有效增强光谱信号强度又大幅降低放电能耗

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                             离子动力学调制LIBS增强原理及思路。论文作者供图

激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种基于原子发射光谱学的元素分析技术，在多元素分析、实时快速原位测量等方面具备突出优势，在定性识别物质与定量物质成分分析等领域具有重要应用前景。目前该项技术已在深空深海探测、地质勘探、生物医药以及环境监测等众多领域取得广泛应用。D-LIBS，即放电辅助LIBS技术，通常是将火花放电或电弧放电与LIBS技术相结合来实现。以上两种放电模式具有放电功率密度大和电子数密度高的特点，在辅助元素定性和定量分析方面有着独特的技术优势。因此，利用放电辅助可以显著增强LIBS信号强度，从而达到提高分析灵敏度的目的。

然而，D-LIBS在放电时电能消耗过大，同时从交变电压和电流中产生电磁脉冲，这不可避免地导致能源浪费和环境污染相关问题。这一负面因素，不仅加大了安全隐患和运行风险，更不利于社会倡导的节能减排和环境保护要求，进而限制了D-LIBS技术的进一步应用。因此，开发一种低环境危害、低能耗、高分析灵敏度即“两高一低”的D-LIBS技术仍然是物质分析领域中一项难度较大的挑战。

针对上述问题，中科院西安光机所瞬态光学与光子技术国家重点实验室汤洁研究员课题组联合美国劳伦斯伯克利国家实验室Vassilia Zorba教授团队，合作共同提出一种离子动力学调制方法，可克服传统D-LIBS放电能耗大、安全风险高、环境危害大等不利因素，同时提高分析灵敏度具有显著改善效果。其相关研究成果发表于Cell Press出版集团出版的《细胞报告自然科学》（Cell Reports Physical Science）期刊。论文第一作者为中科院西安光机所阿秒中心特别研究助理雷冰莹博士，中科院西安光机所是第一完成单位和通讯单位。 

该成果有两个关键创新点。

一是首次提出并利用激光诱导等离子体冲击波与外加电场空间零弧度耦合方式，实现有效放电区域全方位覆盖激光等离子体中粒子的扩散方向，离子的动力学特征从原始的向外扩散变更为放电空间内阳极和阴极之间的漂移运动。

“ 这种调制使得大部分离子被抓捕、约束在有效放电空间内，极大促进电能与激光等离子体耦合，大幅降低放电能耗。” 雷冰莹博士进一步解释。 

二是突破了传统D-LIBS方法及路径，即仅在电容器放电过程中辅助LIBS，将放电增强LIBS拓展到电容器放电和充电的两个过程。

雷冰莹讲解，采用直流电源与充电电容共同作用等离子体间隙的策略，使约束的带电粒子在电容放电结束后继续在电极之间漂移，并在毫秒尺度维持带电粒子电迁移运动特性，大幅延长等离子体寿命，进而实现火花和电弧放电的有序调控，以及原子和离子光谱信号的选择性增强。 

基于上述创新，论文作者们有效解决了在D-LIBS中同时具备“两高一低”特性的关键技术难题。

他们的实验测试结果也表明：与传统D-LIBS对比，该成果对于非平坦样品实现了在维持光谱信号2个数量级提升情况下，放电能耗降低了约1个数量级。结合经改进的小波变换降噪方法，D-LIBS中谱线信噪比、信背比，以及稳定性相比原光谱均获得了显著提升。微量元素（Mg）的检出限从近百ppm(毫克/千克)降低至亚ppm量级。除此之外，与传统D-LIBS及其他LIBS增强技术相比，微量元素（Mg、Si）探测灵敏度提高近2个数量级。

该领域相关专家认为，此项研究成果不仅有助于推动节能环保建设以及D-LIBS的广泛应用，同时在低烧蚀激光功率密度的极端条件下，为D-LIBS微量或痕量元素定性与定量分析提供了有力的理论依据和技术支撑。 

论文相关信息：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2023.101267