主题：【分享】LIBS元素分析测量系统介绍

LIBS元素分析测量系统
概要 LIBS2000+宽带光谱仪是一套探测系统，用于实时分析固态、液态和气态物质中的元素组成，这个高分辨率的系统提供从200-980nm的全光谱分析，分辨率为~0.1 nm(FWHM)，特别适用于元素鉴定、材料分析、环境监测和军事。 LIBS2000+光谱仪 LIBS2000+光谱仪是一套定性和定量测量固体及液体、气体中的元素的实时探测系统。这套宽带、高分辨率系统可提供波长200-980nm的光谱分析，分辨率为0.1nm（FWHM），灵敏度可为十亿分之几和皮克等级。LIBS2000+系统基本配置低于3万美元。LIBS2000+采用7个HR2000高分辨率光谱仪，每个光谱仪都配有2048象素的CCD探测器阵列，这个多通道光谱仪系统通过一个USB口和PC相连。所有7个光谱仪同时进行数据采集，软件同时显示结果。 标配的激光器是一台Big Sky公司提供的50mJ的激光器，配有一个电源适配器。信号通过600 μm芯径的UV-VIS光纤束收集，每根光纤的末端都安装了准直透镜。样品室配有一个远程激光安全锁。 工作原理 一束高亮度脉冲Nd:YAG激光聚焦在测试样品上，并距样品几个厘米至一米远。一个10纳秒脉宽的激光脉冲即可激活测试样品。激光发射后，激光束的高温会产生等离子体。在等离子体冷却湮灭的过程中，等离子体束中被激活的原子会发射出与元素有关的特性光谱。所有元素的发射光谱都在200-980nm的波长范围内。 LIBS2000+的优点 传统的激光诱导分解光谱仪（LIBS）的测量光谱范围都很小，LIBS2000+是世界上第一个可提供宽带光谱分析（200-980nm）的系统。您可在恶劣的环境中进行实时测量--几乎不用或完全不需要样品准备--LIBS2000+可广泛应用于材料分析、环境检测、刑事侦破和医学研究、艺术品修补后的分析、军事及安全应用等。 应用 LIBS技术可广泛应用于多种不同领域   • 环境检测 （土壤污染、粉尘等）   • 材料分析 （金属材料、塑料等）   • 医学与生物研究 （牙齿、骨骼等成分分析）   • 军事及安全应用 （炸药成分、生化武器成分分析     等）   • 艺术保存品成分分析 （色料、远古金属等） 其它特点 LIBS2000+外壳为标准3U机柜，使用方便。LIBS2000+通过USB接口直接与计算机相连，使用非常方便。 其它配件 LIBS2000+由七通道光谱仪系统和所有必要的线缆组成。您可用任何一个能量大于等于30mJ的Q开关脉冲激光器来激光测试样品。厂家推荐产品为Big Sky Laser公司的超短脉冲Nd:YAG激光器。另外，我们可提供样品腔和OOILIBS运行软件（用于运行LIBS2000+及开启激光）。 测量 OOILIBS软件允许用户进行一些参数设置，例如激光Q开关延时（介于激光发射和开始数据采集之间的时间）和对激光脉冲信号的平均。 配置 1. LIBS2000+ 激光诱导击穿光谱仪 2. LIBS-FIBER-BUN 3. LIBS-LASER Nd:YAG 50 mJ激光器（由Big Sky激光公司提供） 4. LIBS-SC 样品室 5. OOILIBS 软件 LIBS2000+光谱测试实例- LIBS2000+测得的几种炭疽热切片的光谱曲线 以上光谱测试结果由美国军队研究实验室及美国军队士兵生化控制中心提供。 特 性 参 数 外形尺寸：   84HP × 3U带把手机柜   (130mm×483mm×   350mm)   重量：   13公斤 （仅光谱仪系统）   功率消耗：   1A@5VDC （仅光谱仪系   统）   探测器：   7个2048像素的线型硅CCD   阵列，总14336像素   波长范围：   200-980nm   光学标准：   高分辨率   光学分辨率：   ～0.1nm（FWHM）   帧频：   最大可10Hz（计算机控制）   积分时间：   2.1ms，自由运行模式时可   改变   触发延迟：   -121us～+135us，步长   500ns（计算机控制）   触发抖动：   +/-250ns   触发水平：   TTL不超过5.5V   计算机接口：   USB接口   采样光纤：   长2m的多模采样探头，   SMA接头，带准直透镜   运行系统：   Windows 98/Me/2000/XP 用于国防的LIBS技术 在早期LIBS应用中，多种相类似的杆菌孢子可以沉积在银膜过滤器上，应用宽带激光诱导击穿光谱技术（LIBS）来分析。通过观测到各种孢子具有不同的光谱 ——枯草杆菌, 嗜热脂肪地芽孢杆菌和短小芽胞杆菌——证实了海洋光学LIB2000+激光诱导击穿光谱仪具有分解复杂生物样品的威力。 孢子独特谱线的存在及不同谱线组合，可以实现不同孢子的鉴别。当大多数独特的峰值都出现在嗜热脂肪地芽孢杆菌的光谱中，可以观察到所有孢子光谱之间的区别。孢子特征线，如外轮廓线和矿化表层，可能是形成不同光谱的原因。 在杆菌孢子和其它一些核酸和蛋白质生物分子的实验结果报告中，都提供了令人激动的证据，验证了LIBS2000+的优秀分辨能力。事实上，我们已经和军方研究实验室合作开发了便携式LIBS系统，用于野外生化战剂的测量。这个系统每隔一两秒就能完成一次整体分析，它的体积足够小，可以放在背包中，并且只需极少的电力就能正常工作。

