激光诱导击穿光谱仪器(LIBS)在火星土壤分析中的应用

激光诱导击穿光谱的原理、装置及在地质分析中的应用摘要激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种目前正在发展中的对样品中元素成分进行快速、现场定量检测的分析技术。

为了了解激光诱导击穿光谱技术(LIBS)技术和发展现况以及这项技术的应用情况，在课堂学习和相关基础实验的基础上，通过查阅相关文献和书籍进行了分析、整理、归纳。

文章从LIBS的由来、基本原理和实验装置进行了综述，讨论了激光诱导击穿光谱技术在地质分析方面的应用。

LIBS技术应用方便快捷，且应用前景广泛。

关键字：激光诱导击穿光谱；元素分析；地质分析The Principle and Device of Laser InducedBreakdown Spectroscopy andits Application in Geological AnalysisABSTRACTLaser-induced breakdown spectroscopy(LIBS)is a kind of analysis technique currently in development ,which is applied for rapid and on-site quantitative detection of the elements of the sample.To comprehend the laser induced breakdown spectroscopy(LIBS)technology, the current development status of LIBS technology and the application of the technology, LIBS technology was analyzed, arranged, and summarized on the basis of classroom learning , the related basic experiments and consulting relevant literatures and books. The origin, basic principle and experimental apparatus of LIBS are reviewed in this paper and the applications of laser induced breakdown spectroscopy in geological analysis are discussed.The application of LIBS technology are fast and convenient and LIBS technology will have broad application prospects.Key words:Laser Induced Breakdown Spectroscopy;elemental analysis;geological analysis1 引言 (1)2 激光诱导击穿光谱的原理 (2)3 激光诱导击穿光谱的装置 (3)3.1 激光诱导击穿光谱的实验装置 (3)4 激光诱导击穿光谱在地质分析中的应用 (5)4.1 激光诱导击穿光谱技术的应用现状 (5)4.2 激光诱导击穿光谱技术在地质方面的应用 (5)4.3 激光诱导击穿光谱技术在其他方面的应用 (7)5 分析与讨论 (8)5.1 结果分析 (8)5.2 激光诱导击穿光谱技术的优点 (8)5.3 激光诱导击穿光谱技术的局限 (8)6 结论 (9)参考文献 (10)激光诱导击穿光谱法(Laser Induced Breakdown Spectroscopy )简称为LIBS，是由美国Los Alamos国家实验室的David Cremers研究小组于1962年提出和实现的。

紧凑型激光诱导击穿光谱（LIBS）仪器研制与溶液、土壤分析方
法研究
LIBS的快速检测优势体现在小型化的检测设备、快速直接的制样方法和多元素同时分析这几个方面。

针对现有LIBS装置集成度低、操作流程繁琐和价格高的问题,本文基于模块化设计、小型高能量激光器、统一的控制系统和测控软件系统研制出一种高集成度、测试流程简单和大能量输出的紧凑型LIBS仪器,仪器体积小巧又保证了激光能量输出超过100 m J,且所有操作在统一界面下完成。

为了验证LIBS仪器的测试性能,对铜矿样品粉末进行了定性和定量分析,表明对含量为ppm级别的目标元素仍然具有定性分析能力,对Cu和Zn的线性相关系数(R2)均达到0.98以上。

针对LIBS无法对液态样品进行快速检测的问题,提出一种基于高吸水化合物的水凝胶快速制样方法,改善了LIBS测试液体时的等离子体淬灭效应、液体溅射和表面波纹等的影响,实现了LIBS对水体样品的快速分析。

采用标准曲线方法和多变量回归方法对不同基质下的土壤样品进行了多元素同时定量分析,通过不同定量分析模型的交叉验证实现了对不同基质条件下土壤多元素的定量检测。

为了实现对同质异相类物质的快速检测,研制出一种一体化的LIBS-Raman联用仪器,能够同时获取分析材料的原子光谱和分子光谱,实现了对物质元素和分子结构的解析,分别对标准物质和自然物质的测试验证了该仪器的优势。

