《名家(jiā)專(zhuān)欄》激光(guāng)等離子體光(guāng)譜技術(shù)（LIPS）係列專欄第六篇(piān)文章(zhāng)，邀請中(zhōng)國原子能科學研(yán)究(jiū)院高智星研究員(yuán)，王遠航老(lǎo)師及其(qí)團(tuán)隊，對幾種激光誘導(dǎo)等(děng)離(lí)子體光譜(pǔ)增強(qiáng)技術進行(háng)全麵介(jiè)紹(shào)。

激光(guāng)誘導(dǎo)等離子(zǐ)體(tǐ)光譜（laser-induced plasma spectroscopy, LIPS）技(jì)術(shù)是(shì)一種原子光譜(pǔ)分(fēn)析(xī)技術(shù)，原理(lǐ)如(rú)圖(tú)1所(suǒ)示(shì)。該(gāi)技術通過將高(gāo)能激光脈衝直接聚(jù)焦於樣(yàng)品表麵(miàn)，瞬(shùn)間(jiān)完成取樣，原(yuán)子(zǐ)化(huà)及激發的全(quán)過(guò)程，同時利(lì)用(yòng)光譜(pǔ)儀(yí)采集樣品表麵激光誘導等(děng)離(lí)子體的(dí)發射光譜，完(wán)成(chéng)被(bèi)測(cè)樣品所含元素的定(dìng)性和(hé)定(dìng)量分(fēn)析[1]。與(yǔ)原(yuán)子熒(yíng)光(guāng)光譜(pǔ)法（AFS），原子吸(xī)收光譜(pǔ)法(fǎ)（AAS），（ICP-AES），電感(gǎn)耦(ǒu)合(hé)等離子(zǐ)體質(zhì)譜法（ICP-MS）等常規檢測方法相比，LIPS無(wú)需(xū)復(fù)雜的(dí)樣(yàng)品前(qián)處(chǔ)理(lǐ)，具有操作簡(jiǎn)單，檢測速(sù)度快，可原位(wèi)檢測，可現場檢(jiǎn)測，可實時檢(jiǎn)測(cè)等優(yōu)點[2,3]。然而(ér)，與現有(yǒu)成熟(shú)的(dí)元(yuán)素檢測(cè)技術(shù)相比(bǐ)，LIPS檢測(cè)靈敏(mǐn)度較低，製約(yuē)了LIPS技術的推廣和應用(yòng)；因此，激光誘導等離(lí)子體(tǐ)光譜增強(qiáng)技術(shù)被廣泛的(dí)關注和研究。雙脈(mài)衝增強LIPS，磁(cí)約束(shù)增強(qiáng)LIPS，空間(jiān)約束增強(qiáng)LIPS，納(nà)米顆粒增強LIPS是(shì)目前常(cháng)用(yòng)的LIPS增強技(jì)術(shù)，本文(wén)對以(yǐ)上(shàng)技(jì)術進行介紹(shào)，並對其(qí)技(jì)術原(yuán)理(lǐ)和技(jì)術(shù)特(tè)點進行分(fēn)析(xī)。

圖1. LIPS技(jì)術原理示(shì)意圖

雙脈衝增強LIPS（DP-LIPS）

雙(shuāng)脈(mài)衝(chōng)增(zēng)強LIPS（Double-Pulse LIPS, DP-LIPS）是一(yī)種簡單(dān)，有效的等離子體輻射(shè)光譜增強方(fāng)法(fǎ)，通過(guò)將兩(liǎng)束激光(guāng)按(àn)時(shí)間先(xiān)後順(shùn)序燒蝕樣(yàng)品(pǐn)，可(kě)以獲(huò)得比(bǐ)傳統單脈衝(chōng)LIPS更(gēng)強的(dí)等(děng)離(lí)子體輻(fú)射光譜。根據兩(liǎng)束(shù)激(jī)光的空間關係和時(shí)間順序，雙脈(mài)衝(chōng)LIPS可以分為共(gòng)綫雙(shuāng)脈(mài)衝LIPS，正交預燒(shāo)蝕(shí)雙脈衝LIPS，正交再加熱(rè)雙脈衝LIPS和(hé)交叉雙(shuāng)脈衝(chōng)LIPS，如(rú)圖2所示。

