激(jī)光誘導(dǎo)等離子(zǐ)體光譜技術(shù)（LIPS）亦稱激光(guāng)誘導擊穿(chuān)光譜技(jì)術（LIBS），它(tā)利用激(jī)光擊(jī)穿產(chǎn)生等離子體(tǐ)，並根(gēn)據元素特(tè)征(zhēng)光(guāng)譜的波長(cháng)和強度分(fēn)析樣品的(dí)元素(sù)種類和(hé)含(hán)量(liáng)，在核材(cái)料(liào)，氣溶膠，放射性(xìng)汙(wū)染(rǎn)物，礦物探測(cè)等領域(yù)應用廣泛。《名家(jiā)專(zhuān)欄》激(jī)光等(děng)離子體光譜(pǔ)技(jì)術（LIPS）係(xì)列專欄(lán)第三篇文章，邀請(qǐng)中國原子(zǐ)能(néng)科學研究院高(gāo)智(zhì)星研(yán)究員及(jí)其團隊，分享LIPS在氣溶(róng)膠成份(fèn)現(xiàn)場實時監(jiān)測的應(yīng)用。

數年(nián)前(qián)，霧霾(mái)事件(jiàn)曾(zēng)經一度覆(fù)蓋(gài)大半個(gè)中國(guó)（圖1），成(chéng)為當時的熱點(diǎn)話題(tí)。所(suǒ)謂的(dí)“霧(wù)霾(mái)"，就(jiù)是(shì)一種(zhǒng)典型的(dí)顆粒物(wù)氣溶膠。一(yī)般認為，非(fēi)法的工業排(pái)放容易(yì)誘發(fā)大氣(qì)汙(wū)染事件(jiàn)。為開展大氣汙(wū)染的(dí)來(lái)源解(jiě)析(xī)和防治(zhì)，科(kē)技(jì)人員(yuán)在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展(zhǎn)了大(dà)量(liáng)的(dí)汙染物(wù)成份(fèn)分析(xī)工作。常用(yòng)的(dí)實驗室(shì)分析手(shǒu)段(duàn)包括(kuò)電感耦(ǒu)合(hé)等(děng)離(lí)子(zǐ)體光(guāng)譜(pǔ)（ICP-OES），質譜和化學分析(xī)等(děng)。它們通(tōng)常(cháng)需要(yào)進(jìn)行(háng)一(yī)定(dìng)周期的濾膜取樣(yàng)和預處理。由於大(dà)多數(shù)霧霾事(shì)件的持續時間在48小時(shí)以內(nèi)，這些基(jī)於現場采(cǎi)樣-實驗(yàn)室分析的(dí)傳統方法還(huán)無(wú)法(fǎ)完*滿足汙(wū)染事(shì)件(jiàn)的實(shí)時源解(jiě)析(xī)和(hé)動(dòng)態響(xiǎng)應需求。有(yǒu)鑒於此，科(kē)技人(rén)員仍(réng)在(zài)積極開發能滿(mǎn)足霧(wù)霾成份現(xiàn)場，在綫(xiàn)，實時監測的技(jì)術方案，比(bǐ)如在綫(xiàn)采(cǎi)樣(yàng)的X射綫熒光（online-XRF），甚至(zhì)無需采樣的(dí)激光等(děng)離子(zǐ)體光譜技(jì)術。

圖(tú)1，霧(wù)霾(mái)事(shì)件(jiàn)的典(diǎn)型場景(來源(yuán)於(yú)網絡圖(tú)片(piàn))和曾經(jīng)的(dí)空(kōng)間分(fēn)布範圍(wéi)（來源於Berkeley Earth）

