西安光机所在激光等离子体光谱研究方面取得进展

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。相关研究成果发表于Cell子刊Cell Reports Physical Science。此项工作也是该团队继Advanced Science (2020)、Angewandte (2022)两项重要成果之后，又一突破性研究进展。论文第一作者为西安光机所阿秒中心特别研究助理雷冰莹博士，西安光机所是第一完成单位和通讯单位。 

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，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。目前该项技术已在深空深海探测、地质勘探、生物医药以及环境监测等众多领域取得广泛应用。D-LIBS，即放电辅助LIBS技术，通常是将火花放电或电弧放电与LIBS技术相结合来实现。以上两种放电模式具有放电功率密度大和电子数密度高的特点，在辅助元素定性和定量分析方面有着独特的技术优势。因此，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。 

针对上述问题，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。关键创新点如下： 

1.首次提出并利用激光诱导等离子体冲击波与外加电场空间零弧度耦合方式，实现有效放电区域全方位覆盖激光等离子体中粒子的扩散方向，离子的动力学特征从原始的向外扩散变更为放电空间内阳极和阴极之间的漂移运动。这种调制使得大部分离子被抓捕、约束在有效放电空间内，极大促进电能与激光等离子体耦合，大幅降低放电能耗。 

2.突破传统D-LIBS方法，即仅在电容器放电过程中辅助LIBS，将放电增强LIBS拓展到电容器放电和充电的两个过程。采用直流电源与充电电容共同作用等离子体间隙的策略，使约束的带电粒子在电容放电结束后继续在电极之间漂移，并在毫秒尺度维持带电粒子电迁移运动特性，大幅延长等离子体寿命，进而实现火花和电弧放电的有序调控，以及原子和离子光谱信号的选择性增强。 

离子动力学调制LIBS增强原理及思路

基于上述创新，有效解决了在D-LIBS中同时具备“两低一高”特性的关键技术难题。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。 

Cell Reports Physical Science是Cell Press出版集团，对标Nature Communications与Science Advances推出的高影响力综合期刊，旨在发表物理、化学、能源科学、材料科学及交叉学科领域中的前沿研究进展。该研究工作得到国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、瞬态光学与光子技术国家重点实验室自主课题、中科院光谱成像技术重点实验室开放基金等项目的大力支持。

相关链接：https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(23)00026-7