塑料的分类与回收
塑料制品充斥着现代人的生活，从工程塑料到食品包装、医疗器械，成为各行业不可替代的
重要材料。然而在享受便利的同时，塑料废弃品带来的环境问题也日益得到关注。
塑料是汽油的衍生制品，主要成分为碳氢化合物，但也含有各种有毒害的添加剂，比如抗氧
剂、增塑剂、填充剂、染色剂、稳定剂等，其中尤以含重金属颜料对环境的危害最大，如何
在塑料回收过程中避免重金属的二次污染，在塑料的分类环节面临巨大挑战。
激光击穿光谱法LIBS 可以对塑料的不可降解成分进行迅速、准确的在线分析，确定其中微
量金属的成分及含量，为塑料分类和重金属前期处理提供了高效便捷的工具。
实验步骤
◎实验中将废弃塑料杯放入微波反应器熔融液化，再经多种有机溶剂溶解回收，最终获得塑
料不可溶解部分压制成小球，作为LIBS 的检测对象。
◎检测系统采用海洋光学LIBS2000+，200-620nm，分辨率0.1nm，Nd：YAG 激光器脉宽8ns，
脉冲强度50-120mJ，光纤与等离子焰距离10mm。
◎ICP 法用与验证LIBS 数据的有效性。
◎含量标定方面，将需检测金属的单质粉末以不同比例与不可溶解塑料基体混合，并经研磨，
制成标准品，从标准品的LIBS 图谱得到各种金属的标准曲线。如下图（图1）为根据Cu
521.82nm 处的谱线强度得到的Cu 含量标准曲线。
图1：塑料杯回收产生的不可溶解部分的LIBS 图谱

结果
图2：LIBS 得到的Cu 含量标准曲线

从图2 中可以看到样品中含有18 种微量金属元素Co、Fe、V、Ni、Pb、P、Mo、Mg、Ag、Ca、
S、Si、Al、Ti、Mn、B、Cd、Cu。
图3：LIBS 与ICP 方法检测得到的塑料中各种微量金属元素的含量

根据标准曲线可以得到各元素在塑料不可溶部分的含量（如图3 所示），与ICP 检测结果基
本吻合，其中Ag、Al、Fe、Co、V、Ni、Pb、Mn 和Cd 的含量不能达到安全排放标准。
实验表明，LIBS 能够进行快速准确的分析塑料中重金属含量，是塑料回收中的理想工具。
生物危害品的鉴别
9.11 事件后生物战成为国家安全的最大威胁之一：细菌，真菌，病毒，生物毒素无法靠肉
眼辨识，然而一旦与之接触，就有性命之忧。
LIBS 作为理想的生物危害品探测器，具有快速，高灵敏，可远程检测，无需样品制备等优
点，对生物危害品的鉴别主要通过其原子元素成分，因此具有普适性，比如对于一些细菌来
说，钙，钾，钠的含量多少决定了它们的品种。
▶Tips：由于飞秒状态的等离子体温度低于纳秒状态，因此采用飞秒激光器对于痕量矿物元
素比如钾将具有更高的识别能力。
鉴别装置
检测装置采用LIBS2000+，全波段分辨率0.1nm，波长范围200-650nm，因此可以观察到样
品中所有成分的谱线，1064nmNd：YAG 激光器（~1Hz，35mJ），实验对象为真菌孢子样品，
以及花粉等干扰物样品，在植入树脂的铜质基片上涂漆，漆面硬化后，吸附薄层孢子或干扰
物样品待测。
图1：实验装置示意图

结果
图2：(a)枯牙草杆菌孢子 (b)桦树花粉孢子 (c)铜器表面霉菌孢子 (d)
枯草杆菌孢子 (e)橡木花粉 (f)枝孢霉孢子的LIBS 图谱

如图2 所示为样品中主要的谱线成分，其中铜来自基底，其他的都源于测试样品。通过PCA
主成分分析法和线性判别分析法，建立训练集和验证集，实现了对各类真菌孢子与干扰物的
识别。