卓立SCMOS光譜儀助力精準(zhǔn)土壤檢測：激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的探索

技術(shù)介紹：

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（Laser-induced breakdown spectroscopy，簡稱LIBS）作為一種近年來隨著激光及光譜學(xué)技術(shù)的發(fā)展而快速興起的新型光學(xué)元素分析技術(shù)，具有快速實時、可原位檢測及可遠(yuǎn)程測量等優(yōu)勢，被譽為“未來化學(xué)分析之星"。

2012年，美國宇航局（NASA）將LIBS 技術(shù)用于火星巖石成分探測，其測量原理是通過一束聚焦后的高能脈沖激光對火星巖石表面進(jìn)行燒蝕瞬間產(chǎn)生等離子體（一般在微秒甚至納秒級別），通過光譜儀等光學(xué)探測設(shè)備對等離子體發(fā)射光譜進(jìn)行探測分析，從而實現(xiàn)火星巖石中元素組成和含量測量，其原理如圖1 所示。

圖1：LIBS原理圖及LIBS在火星探測中的應(yīng)用

實驗裝置介紹：

LIBS測量系統(tǒng)主要由激光器、光譜儀、時序控制器、信號采集系統(tǒng)、激光光路系統(tǒng)以及位移平臺等部分組成，裝置圖如圖2所示。在本系統(tǒng)中，主要使用532 nm的激光作為樣品激發(fā)源，用于燒蝕樣品產(chǎn)生等離子體。采用DG535時序控制器實現(xiàn)激光器和光譜儀之間的信號同步，以保證等離子體光譜信號能被有效的采集。為了保證樣品測量的有效性，講樣品放置于三維位移平臺表面，測量過程中同時移動位移平臺，保證每次激光燒蝕樣品均為未燒蝕區(qū)域。在本系統(tǒng)光譜信號探測中，我們主要采用北京卓立漢光儀器有限公司自主研制的Omni-λ500i系列“影像譜王"光柵光譜儀進(jìn)行信號采集，以評估該光譜儀在LIBS土壤樣品測量中的可行性。

圖2：LIBS實驗裝置圖

產(chǎn)品應(yīng)用：

在土壤樣品測量過程中，為保證土壤樣品的均勻性，對土壤樣品進(jìn)行烘干研磨過篩以及壓片后進(jìn)行測量。為獲得較好的光譜信號，我們采用激光能量為50 mJ，SCMOS信號采集延時和門寬分別為1 us和5 us，光柵刻線選擇1200 lines/mm。最終土壤樣品光譜信號結(jié)果如圖3所示。

圖3：土壤樣品測量光譜圖（光譜儀選擇中心波長為402 nm、422 nm、588 nm以及766 nm）

可以看出，采用該系統(tǒng)測量土壤樣品可以獲得信噪比很好的光譜信號，能夠?qū)崿F(xiàn)土壤中一些主要元素包含Ca、Al、Mn、Na及K等元素的有效測量，因此可以用于實現(xiàn)土壤樣品中元素的定性及定量分析。

此外，我們還對含氮樣品進(jìn)行了分析，設(shè)置光譜儀中心波長為388 nm，采集CN分子光譜信號，如圖所示可以看出，采用該光譜儀可獲得明顯的CN分子光譜信號以及Al、Ca等原子光譜信號。

圖4：含氮樣品測試結(jié)果（光譜儀中心波長選擇388 nm）

此外，我們還采集了Ca、Al以及K元素在不同延時下的光譜信號，如圖5及圖6所示。可以看出，隨著采集延時的逐漸增大，光譜信號逐漸減弱，能夠有效實現(xiàn)us級別光譜信號時間分辨。

圖5：不同采集延時下Ca、Al光譜信號

圖6：不同采集延時下K元素光譜信號

專家介紹

馬世祥，博士，北京市農(nóng)林科學(xué)院，助理研究員，主要從事激光光譜技術(shù)在農(nóng)業(yè)環(huán)境（土壤、水體等）檢測方面的研究工作，目前擔(dān)任中國光學(xué)工程學(xué)會光譜技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)委員會青年委員。主持/參與項目26項，其中主持國家自然科學(xué)基金青年基金、國家重點研發(fā)計劃子課題、北京市青年人才托舉項目等6余項；共計發(fā)表SCI論文40余篇，其中以第一作者/通訊作者身份在Journal of Hazardous Materials、Food Chemistry、Talanta、Journal of Analytical Atomic Spectrometry等權(quán)*期刊發(fā)表SCI論文13篇，獲得授權(quán)發(fā)明專*10余項。

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