結果也表明：與傳統D-LIBS對比，該成果對于非平坦樣品實(shí)現了在維持光譜信號2個(gè)數量級提升情況下，放電能耗降低了約1個(gè)數量級。結合經(jīng)改進(jìn)的小波變換降噪方法，D-LIBS中譜線(xiàn)信噪比、信背比，以及穩定性相比原光譜均獲得了顯著(zhù)提升。微量元素（Mg）的檢出限從近百ppm(毫克/千克)降低至亞ppm量級。除此之外，與傳統D-LIBS及其他LIBS增強技術(shù)相比，微量元素（Mg、Si）探測靈敏度提高近2個(gè)數量級。
該領(lǐng)域相關(guān)專(zhuān)家認為，此項研究成果不僅有助于推動(dòng)節能環(huán)保建設以及D-LIBS的廣泛應用，同時(shí)在低燒蝕激光功率密度的極端條件下，為D-LIBS微量或痕量元素定性與定量分析提供了有力的理論依據和技術(shù)支撐。
論文相關(guān)信息：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2023.101267
