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主题:航程论文写作 时间:2024-01-15

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1960年,第一台红宝石激光器的发明为原子光谱分析注入新鲜血液,自此,类似于火花源的激光光束聚焦击穿现象即见诸文献报道.1962年 Jarrell-Ash的Brech发表第一篇关于用激光产生等离子体进行分析的文章,标志着激光烧蚀分析技术的诞生.1964年,得益于激光器Q开关脉冲技术,使得激光烧蚀无需通过辅助电极放电,直接通过激光产生等离子体进行分析,成为今天LIBS的雏形.20世纪80年代,美国国家实验室利用激光诱导等离子体的光谱信息实现了对于物质元素信息的测量,从而将该技术正式命名为LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy).21世纪,美国NASA采用LIBS技术作为火星车表面矿物分析手段——ChemCam,分析样品的矿物和化学成分,以确定火星上是否有水,是否有或曾经有适合生命存在的环境,并出色地完成了科考任务.因而,LIBS技术的应用也相应地成为了一大研究热门,引起国内外专家学者的广泛关注.

虽然LIBS技术在国际上的研究已经有了近半个世纪的历史,但我国在该领域的研究还处于起步阶段,仪器设备多年来一直依赖进口.中组部“千人计划”特聘教授段忆翔先生回国后投身于该技术和仪器的研发,并担任四川大学分析仪器研究中心主任,使得国内的LIBS技术才开始有了长足的发展,并逐步向国际先进水平迈进.

自主创新,科研报国

回国后,段忆翔教授在学校的支持下创立了分析仪器研究中心,开展了LIBS相关科学研究及创新工作,重点研究分析化学新技术,新方法和新仪器,促进国内分析仪器事业的发展,加快分析仪器的国产化进程.

段忆翔教授介绍说,LIBS是一种激光烧蚀光谱分析技术,其工作原理是利用脉冲激光产生的等离子体烧蚀并激发样品(通常为固体)中的物质,并通过光谱仪获取被等离子体激发的原子所发射的光谱,以此来识别样品中的元素组成成分,进而可以进行材料的识别、分类、定性以及定量分析.LIBS作为一种新的材料识别及定量分析技术,既可以用于实验室,也可以应用于工业现场的在线检测.

LIBS主要的硬件包括激光器和光谱仪,通过激光照射样品激发等离子体,光谱仪收集等离子体发射的光线,就能分析出样品元素的种类和含量.段忆翔表示,仪器的可靠性是其生命基础.虽然LIBS的工作原理在行业内是公开的,但在实际的仪器研发中,有许多方面都需要周密的设计和考虑,其中包括对关键部件的研发、系统的优化设计、软件程序和操作界面的设计、仪器的总体集成等多方面.仪器的集成尤为重要,在实验室自制的仪器和做成商品的仪器要求是完全不一样的.LIBS涉及光学的知识,怎么有效聚焦,聚焦后产生等离子体的瞬间怎么来用光谱仪接收,在等离子体烧灼表面,怎么进行成像和数据处理,这些细节都要考虑.在仪器的实际使用上,客户往往希望通过最简单的操作得到最直接的结果.把仪器关键的参数设置好,使用方法简单,这样的仪器才最受市场欢迎.

由于LIBS技术具有快速直接分析,几乎不需要样品制备,可以检测几乎所有元素、同时分析多种元素,对样品表面风化、尘土层形成清洁,可实现逐层分析,可以检测几乎所有固态样品; 而远距离探测,适用于现场分析等特点,使得LIBS技术弥补了传统元素分析方法的不足,尤其在微小区域材料分析、镀层/薄膜分析、缺陷检测、珠宝鉴定、法医证据鉴定、粉末材料分析、合金分析等应用领域优势明显,同时,LIBS还可以广泛适用于石油勘探、水文和地质勘探、冶金和燃烧、制药、环境监测、科研、航空航天等不同领域的应用.

为了改变国内使用LIBS仪器长期依赖进口的窘境,段忆翔带领科研团队展开了艰苦的研究,关键部件的选型、系统的集成设计、检测方法的优化、数据库等几乎是从零开始,他们在经历了无数次失败和付出后,终于在2013年,完成了自主研发的台式LIBS仪器.

然而,段忆翔发现,台式LIBS笨重、操作烦琐,并不能满足现场检测的需求.为了把LIBS设计成可用于现场检测的便携式设备,段忆翔又带领团队在激光器、光谱仪等关键部件和系统集成技术上下起了功夫.

功夫不负有心人,段忆翔教授带领科研团队在一年后成功研发出了国内首台便携式LIBS.他介绍说,在应用领域,LIBS的技术水平和集成度都比较高.目前进口便携式激光诱导击穿光谱分析仪器的市场价格较贵,而他们研制的LIBS相对于进口产品具有较大的价格优势,若能辅以优质的服务占据国内市场,前景是非常可观的.项目团队除了对已有的台式、便携式LIBS仪器进行进一步的优化改进,还在加紧开发更具挑战性的高性能手持式LIBS产品.

除此之外,段忆翔教授还带领科研团队自主研发了一系列新的分析方法,使得LIBS技术不但可以用于固体样品分析,而且可以用于粉末样品,溶液样品,甚至泥浆样品的快速有效分析.LIBS技术用于液体样品直接分析一直面临着挑战,主要是因为高能激光脉冲打到样品表面容易使液体飞溅、水溶液又可以使等离子体猝灭、缩短等离子体寿命,因而必须发展新的分析方法.意识到现有LIBS技术对液体样品分析的局限性,段忆翔教授的科研团队自主研发了一系列新方法,包括多孔静电喷雾聚合物超细纤维固相负载技术、介孔碳固相负载技术、基于纳米石墨的固相分散微萃取技术、基于纳米通道的多孔氧化铝膜及纳米金信号增强技术等用于解决液体样品分析问题,并申请了多项和方法学相关的专利,进一步拓展了LIBS技术的应用范围.

前景广阔,继续攀登

回国至今,短短的几年时间,段忆翔教授已经取得诸多研究成果,先后申请发明专利和实用新型专利60余项,相关研究在世界上具有影响力的期刊杂志上发表SCI论文一百余篇.作为项目负责人承担了国家重大科学仪器设备开发专项;国家自然科学基金项目;四川省百人计划项目,四川省科学仪器平台项目等多个项目.多次受邀参加国际上各种英文百科全书相关章节的撰写.多项研究成果曾被国内外多家具影响力的报刊、杂志、媒体和网站广泛报道.

自从LIBS技术问世以来,该技术就被公认为是一种前景广阔的新技术,随着LIBS技术进一步深入系统的研发,相信LIBS技术将会在光谱探测中大放异彩,为分析测试领域带来众多的创新应用.而段忆翔教授也将带领他的科研团队围绕质谱技术、非侵入式医学诊断、激光光谱分析、新型传感器和分析仪器的小型化等多方面进行深入研究,为我国的分析技术提供更加强大的支撑力量.

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