激光诱导击穿光谱仪（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS） 是一种基于激光技术的光谱分析方法，通过将强激光束聚焦在样品表面，引发等离子体的产生，进而分析其发射光谱来确定样品的元素组成。LIBS 作为一种快速、微区、非接触和多元素同步检测的技术，在多个领域具有广泛的应用，如材料分析、环境监测、工业过程控制等。以下从 LIBS 的工作原理、组成、应用及优缺点等方面详细介绍这一技术。
一、LIBS 的工作原理
LIBS 的工作原理可以概括为利用高能激光束聚焦于样品表面，激发出等离子体，分析等离子体辐射的光谱，来识别和定量样品中所含元素。其基本步骤包括以下几个过程：
激光束聚焦于样品表面：通过一个高能脉冲激光源，通常使用纳秒或皮秒激光，能量密度达到 $10^9$ W/cm² 以上，瞬间将样品局部区域加热到极高温度（几千到几万开尔文）。
等离子体的产生：当激光束能量足够高时，样品表面会蒸发并电离，形成等离子体（包含高温的离子、电子和中性原子）。这些带电粒子在等离子体中发生跃迁，产生具有特征性的光谱辐射。
光谱发射：等离子体中的原子和离子经过电子跃迁，发射出特定波长的光。每个元素都有独特的发射光谱，通常在紫外、可见光和近红外范围内。
光谱分析：通过光谱仪对这些发射光进行检测和分光，记录不同波长的光强度。每种元素的特征谱线强度与其在样品中的浓度有关。
数据处理和定量分析：通过软件将光谱数据与已知标准样品的光谱进行比对，或者应用特定的数学模型，如校正曲线法、内标法等，对样品中元素的种类和浓度进行定量分析。
二、LIBS 的组成部分
一个典型的激光诱导击穿光谱仪包括以下关键组成部分：
激光源：
激光源是 LIBS 系统的核心部分。最常用的是 脉冲激光器，如 Nd
激光器（产生 1064 nm、532 nm 等波长），能够在极短时间内产生高能量激光脉冲，足以将样品局部激发成等离子体。光学系统：
用于将激光束聚焦在样品表面，同时还包括用于收集等离子体发射光的收集透镜和光纤。光学系统可以控制激光的焦点、光斑大小和位置，并引导发射的光进入光谱仪。
光谱仪：
光谱仪用于分离等离子体发出的不同波长的光。通常使用光栅来分光，探测器如 CCD（电荷耦合器件） 或 ICCD（增益耦合电荷耦合器件） 用来记录光谱。
数据采集与处理系统：
收集由探测器产生的信号，并将其转换为光谱图。计算机软件则用于对光谱进行分析，进行元素识别和定量。
三、LIBS 的应用领域
LIBS 技术具有快速、无损、多元素同步检测的特点，能够在多种复杂环境下进行分析，广泛应用于以下领域：
1. 材料科学
LIBS 可以应用于金属、陶瓷、玻璃等材料的元素分析，尤其适用于多种元素的快速检测。在冶金、矿物加工等工业中，LIBS 可以用于对金属合金、矿石样品中的微量和主要元素进行检测。
2. 环境监测
LIBS 可用于大气、水、土壤中的污染物检测，如重金属污染、微量元素含量等。它能够快速检测样品中的多种元素，并且由于其非接触、快速的特点，能够实时监控环境中的污染水平。
3. 工业过程控制
在工业生产过程中，LIBS 可用于在线监测和质量控制，检测原材料中的成分变化。例如在冶金、铸造工业中，LIBS 可以对钢铁、铝、铜等材料进行成分控制，保证材料符合标准。
4. 考古与文化遗产
LIBS 作为一种无损分析技术，可以用于古代文物的成分分析，如陶器、金属器具、雕像等。其无需破坏样品表面，能够为考古学家提供精确的材料成分数据，从而帮助判断文物的年代和来源。
5. 生物医学
在生物医学领域，LIBS 可用于分析人体组织、骨骼、牙齿中的元素含量，提供病理学分析的参考数据。此外，LIBS 也可以应用于药物开发过程中成分的快速分析。
6. 国防与安全
LIBS 能够快速检测爆炸物、毒品等危险物质的元素组成，因此在反恐、边境安全检查中有重要应用。此外，LIBS 技术可以用于军事设备材料的监控，保证其性能与可靠性。
四、LIBS 的优缺点
优点
多元素同步检测：LIBS 能够在一次激光脉冲中同时检测多种元素，极大提高了分析效率。尤其在复杂样品中，LIBS 可以快速提供全谱分析结果。
非接触和微区分析：LIBS 无需对样品进行复杂的前处理，激光可以聚焦于样品的微区进行分析，适合用于精细样品的局部成分检测。
实时在线分析：LIBS 的快速检测能力适合工业流程中的在线监控，可以在几秒内得到样品的元素组成信息，有助于及时调整生产工艺。
可应用于各种样品：LIBS 可以分析固体、液体、气体等多种形态的样品，广泛适用于金属、非金属、液体样品甚至气体分析。
便携性：随着技术的进步，便携式 LIBS 仪器已得到发展，适合在现场进行元素分析，如矿石勘探、污染监测等。
缺点
检测限较高：与其他技术相比，LIBS 的检测限相对较高，尤其是对于某些痕量元素的检测，灵敏度可能不足。
矩阵效应：不同类型的样品对激光的响应不同，样品基质可能影响等离子体的产生和光谱的精度，因此需要对不同样品进行校准和标准化处理。
定量分析精度有限：尽管 LIBS 适合定性分析，但在定量分析中，准确性容易受到等离子体温度、样品表面不均匀性等因素的影响，需要复杂的校正模型来提高精度。
高能激光可能损坏样品：虽然 LIBS 属于非接触技术，但激光会在样品表面留下小的烧蚀痕迹，因此在某些对样品要求较高的应用中需要谨慎使用。
五、LIBS 的发展趋势
随着科技的不断进步，LIBS 技术也在逐渐发展完善，呈现出以下几个趋势：
便携化和现场应用：未来的 LIBS 仪器将更加便携化，适合在现场进行快速、精确的元素分析。便携式设备已经在环境监测、矿产勘探等领域展现出广泛的应用潜力。
自动化与智能化：结合人工智能和自动化技术，LIBS 仪器可以实现自动数据采集、分析和结果输出。智能化数据处理将进一步提高分析效率和准确性，适用于大规模样品的快速分析。
联合多种分析技术：为了弥补单一技术的不足，LIBS 有望与其他分析技术如拉曼光谱、X射线荧光光谱（XRF）等结合，提供更为全面的元素和分子信息，从而提高分析的精度和灵敏度。
痕量元素检测能力提升：通过改进激光源、光学系统和探测器的设计，LIBS 对痕量元素的检测限有望进一步降低，拓展其在环境、医学等领域的应用。
六、总结
激光诱导击穿光谱仪（LIBS）作为一种快速、便捷、多元素同步检测的分析技术，具有广泛的应用前景。其独特的工作原理和非接触分析特性使其在材料科学、工业过程控制、环境监测等众多领域具有重要价值。尽管 LIBS 目前在灵敏度和定量分析精度方面存在一定的局限，但随着技术的进步，未来 LIBS 将在更多领域展现出更强的竞争力和应用潜力。
