近日，中國科學院西安光學精密機械研究所瞬態光學與光子技術國家重點實驗室湯潔研究員課題組聯合美國勞倫斯伯克利國家實驗室教授Vassilia Zorba團隊，在激光等離子體光譜研究領域取得重要進展。相關研究成果發表在 Cell Reports Physical Science 上。
激光誘導擊穿光譜（LIBS）是基于原子發射光譜學的元素分析技術，在多元素分析、實時快速原位測量等方面具備優勢，且在定性識別物質與定量物質成分分析等領域具有重要的應用前景。目前，該技術在深空深海探測、地質勘探、生物醫藥以及環境監測等領域廣泛應用。D-LIBS即放電輔助LIBS技術，通常是將火花放電或電弧放電與LIBS技術相結合來實現。以上兩種放電模式具有放電功率密度大和電子數密度高的特點，在輔助元素定性和定量分析方面具有獨特的技術優勢。因此，利用放電輔助可以顯著增強LIBS信號強度，從而達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生電磁脈沖，導致能源浪費和環境污染相關問題。這一負面因素加大了安全隱患和運行風險，更不利于社會倡導的節能減排和環境保護要求，進而限制了D-LIBS技術的進一步應用。因此，開發一種“兩低一高”（低環境危害、低能耗、高分析靈敏度）的D-LIBS技術仍是物質分析領域中難度較大的挑戰。
針對上述問題，該團隊提出離子動力學調制方法，對克服傳統D-LIBS放電能耗大、安全風險高、環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，合理優化電極配置，有序調控放電模式，在有效增強光譜信號強度的同時，大幅降低放電能耗。該工作的創新點在于：（1）首次提出并利用激光誘導等離子體沖擊波與外加電場空間零弧度耦合方式，實現有效放電區域全方位覆蓋激光等離子體中粒子的擴散方向，離子的動力學特征從原始的向外擴散變更為放電空間內陽極和陰極之間的漂移運動。這種調制使得大部分離子被抓捕、約束在有效放電空間內，促進電能與激光等離子體耦合，大幅降低放電能耗。（2）突破傳統D-LIBS方法，即僅在電容器放電過程中輔助LIBS，將放電增強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束后繼續在電極之間漂移，并在毫秒尺度維持帶電粒子電遷移運動特性，大幅延長等離子體壽命，進而實現火花和電弧放電的有序調控以及原子和離子光譜信號的選擇性增強。
上述研究有效解決了在D-LIBS中同時具備“兩低一高”特性的關鍵技術難題。實驗測試結果表明：與傳統D-LIBS對比，該成果對于非平坦樣品實現了在維持光譜信號2個數量級提升情況下，放電能耗降低了約1個數量級。結合經改進的小波變換降噪方法，D-LIBS中譜線信噪比、信背比以及穩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D-LIBS及其他LIBS增強技術相比，微量元素（Mg、Si）探測靈敏度提高近2個數量級。該研究有助于推動節能環保建設以及D-LIBS的廣泛應用，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和技術支撐。
研究工作得到國家自然科學基金、陜西省自然科學基金、瞬態光學與光子技術國家重點實驗室自主課題、中科院光譜成像技術重點實驗室開放基金等的支持。
離子動力學調制LIBS增強原理和思路
來源：中國科學院西安光學精密機械研究所
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