共(gòng)綫(xiàn)雙脈衝LIPS的兩(liǎng)束脈(mài)衝激(jī)光(guāng)采用共(gòng)光路(lù)設計，第一束(shù)激光經過透鏡聚焦(jiāo)後垂直照射在樣品表(biǎo)麵並產生(shēng)等(děng)離子(zǐ)體，第(dì)二束激光在(zài)延(yán)時(shí)後經(jīng)過同一光(guāng)路聚(jù)焦(jiāo)並(bìng)作用(yòng)於(yú)等離子體，對(duì)等離(lí)子(zǐ)體(tǐ)加熱(rè)，提(tí)高(gāo)等(děng)離子體輻(fú)射光(guāng)譜強(qiáng)度[4]。正(zhèng)交預(yù)燒蝕雙脈衝(chōng)LIPS兩束(shù)脈衝(chōng)激(jī)光采(cǎi)用正交(jiāo)設(shè)計(jì)，第一束激(jī)光平(píng)行(háng)於(yú)樣品表麵入(rù)射(shè)並(bìng)擊穿(chuān)空(kōng)氣，第二束激(jī)光在延時(shí)後垂直於(yú)樣(yàng)品(pǐn)表麵(miàn)入(rù)射(shè)並產(chǎn)生等離子體；由於第一束(shù)激光擊(jī)穿(chuān)空(kōng)氣後(hòu)導致環境氣體(tǐ)變(biàn)得稀薄(báo)，為(wéi)等(děng)離子體演化提供(gōng)了合(hé)適(shì)的(dí)氣(qì)體環(huán)境(jìng)，因此(cǐ)可(kě)以提高(gāo)離(lí)子輻射光譜(pǔ)強度[5]。正(zhèng)交(jiāo)再(zài)加熱雙脈(mài)衝LIPS中第(dì)一(yī)束激(jī)光垂直照射在樣品表(biǎo)麵，並產(chǎn)生激(jī)光誘導等離子體，第二束激(jī)光(guāng)在延時後(hòu)平行入射，對(duì)第(dì)一束激(jī)光產生(shēng)的等離子(zǐ)體(tǐ)進(jìn)行(háng)再次(cì)加(jiā)熱，提高等離(lí)子(zǐ)體輻射(shè)光譜(pǔ)強度。交叉雙脈衝LIPS兩(liǎng)束激光呈(chéng)一定角(jiǎo)度交叉(chā)配(pèi)置，按時間順(shùn)序(xù)先後入射(shè)樣品(pǐn)表麵，通(tōng)過對(duì)激(jī)光(guāng)誘(yòu)導等(děng)離子(zǐ)體(tǐ)二次加熱(rè)提(tí)高輻(fú)射光(guāng)譜(pǔ)強度[6]。

圖2. DP-LIPS雙脈(mài)衝空間及時序關(guān)係示意圖(tú)

空(kōng)間(jiān)約(yuē)束增強(qiáng)LIPS（ SC-LIPS）

空(kōng)間約束(shù)增強(qiáng)LIPS（Spatial Confinement LIPS, SC-LIPS）是(shì)一(yī)種(zhǒng)成(chéng)本(běn)較低(dī)的等(děng)離(lí)子(zǐ)體(tǐ)輻射光(guāng)譜增(zēng)強方法，通過采(cǎi)用空間約(yuē)束裝置(zhì)對(duì)等離子體(tǐ)的(dí)膨脹過程(chéng)進(jìn)行(háng)約束(shù)，可(kě)以提高等離(lí)子體輻射(shè)強(qiáng)度(dù)。激(jī)光(guāng)誘(yòu)導(dǎo)等離(lí)子(zǐ)體產(chǎn)生後，等離子體羽流(liú)向外(wài)快速膨脹，當膨脹(zhàng)過(guò)程(chéng)中(zhōng)撞到(dào)空(kōng)間約束裝(zhuāng)置時會產(chǎn)生(shēng)一個反作用(yòng)力，使等離(lí)子(zǐ)體壓縮，等離(lí)子體(tǐ)壓(yā)縮後(hòu)體積(jī)變(biàn)小，內部(bù)粒子(zǐ)碰撞幾率增加，導致等(děng)離子(zǐ)體輻射光(guāng)譜(pǔ)強度(dù)增加(jiā)[7,8]。常用(yòng)的空(kōng)間約束裝(zhuāng)置(zhì)有(yǒu)平行(háng)板，圓柱形腔，半(bàn)球形(xíng)腔等，約束(shù)腔(qiāng)結(jié)構(gòu)如(rú)圖3所示(shì)。

圖(tú)3. SC-LIPS裝置(zhì)結(jié)構示意圖

磁約束增強LIPS（MC-LIPS）

磁約(yuē)束增強LIPS（Magnetic Confinement LIPS, MC-LIPS）與空間(jiān)約束(shù)增(zēng)強LIPS具有相(xiāng)似(sì)的原理(lǐ)，都是(shì)通過約(yuē)束(shù)等離子體提(tí)高等離(lí)子體輻射(shè)強度。磁約束是通過磁場(cháng)的方式(shì)對等(děng)離子體(tǐ)進(jìn)行(háng)約(yuē)束，通過將待測(cè)樣品(pǐn)放置在(zài)電磁(cí)鐵或(huò)永磁體(tǐ)產生的磁(cí)場(cháng)中(zhōng)，激光照(zhào)射(shè)樣(yàng)品後(hòu)產生激(jī)光誘(yòu)導(dǎo)等(děng)離(lí)子體，等(děng)離(lí)子(zǐ)體在磁場中(zhōng)受到磁(cí)力約束(shù)，內部(bù)粒子碰撞(zhuàng)幾率增加，導致等(děng)離(lí)子(zǐ)體(tǐ)輻(fú)射光(guāng)譜(pǔ)強度(dù)增加[9,10]。磁約(yuē)束LIPS裝置結(jié)構如圖4所(suǒ)示。