密级：学校代码：10075分类号：学号：20091157理学硕士学位论文激光诱导击穿光谱技术用于土壤成分检测研究学位申请人：宋广聚指导教师：陈金忠 教授学位类别：理学硕士学科专业：环境工程授予单位：河北大学答辩日期：二○一二年六月Classified Index: CODE: 10075 U.D.C.: NO: 20091157A Dissertation for the Degree of M. ScienceStudy of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy Technology used for SoilComponent DetectionCandidate：Song Guang-juSupervisor：Prof. Chen Jin-zhongAcademic Degree Applied for：Master of ScienceSpecialty：Environmental EngineeringUniversity：Hebei UniversityDate of Oral Examination：June, 2012摘要本文采用SQ-II型Nd:YAG脉冲激光器（0～700 mJ）、WP-2L型平面光栅光谱仪、光谱采集与数据处理系统等构成光谱分析系统，以国家标准土壤样品作为烧蚀靶，研究了激光诱导土壤等离子体发射光谱的特性。

主要内容包括以下几方面：1. 激光脉冲能量和激光束散焦对等离子体辐射的影响研究了激光输出能量（100-500 mJ）对等离子体辐射强度的影响。

实验发现，在激光能量为200 mJ的优化条件下，可以提高等离子体发射光谱强度和信背比。

当激光束被适当散焦以后激发样品时，能够进一步改善光谱质量，在散焦位置为+6 mm时元素Mg、Al、K和Fe的谱线强度比未散焦时的分别提高了46%、63%、59%和45%，而光谱信背比分别提高了11%、31%、35%和38%。

激光诱导击穿光谱的应用研究激光诱导击穿光谱（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS）是一种基于激光诱导击穿现象的光谱分析技术。

通过激光的高能量使样品形成等离子体，并进行光谱分析，可以快速、无损地获得样品的元素成分信息。

在材料科学、环境监测、冶金工业、火灾探测等领域中，LIBS已经广泛应用，并取得了显著的成果。

一、LIBS基本原理及仪器LIBS基于激光诱导击穿现象，当强激光束照射到样品表面时，样品吸收激光的能量并迅速增加温度，形成等离子体。

等离子体中的原子、离子、自由电子经过激发、自发辐射、电子碰撞激发等过程，发射出一系列特征光谱线。

通过分析这些光谱线，可以确定样品的化学成分。

LIBS仪器包含激光器、光学系统、光谱系统和数据分析系统。

激光器产生高能量、窄脉冲的激光束，光学系统将激光束聚焦到样品表面上，形成等离子体。

光谱系统由光谱仪和探测器组成，用于分辨和检测等离子体发射的光谱。

数据分析系统将光谱信号进行处理和分析，得到样品的元素成分信息。

二、LIBS应用研究1.材料科学领域在材料科学领域，LIBS可用于对材料的元素成分进行表征和分析。

研究人员可以通过LIBS技术实时监测材料的组分变化，控制材料的质量和特性。

例如，研究者可以利用LIBS技术对钢材中的杂质元素进行快速检测，以确保材料符合使用要求。

此外，还可以通过LIBS技术对涂层材料进行分析，以改善材料的抗腐蚀性能和热稳定性。

2.环境监测领域在环境监测领域，LIBS可用于对土壤、水体、空气中的污染物进行检测和分析。

与传统的采样分析方法相比，LIBS无需样品预处理，操作简便快速，可以实现现场即时监测。

例如，研究人员可以利用LIBS技术对土壤中的重金属污染物进行快速分析，以评估土壤质量和污染程度。

同时，LIBS还可以用于检测水体中的有害物质，如汞、铅、砷等。

3.冶金工业领域在冶金工业领域，LIBS可用于金属熔炼和炉渣分析。

libs激光诱导击穿光谱激光诱导击穿光谱（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS）是一种分析技术，通过激光脉冲诱导样品形成等离子体，然后使用光谱仪来分析等离子体中的发射光谱，从而确定样品中元素的存在和浓度。

