清華大學王哲教授團隊最近在Frontiers of Physics發表的一篇論文[1]揭示了雷射誘導擊穿光譜分析中信號不確定性產生的物理機理。
Vincenzo Palleschi
Applied and Laser Spectroscopy Laboratory, Institute of Chemistry of Organometallic Compounds, Research Area of CNR, Via G. Moruzzi, 1–56124 Pisa, Italy
E-mail: vincenzo.palleschi@cnr.it
整整20年前，我在義大利比薩（Pisa, Italy）組織召開了第一屆國際雷射誘導擊穿光譜（Laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS）會議，這一活動首次將LIBS研究同仁聚集在一個國際會議上，極大地推動了雷射誘導等離子體光譜領域的研究[2]，以及該技術在工業診斷[3]、環境檢測[4]、生物醫學[5]、文化遺產[6]等領域的應用。
事實上，LIBS技術具有許多獨特的特點，包括設備簡單可靠、無需對樣品進行任何處理即可檢測等優點，這使其成為快速原位分析應用的極佳選擇[7]；另一方面，LIBS的實驗室分析應用並沒有與實驗室外應用以相同的速度增長，LIBS等離子體遠未達到光譜分析測量的理想狀態，它們在其存在周期的大部分時間內都是非穩定、不均勻和非熱平衡的[8]。自吸收[9]和基體效應使得光譜發射強度與分析物濃度之間的關聯變得困難，而使用雷射來燒蝕和激發樣品極大地限制了分別優化這兩個過程的可能性。測量過程中極小的燒蝕質量導致了強烈的信號波動，同時對於大多數感興趣的應用中，分析元素的檢出限較高。
在過去的20年裡，一些重要的研究表明，為了提高LIBS技術在實驗室中的性能，需要更好地理解雷射-樣品和雷射-等離子體相互作用的機理。1998年，加拿大的Sabsabi教授團隊提出了在LIBS分析中使用脈衝序列[10]來提高信背比的想法；1999年，我們在比薩提出了一種新的免標準樣品LIBS分析方法，稱為免定標LIBS（CF-LIBS）[11-13]，以克服基體效應和自吸收效應；2013年，義大利的De Giacomo教授團隊提出了使用金屬納米粒子[14,15]來增強LIBS信號並改善其分析性能的想法。這三項提高實驗室LIBS分析能力的關鍵改進方法是在北美和歐洲發展起來的，這反映了這樣一個事實：直到21世紀的頭十年，LIBS研究主要由美國、加拿大和歐洲國家主導。然而，情況在2014年開始發生變化，當時LIBS國際會議首次走出美國和歐洲-地中海地區，抵達中國北京。LIBS-2014國際會議的成功舉辦證明了亞洲地區在LIBS基礎研究和應用方面取得了巨大進展。
清華大學王哲教授所在的團隊在Frontiers of Physics上發表的論文[1]是其多年來辛勤工作的成果，經過這些年的努力，清華大學LIBS實驗室已經成為世界上最具影響力LIBS研究團體之一。王哲教授建立了一個LIBS歷史上最為先進和昂貴的實驗室，可能僅次於LIBS在火星空間應用實驗室[16]。他和他的同事們使用了三個增強型CMOS相機對雷射誘導等離子體進行成像，另外一個相機連接到階梯型光譜儀上進行時間分辨光譜採集，這使得他們能夠以更清晰的方式研究等離子體演化及其對LIBS信號的影響規律。
這個令人印象深刻的實驗證明了在雷射脈衝激發樣品產生等離子體後約140~170 ns的關鍵時間處，等離子體中開始出現不穩定性[1]。作者指出這種不穩定性是LIBS分析應用中信號波動和不確定性的主要來源。他們還解釋了這種不穩定性的產生機制，即等離子體受激波反作用力的影響，在向內反彈的過程中，放大了早期階段的微小形態變化，並導致不可避免的LIBS信號不穩定性(圖1)。
圖1 早期等離子體演化示意圖及圖像相關性。
References
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