圖(tú)4. MC-LIPS裝(zhuāng)置結構示意圖(tú)

微波(bō)增強LIPS（MA-LIPS或(huò)MW-LIPS）

微波增強(qiáng)LIPS（Microwave-Assisted LIPS, MA-LIPS或MW-LIPS）是(shì)一(yī)種將(jiāng)微波(bō)探針(zhēn)產生(shēng)的電(diàn)磁能直接作用於激(jī)光誘導(dǎo)等離(lí)子體(tǐ)的LIPS信號增強(qiáng)技術。MA-LIPS在傳統(tǒng)LIPS係統(tǒng)中(zhōng)引入了(liǎo)微波發(fā)射係統(tǒng)，微波發(fā)射係(xì)統(tǒng)可以產生高(gāo)能量，高頻率的(dí)微(wēi)波；在(zài)等離(lí)子體產(chǎn)生(shēng)過(guò)程中(zhōng)，微波所(suǒ)攜帶的電(diàn)磁(cí)能可以(yǐ)直接(jiē)耦(ǒu)合進(jìn)等(děng)離(lí)子(zǐ)體中(zhōng)，通(tōng)過對等離子(zǐ)體(tǐ)充能可以使等離(lí)子體溫度升(shēng)高，導致(zhì)內(nèi)部(bù)粒子碰撞加劇(jù)，從而提(tí)高等離子(zǐ)體(tǐ)輻射(shè)光譜(pǔ)強度，並(bìng)將(jiāng)等離(lí)子(zǐ)體(tǐ)壽命從(cóng)幾(jī)微(wēi)秒延(yán)長至幾(jī)百微(wēi)秒(miǎo)[11]。微(wēi)波增(zēng)強LIPS裝置結構如圖(tú)5所(suǒ)示(shì)。

圖5. MA-LIPS裝置結(jié)構示(shì)意圖

納米顆粒增強LIPS（NE-LIPS）

納米(mǐ)顆粒(lì)增強(qiáng)LIPS（Nanoparticle-Enhanced LIPS, NE-LIPS）通過將(jiāng)尺寸在納米至百納(nà)米量級的金(jīn)屬(shǔ)顆粒(lì)沉(chén)積(jī)在樣品(pǐn)表(biǎo)麵(miàn)，利用激光與納米顆粒(lì)作用過程(chéng)中納(nà)米(mǐ)顆粒傳導(dǎo)電(diàn)子(zǐ)震蕩和(hé)表(biǎo)麵(miàn)等離子激(jī)元(yuán)共(gòng)振提(tí)高激光(guāng)誘(yòu)導等離(lí)子體輻射(shè)光(guāng)譜強度。NE-LIPS的光譜(pǔ)增(zēng)強(qiáng)機理主要分為(wéi)兩(liǎng)個方(fāng)麵(miàn)：首先(xiān)，照(zhào)射(shè)在納(nà)米(mǐ)顆(kē)粒表麵的(dí)激光脈衝可以誘導納米(mǐ)顆粒中傳導電子(zǐ)產生相(xiāng)幹和集(jí)體(tǐ)振(zhèn)蕩，提高了納(nà)米(mǐ)顆(kē)粒(lì)附近(jìn)以及納米(mǐ)顆粒間隙的電場強度，在(zài)局部(bù)增強了入(rù)射激(jī)光的(dí)脈衝(chōng)能量，使激光誘導擊(jī)穿(chuān)光譜強(qiáng)度提升；其(qí)次，激光脈衝(chōng)與納米顆粒(lì)的(dí)表麵等(děng)離(lí)子(zǐ)激元共(gòng)振（Surface Plasmon Resonance, SPR），提高(gāo)了納(nà)米顆粒的(dí)熱吸(xī)收效(xiào)率，納(nà)米顆粒(lì)吸收了大部分激(jī)光能(néng)量並(bìng)有效加熱樣(yàng)品，使(shǐ)激(jī)光誘導擊穿光(guāng)譜(pǔ)強(qiáng)度提(tí)升[12]。圖(tú)6是納米(mǐ)金(jīn)增(zēng)強(qiáng)LIPS示意圖。

圖6. NE-LIPS示(shì)意(yì)圖

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人(rén)物介紹

高智星，研究(jiū)員，主(zhǔ)要從事激光與物質(zhì)相互(hù)作用，激(jī)光等(děng)離(lí)子(zǐ)體(tǐ)光譜研究(jiū)。參與(yǔ)並負(fù)責科技部(bù)，裝(zhuāng)備發(fā)展(zhǎn)部多項(xiàng)科技發展項目(mù)。相關(guān)工作發表(biǎo)論文20餘篇(piān)，授(shòu)權(quán)專*10餘項(xiàng)，擔任Matter and Radiation at Extremes等(děng)期(qī)刊審稿(gǎo)人(rén)。

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