LIBS技术具有以下几个特点：非接触性、快速、无需样品预处理以及对大多数样品均适用。

这些特点使得LIBS在很多领域得到了广泛应用，如环境监测、冶金学、博物馆保护、食品和饮料质量检测等。

LIBS技术的基本原理是，在激光脉冲照射样品表面时，激光能量会被吸收并加热样品，达到等离子体形成的温度。

当激光能量足够高时，样品表面会发生等离子体产生的现象，形成一个包含高温等离子体的小火球。

这个高温等离子体内部的原子和离子会发射出光，形成光谱信号。

LIBS结果的分析主要依赖于光谱仪测量到的光谱信号。

利用光谱信号，可以确定不同元素产生的光谱线，从而确定样品中的元素种类。

通过测量光谱信号的强度，可以推测元素的相对浓度。

此外，利用激光与样品的相互作用，还可以获取有关样品中化学反应和材料特性的信息。

LIBS技术的应用非常广泛。

在环境监测方面，LIBS可以用于检测土壤中的重金属含量，以及检测大气污染物。

在冶金学中，LIBS可以用来分析金属合金中的成分，以及检测炉渣中的杂质。

在博物馆保护领域，LIBS可以用来鉴别文物中的材料成分，以及检测文物表面的污染物。

在食品和饮料质量检测中，LIBS可以用来检测农产品中的重金属污染，以及检测饮料中的成分。

LIBS技术的快速、非接触和无需样品预处理的特点，使得它成为了一种非常有潜力的分析技术。

然而，LIBS技术还存在一些挑战，如激光能量的均匀性、等离子体温度的测量和校正、光谱数据处理等。

因此，在进一步推广和应用LIBS技术时，需要进一步改进仪器设计和数据分析算法，以提高其分析精度和稳定性。

总之，LIBS技术是一种非常有潜力和应用广泛的分析技术，可以用来快速、准确地分析样品中的元素成分和浓度。

激光技术在环境监测中的应用研究随着社会的快速发展和工业化进程的不断推进，环境问题日益凸显，对于环境监测的要求也越来越高。

传统的环境监测方法在某些方面存在局限性，而激光技术的出现为环境监测带来了新的机遇和突破。

激光技术具有高分辨率、高灵敏度、非接触式测量等优点，在大气污染监测、水污染监测、土壤污染监测等领域发挥着重要作用。

一、激光技术在大气污染监测中的应用大气污染是当前环境问题中的一个重要方面，对人类健康和生态环境造成了严重威胁。

激光技术在大气污染监测中的应用主要包括对颗粒物、气态污染物和温室气体的监测。

（一）颗粒物监测激光散射法是一种常用的颗粒物监测技术。

当激光照射到颗粒物上时，会发生散射现象，通过测量散射光的强度和角度，可以计算出颗粒物的浓度和粒径分布。

这种方法具有实时性强、测量精度高的优点，能够快速准确地反映大气中颗粒物的变化情况。

（二）气态污染物监测差分吸收激光雷达（DIAL）技术在气态污染物监测中表现出色。

它利用污染物对特定波长激光的吸收特性来测量其浓度。

例如，对于二氧化硫、氮氧化物等污染物，通过发射两种不同波长的激光，一种被污染物强烈吸收，另一种则几乎不被吸收，通过对比两种波长激光的回波信号差异，就可以计算出污染物的浓度。

（三）温室气体监测二氧化碳、甲烷等温室气体的排放是导致全球气候变化的主要原因之一。

激光技术可以实现对这些温室气体的高精度监测。

例如，可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术能够对二氧化碳和甲烷的浓度进行实时、连续监测，为研究温室气体的排放和变化规律提供了重要数据支持。