由於核工(gōng)業的特(tè)殊(shū)性(xìng)和(hé)敏(mǐn)感性(xìng)，核行業(yè)歷(lì)來(lái)極其重視工作(zuò)場所，核(hé)設(shè)施(shī)排放(fàng)物和周邊環境的氣溶膠成份監測(cè)，也非(fēi)常重視諸(zhū)如(rú)激(jī)光光譜等非傳統氣(qì)溶(róng)膠成份探測技術的(dí)發展。如前所述(shù)，美國洛斯阿拉莫斯實驗室(shì)（LANL）早(zǎo)在(zài)上(shàng)世(shì)紀(jì)80年代(dài)就嘗試(shì)利(lì)用激光等離(lí)子(zǐ)體(tǐ)光譜(pǔ)進行核(hé)部(bù)件(jiàn)車(chē)間(jiān)氣溶膠中(zhōng)有害(hài)成(chéng)份——鈹(pí)的監測(cè)，對(duì)鈹(pí)元素的(dí)靈敏度達(dá)到了(liǎo)0.6 ppb（相當於(yú)0.8 μg/m³），並推出了(liǎo)移(yí)動式(shì)鈹氣(qì)溶(róng)膠探(tàn)測(cè)裝(zhuāng)置（MoBeDec）。

歷(lì)*上(shàng)幾次(cì)比較重(zhòng)大(dà)的核事(shì)故(gù)，比(bǐ)如(rú)切爾諾貝(bèi)利核電(diàn)站(zhàn)事故(gù)和最近(jìn)的福(fú)島核(hé)事故(gù)，都(dū)伴隨著(zhuó)放(fàng)射性氣溶膠等(děng)有(yǒu)害(hài)物質的(dí)釋(shì)放(fàng)（圖2）。如果(guǒ)能及時探測(cè)到微(wēi)量甚(shèn)至痕量有(yǒu)害(hài)成(chéng)份的釋放並(bìng)發(fā)出預(yù)警信(xìn)息(xī)，無疑(yí)對(duì)於避免(miǎn)核(hé)事(shì)件的發生(shēng)，保(bǎo)障設施，人員和(hé)環(huán)境安全(quán)都具有重要(yào)價(jià)值。研(yán)究(jiū)團隊在實驗(yàn)室模擬了福(fú)島(dǎo)事故的氣(qì)溶膠釋放過(guò)程並嘗試利用LIPS技(jì)術(shù)開展鈾(yóu)元(yuán)素的(dí)實(shí)時探(tàn)測(cè)（圖(tú)3）。實(shí)驗證(zhèng)實，利用激光等(děng)離子體光譜(pǔ)直接(jiē)監測核事(shì)件釋放(fàng)的(dí)含(hán)鈾氣溶(róng)膠(jiāo)可(kě)以(yǐ)將響應時(shí)間壓縮到秒量(liáng)級(jí)，這(zhè)無(wú)疑(yí)將(jiāng)為(wéi)核事故的(dí)預警提供(gōng)一定(dìng)的緩衝時間。

圖2 福(fú)島核(hé)事(shì)故場(cháng)景（來源於網(wǎng)絡圖片）及在周邊監(jiān)測(cè)到的放射性(xìng)氣溶(róng)膠強度(dù)[1]

圖(tú)3實驗(yàn)室(shì)對事(shì)故排放和監測過程的模(mó)擬(nǐ)[2]

但(dàn)是常(cháng)規(guī)的(dí)LIPS裝置(zhì)對(duì)重元(yuán)素的(dí)探(tàn)測(cè)靈敏(mǐn)度並不理想(xiǎng)，僅(jǐn)僅在數(shù)PPM量(liáng)級。考慮到(dào)幹空(kōng)氣(qì)的密度(dù)（1.209 kg/m³），這(zhè)個探(tàn)測限相(xiāng)當於要求每立(lì)方米(mǐ)空氣(qì)中(zhōng)元素含量(liáng)要(yào)達(dá)到毫(háo)克量級。經歷過(guò)霧霾事件(jiàn)的朋友(yǒu)都知(zhī)道(dào)，這是(shì)一個(gè)相當(dāng)恐(kǒng)*的數值——這意味(wèi)著空(kōng)氣質量(liáng)已經“爆(bào)表(biǎo)"，能見(jiàn)度極(jí)差。激光(guāng)的強度(dù)在(zài)這樣的(dí)工(gōng)作環境中會嚴重衰減，這無疑(yí)是對(duì)LIPS裝置現場適用(yòng)性的(dí)嚴重挑(tiāo)戰。實際上，核行業(yè)有時候會要(yào)求對關鍵元(yuán)素(sù)的(dí)探(tàn)測(cè)限(xiàn)接近甚至低於環境本(běn)底(dǐ)水平（每立方米空(kōng)氣納(nà)克(kè)量(liáng)級或(huò)者更低）。

