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激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种基于原子发射光谱学的元素分析技术，通过超短脉冲激光聚焦样品表面形成等离子体，进而对等离子体发射光谱进行分析以确定样品的物质成分及含量。LIBS技术(原则上)可以分析任何物态的样品，仅受到激光的功率以及摄谱仪&检测器的灵敏度和波长范围的限制。在多元素分析、实时快速原位测量等方面具备突出优势，在定性识别物质与定量物质成分分析等领域具有重要应用前景。放电辅助激光诱导击穿光谱(D-LIBS)在痕量检测中代表了一种非常有前途的技术。

利用放电辅助可以显著增强LIBS信号强度，从而达到提高分析灵敏度的目的。然而，D-LIBS在放电时电能消耗过大，同时从交变电压和电流中产生电磁脉冲，这不可避免地导致能源浪费和环境污染相关问题。这一负面因素，不仅加大了安全隐患和运行风险，更不利于社会倡导的节能减排和环境保护要求，进而限制了D-LIBS技术的进一步应用。因此，开发一种“两低一高”(低环境危害、低能耗、高分析灵敏度)的D-LIBS技术仍然是物质分析领域中一项难度较大的挑战。

近日，西安光机所瞬态光学与光子技术国家重点实验室汤洁研究员课题组，联合美国劳伦斯伯克利国家实验室Vassilia Zorba教授团队，在激光等离子体光谱研究领域取得重要进展。汤洁研究员课题组与Vassilia Zorba教授团队合作共同提出一种离子动力学调制方法，对克服传统D-LIBS放电能耗大、安全风险高、环境危害大等不利因素，同时提高分析灵敏度具有显著改善效果。该项工作借助于这种方法，合理优化电极配置，有序调控放电模式，在有效增强光谱信号强度的同时，大幅降低放电能耗。

实验测试结果表明：与传统D-LIBS对比，该成果对于非平坦样品实现了在维持光谱信号2个数量级提升情况下，放电能耗降低了约1个数量级。结合经改进的小波变换降噪方法，D-LIBS中谱线信噪比、信背比，以及稳定性相比原光谱均获得了显著提升。微量元素(Mg)的检出限从近百ppm降低至亚ppm量级。除此之外，与传统D-LIBS及其他LIBS增强技术相比，微量元素(Mg、Si)探测灵敏度提高近2个数量级。该研究成果不仅有助于推动节能环保建设以及D-LIBS的广泛应用，同时在低烧蚀激光功率密度的极端条件下，为D-LIBS微量或痕量元素定性与定量分析提供了有力的理论依据和技术支撑。

相关研究成果Large modulation of ion dynamics for discharge-assisted laser-induced breakdown spectroscopy于近日发表于Cell子刊Cell Reports Physical Science。

资料来源： 西安光学精密机械研究所

关键词： 等离子体 西安光机所 研究领域