二、激光技术在水污染监测中的应用水是生命之源，水污染的监测和治理至关重要。

激光技术在水污染监测中的应用主要有水质参数监测和水中污染物检测。

（一）水质参数监测激光诱导荧光（LIF）技术可以用于测量水中的溶解有机物、叶绿素等水质参数。

当激光照射到水样中时，某些物质会发出荧光，通过检测荧光的强度和光谱特征，可以推断出这些物质的浓度，从而反映水质的状况。

用激光诱导击穿光谱技术定量分析土壤中Ba和Sr陈添兵;姚明印;刘木华;雷泽剑;彭秋梅;徐媛;张旭【摘要】利用激光诱导击穿光谱(laser induced breakdown spectroscopy,LIBS)技术检测土壤标准样品中Ba和Sr的含量,用光纤光谱仪探测等离子体冷却过程中的发射谱线,选取BaⅡ455.41 nm和SrⅠ460.73 nm特征谱线为分析线.为了减小误差,采用Lorenizian函数进行光谱轮廓曲线拟合对数据预处理,提取光谱净强度值.选择多元素谱线强度和作为内标,根据分析线与内标线强度值之比建立定标曲线,Ba 和Sr含量与其强度比的线性系数分别达到0.9900和0.9906,采用这种强度比定标法对Ba和Sr的含量进行反演,测定Ba和Sr含量值与标准值的相对偏差分别为5.7％和5.1％.%Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) was applied to measure barium and strontium elements in soil The emission spectrum was emitted as the plasma was cooling off, which was collected and analyzed by fiber spectrometer. Spectral lines of barium(BaII line at 455.41 nm) and strontium(Srl line at 460. 73 ran) were separately used for the determining. In order to reduce the error, fitting of the spectra by using Lorcnizian function was used, the datum was preprocessed and the net intensity value of the spectra was collected. A signal intensity in the proper range of the characteristic spectrum was chosen as the interior label. A calibration curve was drawn according to the ratio between the value of the analytical line and the interior scaling line. The correlation coefficient between the content and the intensity ratio of Ba and Sr were up to 0.990 0 and 0.990 6. The content of Ba and Sr was inversed by means of the intensity scaling method . As a result, the relative deviations between thecontent values and the standard values of Ba and Sr were 5. 7% and 5.1% respectively.【期刊名称】《光谱学与光谱分析》【年(卷),期】2012(032)006【总页数】4页(P1658-1661)【关键词】激光诱导击穿光谱;内标线;强度比定标法;定标曲线;拟合度【作者】陈添兵;姚明印;刘木华;雷泽剑;彭秋梅;徐媛;张旭【作者单位】江西农业大学生物光电及应用重点实验室,江西南昌330045;江西农业大学生物光电及应用重点实验室,江西南昌330045;江西农业大学生物光电及应用重点实验室,江西南昌330045;江西农业大学生物光电及应用重点实验室,江西南昌330045;江西农业大学生物光电及应用重点实验室,江西南昌330045;江西农业大学生物光电及应用重点实验室,江西南昌330045;江西农业大学生物光电及应用重点实验室,江西南昌330045【正文语种】中文【中图分类】S151.9激光诱导击穿光谱（LIBS）分析技术，其原理是利用高能量短脉冲的激光聚焦至样品表面，产生瞬间高温将聚焦处样品激发到等离子态，所产生的等离子体几乎可将样品中的全部元素气化并激发至高能态，当它们回到基态时会发出各自的特征光谱，通过对光谱波长的探测就可获得样品中的所有元素种类和含量［1］。

激光诱导击穿光谱的原理、装置及在地质分析中的应用摘要激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种目前正在发展中的对样品中元素成分进行快速、现场定量检测的分析技术。

