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《名家專欄》激光等離子體光譜技術(shù)（LIPS）系列專欄第六篇文章，邀請中國原子能科學(xué)研究院高智星研究員、王遠(yuǎn)航老師及其團(tuán)隊(duì)，對幾種激光誘導(dǎo)等離子體光譜增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行全面介紹。
激光誘導(dǎo)等離子體光譜（laser-induced plasma spectroscopy, LIPS）技術(shù)是一種原子光譜分析技術(shù)，原理如圖1所示。該技術(shù)通過將高能激光脈沖直接聚焦于樣品表面，瞬間完成取樣、原子化及激發(fā)的全過程，同時利用光譜儀采集樣品表面激光誘導(dǎo)等離子體的發(fā)射光譜，完成被測樣品所含元素的定性和定量分析[1]。與原子熒光光譜法（AFS）、原子吸收光譜法（AAS）、（ICP-AES）、電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）等常規(guī)檢測方法相比，LIPS無需復(fù)雜的樣品前處理，具有操作簡單、檢測速度快、可原位檢測、可現(xiàn)場檢測、可實(shí)時檢測等優(yōu)點(diǎn)[2,3]。然而，與現(xiàn)有成熟的元素檢測技術(shù)相比，LIPS檢測靈敏度較低，制約了LIPS技術(shù)的推廣和應(yīng)用；因此，激光誘導(dǎo)等離子體光譜增強(qiáng)技術(shù)被廣泛的關(guān)注和研究。雙脈沖增強(qiáng)LIPS、磁約束增強(qiáng)LIPS、空間約束增強(qiáng)LIPS、納米顆粒增強(qiáng)LIPS是目前常用的LIPS增強(qiáng)技術(shù)，本文對以上技術(shù)進(jìn)行介紹，并對其技術(shù)原理和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析。
圖1. LIPS技術(shù)原理示意圖
雙脈沖增強(qiáng)LIPS（DP-LIPS）
雙脈沖增強(qiáng)LIPS（Double-Pulse LIPS, DP-LIPS）是一種簡單、有效的等離子體輻射光譜增強(qiáng)方法，通過將兩束激光按時間先后順序燒蝕樣品，可以獲得比傳統(tǒng)單脈沖LIPS更強(qiáng)的等離子體輻射光譜。根據(jù)兩束激光的空間關(guān)系和時間順序，雙脈沖LIPS可以分為共線雙脈沖LIPS、正交預(yù)燒蝕雙脈沖LIPS、正交再加熱雙脈沖LIPS和交叉雙脈沖LIPS，如圖2所示。
共線雙脈沖LIPS的兩束脈沖激光采用共光路設(shè)計(jì)，第一束激光經(jīng)過透鏡聚焦后垂直照射在樣品表面并產(chǎn)生等離子體，第二束激光在延時后經(jīng)過同一光路聚焦并作用于等離子體，對等離子體加熱，提高等離子體輻射光譜強(qiáng)度[4]。正交預(yù)燒蝕雙脈沖LIPS兩束脈沖激光采用正交設(shè)計(jì)，第一束激光平行于樣品表面入射并擊穿空氣，第二束激光在延時后垂直于樣品表面入射并產(chǎn)生等離子體；由于第一束激光擊穿空氣后導(dǎo)致環(huán)境氣體變得稀薄，為等離子體演化提供了合適的氣體環(huán)境，因此可以提高離子輻射光譜強(qiáng)度[5]。正交再加熱雙脈沖LIPS中第一束激光垂直照射在樣品表面，并產(chǎn)生激光誘導(dǎo)等離子體，第二束激光在延時后平行入射，對第一束激光產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行再次加熱，提高等離子體輻射光譜強(qiáng)度。交叉雙脈沖LIPS兩束激光呈一定角度交叉配置，按時間順序先后入射樣品表面，通過對激光誘導(dǎo)等離子體二次加熱提高輻射光譜強(qiáng)度[6]。
圖2. DP-LIPS雙脈沖空間及時序關(guān)系示意圖
空間約束增強(qiáng)LIPS（ SC-LIPS）
