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激光诱导击穿光谱技术有新突破

激光诱导击穿光谱技术有新突破

从1666年牛顿第一次利用棱镜将阳光分解为七色光开始,人类研究光谱的历史已经超过了350年。发现光谱线、利用衍射光栅测量波长、建立光谱分析技术、研制出实用的光谱仪……几百年来光谱技术不断发展,并开始广泛应用于元素分析、天文学观测等领域,成为与色谱、质谱并列的分析方法。

近日,我国科研人员又为光谱技术的进步做出了新贡献。据科技日报报道,中科院合肥物质科学研究院黄行九研究员和赵南京研究员利用主动可控火花放电和电化学富集辅助改进激光诱导击穿光谱方法,在低脉冲能量条件下实现了对水体和土壤样品中痕量砷和汞的高灵敏度稳定检测。

作为一种新兴的光谱技术,激光诱导击穿光谱(简称 LIBS)近年来发展十分迅速。1962年将激光作为原子发射光谱激发光源的想法首次被提出,一年后LIBS就诞生了。其基本原理是利用高能脉冲激光聚焦入射样品表面产生激光等离子体,然后对等离子体中原子和离子的发射光谱进行定性和定量分析。与原子吸收光谱、X射线荧光光谱等传统光谱分析技术相比,LIBS不仅灵敏度高、精确度高、全元素分析等优势,还可以做到无损检测,适用于任何形态的样品,而且能远程实时在线分析,因此在出现之后就广受关注,并迅速在环境、材料、生物等领域得到应用。

上世纪90年代,LIBS进入快速发展时期,在多通道、高分辨和更高维度方面有很大进步,并相继出现了飞秒激光诱导击穿光谱、时间分辨激光诱导击穿光谱、双脉冲激光诱导击穿光谱等相对成熟的方法。然而在环境样品的分析中,LIBS却有一个很大的问题——无法检测砷元素和汞元素。砷、汞元素是主要的重金属污染物之二,不同于其它重金属元素,砷和汞的沸点低、挥发性强,在LIBS的高脉冲能量下,砷和汞易挥发,导致检测限高甚至没有信号。

解决这个问题需要减少砷和汞的挥发。为此,中科研研究员以低脉冲能量激光代替高脉冲激光,有效减少了砷和汞的挥发。同时为了弥补低脉冲能量下砷和汞等离子含量不足的问题,利用火花放电装置产生更多的等离子体,并通过修饰了可调控氧空位的花状纳米片的电极进行电化学富集,实现了砷和汞的高灵敏度检测。而且研究人员还在火花放电装置中增加可控高速开关,并且改进火花放电和激光之间的时间,保证等离子体的稳定。

低脉冲能量激光诱导击穿光谱法是我国光谱技术又一成果,标志着我国光谱仪器科研水平又向世界水平迈出了一步,也为国产光谱仪器提供了新的理论,增加了国产光谱仪在国际市场的竞争力。国产仪器行业的发展要靠各个领域的技术突破一点一点积累优势,这不仅需要科研人员的努力,还需要国家与仪器企业的共同参与。

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