为了了解激光诱导击穿光谱技术(LIBS)技术和发展现况以及这项技术的应用情况，在课堂学习和相关基础实验的基础上，通过查阅相关文献和书籍进行了分析、整理、归纳。

文章从LIBS的由来、基本原理和实验装置进行了综述，讨论了激光诱导击穿光谱技术在地质分析方面的应用。

LIBS技术应用方便快捷，且应用前景广泛。

关键字：激光诱导击穿光谱；元素分析；地质分析The Principle and Device of Laser InducedBreakdown Spectroscopy andits Application in Geological AnalysisABSTRACTLaser-induced breakdown spectroscopy(LIBS)is a kind of analysis technique currently in development ,which is applied for rapid and on-site quantitative detection of the elements of the sample.To comprehend the laser induced breakdown spectroscopy(LIBS)technology, the current development status of LIBS technology and the application of the technology, LIBS technology was analyzed, arranged, and summarized on the basis of classroom learning , the related basic experiments and consulting relevant literatures and books. The origin, basic principle and experimental apparatus of LIBS are reviewed in this paper and the applications of laser induced breakdown spectroscopy in geological analysis are discussed.The application of LIBS technology are fast and convenient and LIBS technology will have broad application prospects.Key words:Laser Induced Breakdown Spectroscopy;elemental analysis;geological analysis1 引言 (1)2 激光诱导击穿光谱的原理 (2)3 激光诱导击穿光谱的装置 (3)3.1 激光诱导击穿光谱的实验装置 (3)4 激光诱导击穿光谱在地质分析中的应用 (5)4.1 激光诱导击穿光谱技术的应用现状 (5)4.2 激光诱导击穿光谱技术在地质方面的应用 (5)4.3 激光诱导击穿光谱技术在其他方面的应用 (7)5 分析与讨论 (8)5.1 结果分析 (8)5.2 激光诱导击穿光谱技术的优点 (8)5.3 激光诱导击穿光谱技术的局限 (8)6 结论 (9)参考文献 (10)激光诱导击穿光谱法(Laser Induced Breakdown Spectroscopy )简称为LIBS，是由美国Los Alamos国家实验室的David Cremers研究小组于1962年提出和实现的。

libs手持激光诱导击穿光谱仪用途现代科技的快速发展使得激光技术在各个领域得到广泛应用，激光诱导击穿光谱仪（LIPSS）作为一种先进的光谱仪器，具有许多独特的优势和广泛的应用前景。

本文将对LIPSS的用途进行详细介绍，并侧重于其在生物医学、材料科学和环境监测方面的应用。

LIPSS是一种基于激光诱导击穿技术的光谱仪器，它利用激光在样品表面产生的等离子体，测量其产生的特征光谱。

LIPSS具有高灵敏度、高分辨率和快速测量等优点，可以提供关于不同样品的化学成分和结构信息。

它被广泛应用于材料分析、生物医学研究和环境监测等领域。

首先，LIPSS在生物医学领域的应用非常广泛。

通过对生物样品进行激光诱导击穿测量，可以获得样品的组成、结构和特性信息。

在生物医学研究中，LIPSS可用于识别和鉴定生物标志物，例如蛋白质、DNA和细胞等。

此外，LIPSS还可以用于药物研发和临床诊断，例如通过测量药物在体内的分布和代谢过程，以及检测生物体内的病变。

其次，LIPSS在材料科学领域也有着广泛的应用。

材料的组成和结构对其性能起着至关重要的作用。

通过使用LIPSS，可以快速、非破坏性地获得材料的化学成分、晶体结构和表面形貌等信息。

这对于材料的研究和开发具有重要意义。

例如，LIPSS可以用于监测材料的质量和纯度，表征材料的晶格结构和相变过程，以及分析材料表面的微观特征和缺陷。

最后，LIPSS在环境监测方面也具有潜力。

随着环境问题的日益严重，环境监测变得愈发重要。

LIPSS可用于检测和分析水、空气和土壤等环境样品中的有害物质和污染物。

例如，通过测量水中的溶解氧和污染物浓度，可以对水质进行即时监测。

此外，LIPSS还可以用于监测大气中的微粒和有毒气体，以及土壤中的重金属和有机化合物等。

除了以上应用领域，LIPSS还可以应用于食品安全、火灾检测和能源研究等。

在食品安全方面，LIPSS可以用于鉴定和检测食品中的化学成分和添加剂，以及检测食品中的有害物质和污染物。