為(wéi)彌補常規(guī)LIPS裝(zhuāng)置探(tàn)測(cè)限和應用需(xū)求(qiú)的鴻溝，研(yán)究團(tuán)隊係統地對(duì)顆(kē)粒物等(děng)離子體(tǐ)激光(guāng)激發過程，等離(lí)子(zǐ)體(tǐ)閃(shǎn)光收(shōu)集(jí)過(guò)程和(hé)數據處(chǔ)理(lǐ)過程進行(háng)了分析(xī)和(hé)平衡。利(lì)用(yòng)顆粒物和氣(qì)體(tǐ)分子(zǐ)運(yùn)動慣(guàn)量(liáng)的差異建立了(liǎo)顆粒(lì)物氣(qì)溶膠的空氣動力學(xué)聚焦(jiāo)係(xì)統(tǒng)，將激光(guāng)與氣流相互(hù)作用區域(yù)的顆(kē)粒數密(mì)度提升(shēng)了(liǎo)兩個(gè)數量(liáng)級(jí)，從而有(yǒu)效提升(shēng)了激(jī)光脈(mài)衝在單(dān)位時間(jiān)激(jī)發顆粒(lì)物(wù)等離(lí)子(zǐ)體的概率，縮短(duǎn)了測量周(zhōu)期（圖5）[3]。同時設計了(liǎo)一個封(fēng)閉的等離(lí)子體(tǐ)閃(shǎn)光收集腔以(yǐ)提升係統的(dí)光信號幾何收集(jí)效率(shuài)，預期(qī)光譜強度(dù)可以提升(shēng)50倍。實際上(shàng)，由(yóu)於腔(qiāng)體對(duì)等(děng)離子(zǐ)體(tǐ)的(dí)約(yuē)束效應，原子譜綫的(dí)強度提(tí)升了近(jìn)兩個數(shù)量級（圖(tú)6）[4]。

圖(tú)5，空氣(qì)動(dòng)力(lì)學聚(jù)集裝(zhuāng)置示意圖及應(yīng)用(yòng)效果[3]

圖6，4π全立體(tǐ)角(jiǎo)等離子體閃(shǎn)光(guāng)收(shōu)集(jí)腔示意圖及應用效(xiào)果[4,8]

顆(kē)粒物(wù)氣(qì)溶膠(jiāo)的光(guāng)譜處理方法(fǎ)主要(yào)由(yóu)整體平(píng)均(jūn)法(fǎ)，條(tiáo)件(jiàn)分析(xī)平均(jūn)法(fǎ)，它們的區別主(zhǔ)要在於(yú)如(rú)何考慮(lǜ)擊穿(chuān)概(gài)率對(duì)目(mù)標(biāo)譜綫(xiàn)強度和探測(cè)靈敏度(dù)的(dí)影響(xiǎng)（圖7）。研究(jiū)團(tuán)隊在此基礎上(shàng)發(fā)展(zhǎn)出(chū)基(jī)於實時(shí)條(tiáo)件濾(lǜ)波的數值(zhí)積(jī)分(fēn)光譜分析(xī)方法(fǎ)，利(lì)用固定時(shí)間(jiān)周(zhōu)期(qī)內目(mù)標譜綫的(dí)條件(jiàn)濾(lǜ)波和累(léi)計進一步(bù)改善了目標譜(pǔ)綫的強度(dù)特征(zhēng)和探測靈敏(mǐn)度[5，6]。

