名师讲堂第九期精彩问答集锦

卓立汉光“名师讲堂”第九期：《激光击穿光谱的核领域应用》圆满结束，感谢中国原子能科学研究院高智星研究员的精彩分享，也非常感谢各位与会嘉宾的积极互动，现为将现场问答分享如下，供各位参考、交流。

精彩问答集锦如下：
 

问：高老师，您好！LIB产品可以在现场测金属材料成分吗？

答：可以。目前市面上有手持的LIBS应用装备已经现场识别金属材料的仪器，用于库存管理和废旧金属回收。如果需要测量一些非常独特的金属材料成分，也可以另行研发。
 

问：高老师，您好！35页PPT里光学腔结构如何有效收集发射光谱？如何去掉入射激光光源谱？

答：具体参考我们的**文件：ZL2015 2 04547474一种增强型等离子体发光信号收集器
 

问：气溶胶检测那部分是用的远程LIBS吗？高老师课题组应该也在做吧？高老师能否简单介绍下这部分工作，目前能测到多远距离？

答：我们这个针对的场景是气态排放物的在线测量和污染空气的现场测量。气溶胶成分的远程探测有兄弟单位在做，属于激光雷达项目Lidar，应该采用望远镜系统传输和收集光信号，闪光的几何收集效率受限，灵敏度可能不会太高。目前对固态物质表面沾染物的探测距离大概是半米到数十米左右。
 

问：高老师，针对很容易被激光打坏的材料，LIBS是否可以进行检测？

答：LIBS技术虽然宣称是无损分析，但实质上还是微损分析，本身需要将少量的物质（微克或者更少）加热到等离子体状态才能开展光谱分析。对于脆性材料，可以考虑飞秒激光击穿光谱减少烧蚀量和热力冲击。如果应用可以接受极小的表面损伤，损伤尺度微米量级，几乎肉眼难以发现，可以开展测量。
 

问：高老师，您好！定性识别元素与拉曼光谱识别技术的区别？

答：LIBS技术主要开展元素的识别，属于原子光谱分析技术，光谱信号来自外层电子的跃迁。拉曼光谱主要用于分子基团的识别，属于分子光谱分析技术，光谱信号来源于分子键转动、振动能级的跃迁。
 

问：高老师，用LIBS技术定量确定核危险物的含量貌似从实际现场应用角度来看不是非常必要的

答：核法证学和材料成分的在线分析需要能实现现场、快速、定量分析的技术装备，确实有这方面的需求。关键问题是，LIBS技术定量测定的准确度和精确度能否满足应用的实际需求。业内接受和认可LIBS装备，需要从技术上演示LIBS定量分析的成熟度和可靠性，作为一种“新技术”，也需要积极宣传。
 

问：高老师，您好！激光器选择的波长有什么依据呢

答：目前看，各个波段的激光器都有使用，取决于具体的应用场景和对象。需要说明的是，激光激发等离子体往往是一个非线性吸收过程，以多光子效应为主，而非共振吸收。当然，如果条件允许，选择激光波长与测试对象共振吸收峰匹配的激光器，可以降低对激光器功率的要求，可能有助于提高光谱强度和准确度。不建议选用样品反射率或透过率较高波段的激光器。
 

问：高老师，激光打到样品上产生等离子体，是不是必须要金属样品才可以呢？对于半导体材料来说，很难产生等离子体效应

答：金属样品很容易产生激光等离子体，大概激光的强度时是每平面厘米兆瓦量级。非金属材料则需要更高的激光强度，比如每平方厘米吉瓦。透明材料由于吸收系数较低，甚至需要更高的强度。需要注意，激光强度超过10~100GW，有可能发生空气击穿。半导体材料在红外区的吸收可能比较小，建议试试更短波长的激光器，比如可见或者紫外波段的激光器。
 

问：高老师，您好，激光击穿光谱，一般都选择什么谱仪？是针对特定谱段吗？对分辨率通常有什么要求？另外，您这边涉及紫外、近红外波段的情况多吗？比如200nm以下，900多nm，针对这些特殊波段，你们如何提高探测的灵敏度？谢谢您！

答：考虑到离子热运动产生的多普勒展宽等因素，一般认为光谱分辨率优于0.1nm即可满足元素识别的需求。如果不做同位素分析，常规的光纤光谱仪（分辨率0.03-0.05nm）就可以开展一些应用研究。实验室配置的光谱仪因为探测对象不唯一，一般光谱范围涵盖200-900nm即可。如果有明确的探测对象和元素的光谱范围，可以根据具体情况选择单通道（通常谱宽100nm左右）和多通道光谱仪。

红外波段的原子发射谱线不是很丰富，但是可观测的分子谱线逐渐增多，因此LIBS的一个新的研究方向是开展激光击穿-分子光谱分析，因为某些分子谱线的同位素位移比较大，可以用于同位素的探测。选用紫外波段的光谱仪，出发点可能是避免伴生的荧光或拉曼光谱的干扰，提高光谱信噪比。实际上，荧光光谱一般比较宽，可以通过数值滤波等光谱处理方法扣除。
 

问：还有个问题，除了LIBS定性的测量，定量的研究，有什么注意事项或者您有什么建议吗？LIBS+拉曼的研究，目前你们是否有开展？谢谢您！

答：如果一定要建议，那么就是根据具体应用场景选择定量分析的技术路线，比如内标，外标和自由定标。户外，现场作业，个人推荐自由定标。

我们研究室有激光拉曼光谱的研究人员，在LIBS/Raman联用方面也有所考虑。
 

问：高老师，便携式设备的光谱分辨率是多少，铀和铁之类的干扰如何进一步分辨？

答：可以考虑选用多条谱线进行判断，铀和铁并不是每一条谱线都距离很近。另外，可以考虑利用人工智能进行光谱处理和判读。
 

问：椭球腔闪光收集器，是否容易被等离子体的飞溅污染？谢谢老师！

答：目前还没有发现，在本例中，等离子体冷却产生的颗粒物应该被高速气流带出腔室了。
 

问：高老师，毫克级烧蚀量对核材料的运行影响大么？

答：LIBS分析的样品损耗量是微克量级，基本和产品表面的激光打标相当，应该可以接受。
 

问：我是中科院安光所的张志荣，也从事LIBS研究，水中的核素比如氕氘氚是否可以测量？

答：氕氘氚的同位素位移很大，可以测量，需要结合具体应用背景确认探测灵敏度，准确度和精确度是否可以接受。比如工艺监控和环境监测对水中氚的探测限要求不一样。

【下期会议预告，敬请关注】

2021年3月 王远航老师  上海光学精密机械研究所 基于微区RS&LIBS的中药残留化合物和重金属检测技术研究；