什么是激光诱导分解光谱法（Laser-induced Breakdown Spectroscopy）或LIBS？

激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种用于分析化学和材料科学的技术，用于确定样品的元素组成。它利用了一个叫做激光诱导击穿的过程，在这个过程中，高能量的激光脉冲被聚焦到样品的表面，产生一个等离子体羽。这个等离子体烟羽发出特征光或辐射，然后对其进行分析，以确定和量化样品中存在的元素成分。

每一个激光诱导击穿光谱都包含了有关自然发生和人工生产的元素浓度的宝贵细节，以及某些同位素比率和有关被分析材料的原子结构的信息。LIBS是一种斑点分析方法，激光烧蚀会产生直径从30微米到400微米的凹坑（孔或腔），这取决于激光波长、输出功率、材料的特性以及激光与材料的相互作用效率等因素。由于LIBS是一种光点分析技术，它可以评估材料成分的空间变化。它还允许对从材料的不同位置获得的多个镜头进行平均化，从而提供材料的整体组成的代表。

激光诱导分解光谱法的原理

激光诱导分解光谱（LIBS）的原理是利用强大的激光脉冲来加热样品表面，从而产生一个热等离子体。这个等离子体含有被高温激发的原子和分子。随着等离子体的冷却，原子和分子中的激发电子返回到低能量状态，释放出光子。

这些发射的光子的波长与激发态和基态之间的能量差异相对应。每种元素，甚至不同的分子同位素组成都有自己独特的能量状态，因此，会以特定的波长发射光子。通过测量发射的光的波长，我们可以确定样品中存在的元素，甚至使用一种叫做激光诱导分子同位素光谱法的技术确定同位素比率。

激光诱导分解光谱法的工作原理

激光诱导分解光谱系统使用一系列的激光器，其中Nd:YAG激光器是最常见的。这些激光器以不同的波长工作，如1064纳米、266纳米或213纳米。这些激光器的脉冲宽度通常在6至15纳秒的范围内，而重复率可以有所不同。

当激光束聚焦在样品表面时，少量的材料被烧蚀或去除，称为激光烧蚀。然后，这种烧蚀的材料与激光脉冲的尾随部分相互作用，形成含有自由电子、受激原子和离子的高能等离子体。

随着激光脉冲的结束，等离子体开始冷却。在这个冷却过程中，原子和离子中的激发电子返回到它们的低能量状态，发出具有特定光谱峰值的光。这种发射的光被位于等离子体附近的一个透镜收集，并通过光纤电缆传输到光谱仪上。光谱仪通常配有ICCD（增强型电荷耦合器件）或光谱仪检测器模块，分析LIBS光谱。

在光谱仪内，光线与衍射光栅相互作用，将其分离成不同的波长或颜色，以便进行分类。这些波长或颜色随后被传送到检测器，在那里产生光谱数据。然后光谱数据被发送到CPU进行分析。

在LIBS分析中，周期表中的每个元素都有自己独特的光谱峰。通过识别和研究被分析样品的这些不同的峰值，可以迅速确定样品的化学成分。此外，LIBS光谱峰的强度可以提供样品中存在的微量和主要元素的浓度信息。

激光诱导分解光谱法的优点

快速分析
不需要准备样品 
激光诱导分解光谱仪是便携式的 
对轻质元素如氢、锂和铍的敏感度高
详细的成分信息
非破坏性的技术
实时分析
用途广泛
最小的样品要求
多元素分析

激光诱导击穿光谱法的局限性

强度存在着明显的射程变化。这些变化的发生是因为激光与样品的交互方式在每个激光脉冲中并不完全相同。为了解决这个问题，研究人员经常通过对同一材料的多个光谱进行平均化来解决这个问题。
使用单变量或多变量校准的元素分析，涉及一个或多个变量的分析，不能提供与ICP-MS（电感耦合等离子体质谱法）或XRF（X射线荧光法）等更传统的技术相同的准确性或精确度。
每台LIBS仪器产生的光谱对该特定仪器来说是独一无二的。这意味着在不同的LIBS仪器上分析同一个样品时，得到的光谱会有轻微的变化。因此，当进行出处研究或比较数据集时，这些仪器间的差异足以阻止将多个仪器的数据结合起来。

激光诱导分解光谱法的应用

激光诱导分解光谱在不同行业和科学领域都有应用。

它被用于环境监测，能够快速和现场分析土壤、水和空气样品。它有助于识别和量化污染物，如重金属、污染物和有毒元素，帮助进行环境风险评估和修复工作。LIBS还可以对工业环境中的排放物进行实时监测，有助于改善空气质量控制。

LIBS为冶金学、地质学和考古学等领域的材料表征提供宝贵的信息。它能够识别和分析金属、矿物、陶瓷和古代文物中的元素和化合物。LIBS可以帮助评估材料质量，识别杂质，确定合金成分，并研究考古物品的来源。

它在制药业有应用，特别是在分析原材料、药物配方和假药检测方面。这种光谱能够快速筛查元素杂质，确保符合监管标准。LIBS有助于质量控制过程，协助验证药物的真实性，确保医药产品的安全性和有效性。

在航空航天和国防领域，LIBS在航空航天材料分析、表面涂层评估和法医调查等应用中发挥了重要作用。它有助于识别和分析飞机部件中的元素，包括合金、复合材料和涂层。LIBS还有助于检测微量元素、爆炸物和化学战剂，支持法医分析和安全评估。

LIBS在艺术修复和文化遗产研究中获得了重要性。它可以帮助保护者识别艺术品中使用的颜料、涂层和表面处理，提供对艺术家技术的深入了解并帮助修复工作。LIBS分析允许评估环境因素对文物的影响，协助它们的保存和保护。

在采矿业，LIBS为评估岩石、矿石和矿物的元素组成提供了一种快速和非破坏性的方法。它有助于矿物学制图，识别有价值的矿藏，并确定是否存在杂质或污染物。LIBS还可以通过在现场提供实时分析来支持地质勘探工作，促进决策过程。