2015年1月6日，2014年北京光譜年會在北京召開，本次會議聚焦光譜儀器新產品新技術及其應用方面。來自清華大學熱能系的王哲教授帶來題目為《LIBS發(fā)展現(xiàn)狀》的報告。
清華大學熱能系 王哲教授
激光誘導擊穿光譜(Laser Induced Breakdown Spectroscopy)，簡稱LIBS。1962年美國Brech發(fā)表的一篇LIBS論文標志LIBS的誕生，至今已經有53年的發(fā)展歷史。LIBS技術由于不需要樣品準備、無損、快速、原位、多元素分析功能，被稱為是“未來的化學分析之星”。但是，同樣由于不需要樣品準備，導致了其測量不確定度相對較高，測量誤差較大(兩大瓶頸)。LIBS站在大規(guī)模商業(yè)應用的大門之前，需要大量的機理、數(shù)據(jù)處理、應用研究；也許需要和其他設備配合;需要商業(yè)化定量測量應用實例來推動技術發(fā)展。
中國LIBS發(fā)展歷史與現(xiàn)狀
近年來LIBS最引人矚目的應用是，2012年美國火星探測器攜帶LIBS登上火星，2014年完成了探測任務，探測發(fā)現(xiàn)火星上存在水分等。在中國LIBS技術用于“地溝油”的檢測。
中國LIBS的研究歷史開始于1992年的安徽師范大學崔執(zhí)鳳老師利用LIBS進行痕量元素測量，初期研究還有2002年中南民族大學用于環(huán)境監(jiān)測等；2004年華中理工大學將其用于煤炭領域；2008年之后，中國LIBS研究隊伍得到了快速發(fā)展。目前，全國已經有超過30多個小組在進行LIBS相關研究，例如，大連理工大學、華中科技大學、香港浸會大學、華南理工大學、清華大學、浙江師范大學等。
關于LIBS學術交流和組織方面，有偶數(shù)年舉行的國際LIBS會議；EMSLIBS、NASLIBS、ASLIBS等三大國際LIBS團體。隨著中國LIBS的迅速發(fā)展，2011年在青島海洋大學組織召開了第一屆中國LIBS會議，當時只有40多人參會;到了2013年在廣州中南理工大學舉辦的第三屆會議，參會人數(shù)已經達到了240多人；2014年，在北京清華大學召開了國際LIBS大會，360多人參會；2015年計劃在華中科技大學舉辦亞洲LIBS會議。
近年來，LIBS研究快速發(fā)展，SCI論文發(fā)表數(shù)量已經由1996年的30多篇發(fā)展到2014年的300多篇。其中，2008、2009、2010、2011年發(fā)表的論文數(shù)量持平，幾乎沒有增長。然而，就像上文中提到的，2008年之后中國LIBS研究快速發(fā)展，相應的中國學者發(fā)表的論文數(shù)量也從不到20篇發(fā)展到2014年的近100篇。2014年“Frontiers of Physics” 第一次刊登了中國LIBS研究進展綜述文章。據(jù)了解，2008~2009年期間，世界LIBS研究進入瓶頸，而中國LIBS研究的崛起推動了世界LIBS向前發(fā)展。
國家對于LIBS儀器研制也非常重視，科技部和基金委等支持了多個LIBS儀器研制項目，有的項目投入資金在2000萬元以上，如四川大學段憶翔教授團隊研制多功能激光光譜分析儀項目；也有儀器公司和高校合作研究項目，如世界兩大LIBS生產商之一的美國TSI公司與清華大學熱能系合作研制基于LIBS的煤炭分析儀項目等。
LIBS技術發(fā)展現(xiàn)狀
當前，LIBS研究主要分為等離子體形貌、時間空間演變、等離子體參數(shù)估計、激光-樣品相互作用、等離子體-環(huán)境互相作用等基礎研究；硬件結構、采樣裝置方面的儀器設備研制；定量、定性分析中數(shù)據(jù)處理方法研究；工業(yè)現(xiàn)場在線、離線等的應用研究。所有研究的目的主要是為了提高檢測限、提高測量準確度，以及提高測量可重復性。