圖7，三種數(shù)據(jù)處(chǔ)理方式獲(huò)得的目標(biāo)譜綫強度和(hé)靈敏度（測量(liáng)時(shí)間10min）[6]

基於上述(shù)手(shǒu)段，研究團隊建立(lì)了一套“增(zēng)強(qiáng)型(xíng)"氣(qì)溶(róng)膠(jiāo)成份(fèn)LIPS實時監測裝(zhuāng)置(zhì)，實(shí)驗室定(dìng)標結果顯(xiǎn)示裝(zhuāng)置對鈾元素的探測(cè)限接近10 ng/m³，對(duì)鍶元(yuán)素的(dí)探(tàn)測限達(dá)到1.8 ng/m³，已(yǐ)經接(jiē)近環(huán)境本(běn)底(dǐ)水(shuǐ)平(píng)（圖(tú)8）[7，8]。事實(shí)上(shàng)，研(yán)究團(tuán)隊(duì)在(zài)空氣汙染事件中進行的場(cháng)地(dì)測試表明(míng)，裝(zhuāng)置可以(yǐ)10分鐘的(dí)時間分(fēn)辨(biàn)率連(lián)續監(jiān)測開(kāi)放空(kōng)氣中(zhōng)元素濃度的演(yǎn)化過(guò)程（圖(tú)9），為汙(wū)染(rǎn)事(shì)件的(dí)實(shí)時(shí)動態源解析(xī)和(hé)預警預報提供支(zhī)持[8]。

圖8 實(shí)驗(yàn)室定標觀測到(dào)的(dí)光(guāng)譜(pǔ)和對(duì)應譜(pǔ)綫的(dí)探(tàn)測(cè)靈(líng)敏度[7]

圖9 增(zēng)強(qiáng)型(xíng)氣溶膠成份(fèn)監測樣機(jī)和對大(dà)氣汙(wū)染過程的監測結果

氣溶膠(jiāo)成份的(dí)激(jī)光(guāng)等(děng)離(lí)子體(tǐ)光(guāng)譜監測裝(zhuāng)置目前(qián)所能實現的精確度(dù)和準(zhǔn)確(què)度還難以和實驗室(shì)分析(xī)手段相(xiāng)比(bǐ)，但(dàn)是(shì)它的投資和對(duì)操作人(rén)員的要求(qiú)相(xiāng)對較低，具(jù)有(yǒu)較好(hǎo)的(dí)經(jīng)濟性(xìng)，現場適用(yòng)性(xìng)，可以實(shí)現多(duō)元素的(dí)高靈敏(mǐn)度快速探測，獲取(qǔ)“第一(yī)手(shǒu)"的環境(jìng)成份數據。因此(cǐ)，基(jī)於激光(guāng)等離子體(tǐ)光譜(pǔ)的氣溶膠成份探(tàn)測(cè)裝置在對精(jīng)準度相(xiāng)對(duì)寬(kuān)容而(ér)對時(shí)效性(xìng)要求較高(gāo)的氣溶(róng)膠成份直接監測和有(yǒu)毒有害成份預(yù)警等(děng)領(lǐng)域具備較(jiào)大的(dí)發(fā)展和(hé)應用空間。當然(rán)，如果光譜儀的(dí)分辨(biàn)率(shuài)足夠(gòu)高(gāo)，也可以(yǐ)開展(zhǎn)氣溶膠中(zhōng)某些核素(sù)豐(fēng)度(dù)的直接測量(liáng)。

主要參考文(wén)獻(xiàn)：

[1]. Takeyasu,Nakano,Fujita,et al.Results of environmental radiation monitoring at the Nuclear Fuel Cycle Engineering Laboratories, JAEA, following the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant accident[J].J NUCL SCI TECHNOL, 2012, 2012,49(3)(-):281-286.DOI:10.1080/00223131.2012.660014.