空間約束增強(qiáng)LIPS（Spatial Confinement LIPS, SC-LIPS）是一種成本較低的等離子體輻射光譜增強(qiáng)方法，通過采用空間約束裝置對等離子體的膨脹過程進(jìn)行約束，可以提高等離子體輻射強(qiáng)度。激光誘導(dǎo)等離子體產(chǎn)生后，等離子體羽流向外快速膨脹，當(dāng)膨脹過程中撞到空間約束裝置時會產(chǎn)生一個反作用力，使等離子體壓縮，等離子體壓縮后體積變小，內(nèi)部粒子碰撞幾率增加，導(dǎo)致等離子體輻射光譜強(qiáng)度增加[7,8]。常用的空間約束裝置有平行板、圓柱形腔、半球形腔等，約束腔結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3. SC-LIPS裝置結(jié)構(gòu)示意圖
磁約束增強(qiáng)LIPS（MC-LIPS）
磁約束增強(qiáng)LIPS（Magnetic Confinement LIPS, MC-LIPS）與空間約束增強(qiáng)LIPS具有相似的原理，都是通過約束等離子體提高等離子體輻射強(qiáng)度。磁約束是通過磁場的方式對等離子體進(jìn)行約束，通過將待測樣品放置在電磁鐵或永磁體產(chǎn)生的磁場中，激光照射樣品后產(chǎn)生激光誘導(dǎo)等離子體，等離子體在磁場中受到磁力約束，內(nèi)部粒子碰撞幾率增加，導(dǎo)致等離子體輻射光譜強(qiáng)度增加[9,10]。磁約束LIPS裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4. MC-LIPS裝置結(jié)構(gòu)示意圖
微波增強(qiáng)LIPS（MA-LIPS或MW-LIPS）
微波增強(qiáng)LIPS（Microwave-Assisted LIPS, MA-LIPS或MW-LIPS）是一種將微波探針產(chǎn)生的電磁能直接作用于激光誘導(dǎo)等離子體的LIPS信號增強(qiáng)技術(shù)。MA-LIPS在傳統(tǒng)LIPS系統(tǒng)中引入了微波發(fā)射系統(tǒng)，微波發(fā)射系統(tǒng)可以產(chǎn)生高能量、高頻率的微波；在等離子體產(chǎn)生過程中，微波所攜帶的電磁能可以直接耦合進(jìn)等離子體中，通過對等離子體充能可以使等離子體溫度升高，導(dǎo)致內(nèi)部粒子碰撞加劇，從而提高等離子體輻射光譜強(qiáng)度，并將等離子體壽命從幾微秒延長至幾百微秒[11]。微波增強(qiáng)LIPS裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5. MA-LIPS裝置結(jié)構(gòu)示意圖
納米顆粒增強(qiáng)LIPS（NE-LIPS）
納米顆粒增強(qiáng)LIPS（Nanoparticle-Enhanced LIPS, NE-LIPS）通過將尺寸在納米至百納米量級的金屬顆粒沉積在樣品表面，利用激光與納米顆粒作用過程中納米顆粒傳導(dǎo)電子震蕩和表面等離子激元共振提高激光誘導(dǎo)等離子體輻射光譜強(qiáng)度。NE-LIPS的光譜增強(qiáng)機(jī)理主要分為兩個方面：首先，照射在納米顆粒表面的激光脈沖可以誘導(dǎo)納米顆粒中傳導(dǎo)電子產(chǎn)生相干和集體振蕩，提高了納米顆粒附近以及納米顆粒間隙的電場強(qiáng)度，在局部增強(qiáng)了入射激光的脈沖能量，使激光誘導(dǎo)擊穿光譜強(qiáng)度提升；其次，激光脈沖與納米顆粒的表面等離子激元共振（Surface Plasmon Resonance, SPR），提高了納米顆粒的熱吸收效率，納米顆粒吸收了大部分激光能量并有效加熱樣品，使激光誘導(dǎo)擊穿光譜強(qiáng)度提升[12]。圖6是納米金增強(qiáng)LIPS示意圖。
圖6. NE-LIPS示意圖
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人物介紹
高智星，研究員，主要從事激光與物質(zhì)相互作用、激光等離子體光譜研究。參與并負(fù)責(zé)科技部、裝備發(fā)展部多項(xiàng)科技發(fā)展項(xiàng)目。相關(guān)工作發(fā)表論文20余篇，授權(quán)專*10余項(xiàng)，擔(dān)任Matter and Radiation at Extremes等期刊審稿人。
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