近日,中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yàn)室教授Vassilia Zorba團(tuán)隊(duì),在激光等離子體光譜研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表在Cell Reports Physical Science上。
激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)是基于原子發(fā)射光譜學(xué)的元素分析技術(shù),在多元素分析、實(shí)時快速原位測量等方面具備優(yōu)勢,且在定性識別物質(zhì)與定量物質(zhì)成分分析等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。目前,該技術(shù)在深空深海探測、地質(zhì)勘探、生物醫(yī)藥以及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域廣泛應(yīng)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(jié)合來實(shí)現(xiàn)。以上兩種放電模式具有放電功率密度大和電子數(shù)密度高的特點(diǎn),在輔助元素定性和定量分析方面具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢。因此,利用放電輔助可以顯著增強(qiáng)LIBS信號強(qiáng)度,從而達(dá)到提高分析靈敏度的目的。然而,D-LIBS在放電時電能消耗過大,同時從交變電壓和電流中產(chǎn)生電磁脈沖,導(dǎo)致能源浪費(fèi)和環(huán)境污染相關(guān)問題。這一負(fù)面因素加大了安全隱患和運(yùn)行風(fēng)險,更不利于社會倡導(dǎo)的節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)要求,進(jìn)而限制了D-LIBS技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用。因此,開發(fā)一種“兩低一高”(低環(huán)境危害、低能耗、高分析靈敏度)的D-LIBS技術(shù)仍是物質(zhì)分析領(lǐng)域中難度較大的挑戰(zhàn)。
針對上述問題,該團(tuán)隊(duì)提出離子動力學(xué)調(diào)制方法,對克服傳統(tǒng)D-LIBS放電能耗大、安全風(fēng)險高、環(huán)境危害大等不利因素,同時提高分析靈敏度具有顯著改善效果。該工作借助這一方法,合理優(yōu)化電極配置,有序調(diào)控放電模式,在有效增強(qiáng)光譜信號強(qiáng)度的同時,大幅降低放電能耗。關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)在于:(1)首次提出并利用激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波與外加電場空間零弧度耦合方式,實(shí)現(xiàn)有效放電區(qū)域全方位覆蓋激光等離子體中粒子的擴(kuò)散方向,離子的動力學(xué)特征從原始的向外擴(kuò)散變更為放電空間內(nèi)陽極和陰極之間的漂移運(yùn)動。這種調(diào)制使得大部分離子被抓捕、約束在有效放電空間內(nèi),促進(jìn)電能與激光等離子體耦合,大幅降低放電能耗。(2)突破傳統(tǒng)D-LIBS方法,即僅在電容器放電過程中輔助LIBS,將放電增強(qiáng)LIBS拓展到電容器放電和充電的兩個過程。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(jié)束后繼續(xù)在電極之間漂移,并在毫秒尺度維持帶電粒子電遷移運(yùn)動特性,大幅延長等離子體壽命,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)火花和電弧放電的有序調(diào)控以及原子和離子光譜信號的選擇性增強(qiáng)。
上述研究有效解決了在D-LIBS中同時具備“兩低一高”特性的關(guān)鍵技術(shù)難題。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明:與傳統(tǒng)D-LIBS對比,該成果對于非平坦樣品實(shí)現(xiàn)了在維持光譜信號2個數(shù)量級提升情況下,放電能耗降低了約1個數(shù)量級。結(jié)合經(jīng)改進(jìn)的小波變換降噪方法,D-LIBS中譜線信噪比、信背比以及穩(wěn)定性相比原光譜均獲得了顯著提升。微量元素(Mg)的檢出限從近百ppm降低至亞ppm量級。此外,與傳統(tǒng)D-LIBS及其他LIBS增強(qiáng)技術(shù)相比,微量元素(Mg、Si)探測靈敏度提高近2個數(shù)量級。該研究有助于推動節(jié)能環(huán)保建設(shè)以及D-LIBS的廣泛應(yīng)用,同時,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(jù)和技術(shù)支撐。
研究工作得到國家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基金、瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題、中科院光譜成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金等的支持。
離子動力學(xué)調(diào)制LIBS增強(qiáng)原理和思路
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