[2]. He H, Gao Z, He Y, et al. Investigation on in situ and real-time monitoring of uranium aerosol from emergency emission after accidents by Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)[C]//AOPC 2022: Optical Spectroscopy and Imaging. Proc. SPIE 12558: 1255802.(2023)

[3]. Yun He, Hongyu He, Zhixing Gao, Improvement on the plasma excitation probability of aerosol particles based on aerodynamic lens[C] Advanced Fiber Laser Conference (AFL2022), "Proc. SPIE 12595: 1259526 (2023);

[4]. 韓麗(lì)璇,高(gāo)智星,湯(tāng)秀(xiù)章.一(yī)種增強(qiáng)型等(děng)離子(zǐ)體(tǐ)發光信(xìn)號收集器: CN2.4[P]. CN204832034U.

[5]. 何洪鈺,高智星,何運.一(yī)種基(jī)於實時(shí)條件濾波的數值積分(fēn)光譜分析方(fāng)法(fǎ):2[P]

[6]. 何洪鈺(yù),高智星,何運,等.激光(guāng)誘導等離(lí)子體光(guāng)譜直接探(tàn)測(cè)氣溶(róng)膠中(zhōng)的(dí)鍶元素(sù)[J].光(guāng)學精密(mì)工(gōng)程, 2023, 31(19):2827-2835.

[7]. Hongyu He, Zhixing Gao, Heng Tian, et al,Continuous emission monitoring the trace Sr from simulant aerosol emission with LIPS[J],Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy,2024,220:107015

[8].  Zhixing G , Fengming H , Hongyu H ,et al.Field test of an enhanced LIPS to direct-monitor the elemental composition of particulate matters in polluted air[J].Microwave and Optical Technology Letters, 2023,

人物(wù)介紹

高智星，研究(jiū)員，主要從(cóng)事(shì)激(jī)光(guāng)與(yǔ)物質(zhì)相(xiāng)互(hù)作(zuò)用，激光(guāng)等(děng)離(lí)子(zǐ)體光(guāng)譜研究。參與並(bìng)負責科(kē)技(jì)部(bù)，裝備發(fā)展(zhǎn)部多項(xiàng)科技(jì)發展項目。相關(guān)工(gōng)作發表(biǎo)論文(wén)20餘篇(piān)，授權專*10餘(yú)項(xiàng)，擔任Matter and Radiation at Extremes等期刊(kān)審稿人(rén)。

免(miǎn)責(zé)說(shuō)明(míng)

北(běi)京卓立漢光儀(yí)器有限(xiàn)公司公眾號(hào)所發(fā)布內(nèi)容（含圖片(piàn)）來源(yuán)於原作者(zhě)提供或原(yuán)文(wén)授(shòu)權(quán)轉載。文章(zhāng)版(bǎn)權，數據(jù)及(jí)所(suǒ)述觀(guān)點歸(guī)原作(zuò)者原出(chū)處(chǔ)所(suǒ)有(yǒu)，北京卓立漢(hàn)光儀器有(yǒu)限(xiàn)公司(sī)發布(bù)及轉(zhuǎn)載目(mù)的在於(yú)傳遞(dì)更(gēng)多信息及用於(yú)網絡分享。

如(rú)果您認(rèn)為(wéi)本(běn)文(wén)存(cún)在侵權之處，請與我們(mén)聯(lián)係，會第(dì)一時間(jiān)及時(shí)處理。我(wǒ)們力求(qiú)數(shù)據嚴謹(jǐn)準(zhǔn)確， 如有任(rèn)何(hé)疑問(wèn)，敬(jìng)請讀者不吝(lìn)賜教。我們(mén)也(yě)熱(rè)忱歡(huān)迎(yíng)您(nín)投稿並發(fā)表您(nín)的(dí)觀點和見解。