基礎研究方面比較突出的有：(1)美國Purdue University的Hassanein教授建立了HEIGHTS模型對物質燒蝕與等離子體的形成過程進行數(shù)值模擬，并利用此模型研究了包括激光參數(shù)、環(huán)境氣體及雙脈沖激光等實驗參數(shù)對等離子體的影響；(2)法國CNRS-Aix Marseille University的J.Hermann等對等離子體的產生及膨脹過程進行建模，找出光譜信號強度、LIBS實驗參數(shù)與等離子體參數(shù)之間的關系，尤其是對非等溫等離子體的建模有利于CF-LIBS方法的準確性的提高和更廣泛的應用；(3)意大利National Research Council的R.Gaudiuso等利用在金屬樣品表面添加納米顆粒的方式，增強了光譜信號的強度；(4)日本Nuclear Science and Engineering Center的Ali Khumaeni等利用微波輔助等離子體技術用于光譜信號的增強。
中國LIBS基礎研究主要圍繞著空間限制、火花放電再次激發(fā)等離子體、激光激發(fā)原子熒光等方面展開。不過，中國LIBS基礎研究還停留在現(xiàn)象說明+機理解釋；國際領先的研究已經進入建立基于物質、能量傳遞描述的模型研究來深入地解釋機理；目前還集中于相對較為簡單的信號增強(降低檢測限)，對定量測量還屬于積蓄力量階段，還需要理論的進一步發(fā)展。
儀器設備研究方面比較突出的有：(1)德國BAM Federal Institute for Materials Research and Testing的I. Gornushkin等建立了等離子體的膨脹模型，并利用該模型研究了包括環(huán)境氣體、收光角度等實驗參數(shù)對光譜信號的影響，同時，他們還利用X射線斷層成像技術對等離子體的形態(tài)變化進行成像和分析，此外，他們還開發(fā)了一種新型的SHS-LIBS技術，即將空間外差光譜技術應用到LIBS系統(tǒng)當中，很好地利用了SHS技術光譜分辨率高、光通量大等特點；(2)德國Fraunhofer Institute for Laser Technology的R. Noll等設計了LIBS高速在線(in-line)分析系統(tǒng)，以及液體熔渣的在線檢測系統(tǒng)；(3)華中科技大學研制成功一套LIBS裝置；(4)國內還研制有基于LIBS的煤粉、鋼水專用分析設備。
LIBS分析的數(shù)據(jù)處理方法研究主要集中在數(shù)據(jù)預處理與模型校準兩方面。數(shù)據(jù)預處理包括去噪、光譜標準化等方法；模型校準多采用基于PLS的多元統(tǒng)計方法。而中國LIBS數(shù)據(jù)處理方法研究水平處于世界的前沿。
LIBS最適合的應用是在固體及工業(yè)現(xiàn)場、在線監(jiān)測方面，國外亮眼的研究主要有：(1)美國Lawrence Berkeley National Laboratory的V. Zorba等利用fs-LIBS對鋰離子燃料電池進行元素檢測，利用LIBS分別對電解質、陰極、陽極材料進行逐層元素分析；(2)法國Université de Lyon的V. Motto-Ros等利用LIBS對金屬元素在腎臟中的沉積情況進行分析。
國內LIBS應用研究非常豐富，主要有：(1)中國清華大學、山西大學、華南理工大學聯(lián)合研制的離線快速煤球分析設備，其分析結果接近國家標準方法；(2)國內也有研究團隊利用LIBS在線測量合金鋼、爐渣、鋼液，為鋼鐵質量控制提供半定量結果，大大節(jié)約能源；(3)中國海洋大學等在海洋勘探中采用了LIBS技術；(4)大連理工大學通過LIBS技術原位監(jiān)測面向等離子體材料成分的變化等；(5)西北師范大學、江西農業(yè)大學采用LIBS技術檢測農產品(如橙色、枸杞葉)中的重金屬元素；(6)其他應用，北京理工大學在炸藥、清華大在燃燒物、西北師范大學在電池、中國海洋大學在石油鉆探等領域都有較好的研究成果。
最近幾年，中國LIBS團隊得到了飛速的發(fā)展，已經成為亞洲LIBS研究的中心(亞洲已經成為與歐、美并列的三大研究中心)。從定量的角度來說，中國和世界科研者站在同一起跑線，但是中國的應用背景具有巨大的市場，是LIBS發(fā)展的新興和推動力量。
