激光诱导击穿光谱(LIBS)_马晓红
应用物理专业实验：专业实验15 激光诱导击穿光谱(LIBS)技术
激光诱导击穿光谱分析技术激光诱导击穿光谱技术是一类基于高功率激光器的光谱分析技术。
光谱分析技术是一种古老的化学成分或者物种组成分析技术，其基本依据在于原子和分子的光谱具备指纹特征，即：不同的原子或者分子的特有能级结构决定了它们发生的光谱谱线的波长具有本征性，通过识别谱线波长的识别和关联分析，以原子分子光谱数据库为比照依据，可以实现化学成分的定量分析。
如要使得原子或分子成分发生光谱过程，必须对样品进行光学激发，产生原子或者分子的诸多激发态。
传统的光谱分析技术中，样品的激发手段包括:火焰燃烧、ICP炬、微波炬等。
利用高功率激光加热样品，也可以实现样品的快速高温激发，因为激光激发的过程中发生电子加热、样品气化和蒸汽击穿的过程，因此这种技术称为激光诱导击穿光谱技术（Laser Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS）。
在上世纪80年代，美国的Los Alamos National Laboratory首先实现了LIBS技术，并将其应用于物质的化学分析，但是该技术当时并没有在美国国内引起多少反响，反而其他许多国家却对此表现了很大的兴趣。
在9·11恐怖袭击后，美国军方开始将该技术应用于各种安检，快速检测分析疑似爆炸物。
经过近30年的发展，LIBS已经成为研究激光与物质相互作用的重要工具，在光谱分析，激光薄膜沉积和惯性约束核聚变等方面也有着广泛的应用，成为原子光谱分析技术的最活跃领域。
LIBS技术与传统的火焰原子光谱、ICP发射光谱技术迅速结合，在很多领域得到广泛的应用。
1.发展概况LIBS已被广泛地应用到多个领域，如钢铁成分在线分析、宇宙探索、环境和废物的监测、文化遗产鉴定、工业过程控制、医药检测、地球化学分析，以及美国NASA的火星探测计划等，并且开发出了许多基于LIBS技术的小型化在线检测系统。
LIBS系统的技术发展历程可以分为三个阶段：第一个阶段是60年代到70年代中期，伴随着激光器的发明，其出色的高功率特性使之成为诱发气体电离和击穿的有力手段之一，同时，伴随等离子体物理学的产生和发展，激光诱导击穿等离子体发展成为研究激光与物质相互作用的重要领域。
激光诱导击穿光谱数据特征自动提取方法研究
激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种通过激光诱导击穿样品并测量所产生的辐射光谱来分析样品成分的技术。
随着激光技术的发展，LIBS在冶金、环境监测、食品安全等领域得到了广泛的应用。
在实际应用中，光谱数据的分析对于提取样品的特征信息至关重要。
如何快速高效地提取激光诱导击穿光谱数据的特征成为了研究的热点之一。
本文针对激光诱导击穿光谱数据的特征自动提取方法展开研究，通过对相关文献的综述和实验研究，总结了目前常见的激光诱导击穿光谱数据特征自动提取方法，并提出了一种基于机器学习的新方法。
1. 基于特征工程的方法在传统的方法中，研究者们通常会通过专业知识和经验，提取激光诱导击穿光谱数据中的特征信息。
这些特征信息可以包括波峰强度、波峰位置、谱线宽度等。
然后利用数学统计方法对这些特征进行分析和处理，从而得到样品的成分信息。
虽然这种方法在一定程度上可以取得不错的效果，但是需要依赖领域专家，并且提取的特征可能不全面、有一定主观性。
2. 基于机器学习的方法近年来，随着机器学习技术的发展，人们开始尝试利用机器学习方法来自动提取激光诱导击穿光谱数据的特征。
对于这种方法，研究者们通常会将原始的光谱数据输入到机器学习模型中，让模型自动学习和提取其中的特征信息。
在经过足够数量的训练样本和模型训练之后，这种方法能够达到比较理想的效果。
3. 基于深度学习的方法除了传统的机器学习方法，深度学习技术也被应用于激光诱导击穿光谱数据的特征自动提取中。
深度学习模型可以通过多层神经网络自动学习数据中的特征，并且对于复杂的非线性关系具有较强的表征能力。
基于深度学习的方法在激光诱导击穿光谱数据特征提取方面也展现出了良好的潜力。
在激光诱导击穿光谱数据特征自动提取方法的研究中，我们提出了一种基于深度学习的新方法。
具体来说，我们设计了一个卷积神经网络模型，将原始的光谱数据输入到模型中，让模型自动学习数据中的特征信息。
经过大量的实验验证，我们发现这种方法能够有效地提取激光诱导击穿光谱数据的特征，并且相较于传统的方法具有更高的准确性和鲁棒性。
药物分析中的激光诱导击穿光谱技术研究及应用
药物分析中的激光诱导击穿光谱技术研究及应用概述：激光诱导击穿光谱技术（LIBS）是一种基于激光诱导击穿效应的光谱分析方法。
该技术具有无损、快速、灵敏度高等优点，在药物分析领域得到广泛应用。
本文将对激光诱导击穿光谱技术在药物分析中的研究现状及应用进行探讨。
一、激光诱导击穿光谱技术原理激光诱导击穿光谱技术是一种原位、无损的样品分析方法。
其基本原理是通过激光脉冲的高能量密度，使样品表面产生等离子体，进而激发样品原子、离子和分子的内部能级跃迁，产生特征光谱。
通过分析和解释激光诱导击穿光谱所得到的光谱信息，可以获得样品中的元素组成和化学成分。
二、激光诱导击穿光谱技术在药物分析中的应用1. 药物质量控制激光诱导击穿光谱技术在药物质量控制中具有重要的应用价值。
通过对药物样品进行激光诱导击穿光谱分析，可以准确测定药物中的元素含量和杂质成分，确保药物的质量稳定性和合规性。
此外，激光诱导击穿光谱还可以用于药物中残留金属离子的检测和定量。
2. 药物痕量分析激光诱导击穿光谱技术对于药物痕量分析具有较高的敏感度和选择性。
在药物痕量分析中，常常需要检测微量元素或者特定化合物的含量，激光诱导击穿光谱技术可以通过对样品进行精确的激光能量控制和谱线解析，实现对药物中微量成分的快速准确测定。
3. 药物新药研发激光诱导击穿光谱技术在药物新药研发过程中的应用越来越广泛。
通过对药物原料、中间体和最终产品进行激光诱导击穿光谱分析，可以了解药物的化学成分和含量分布，为药物品质的改进和优化提供科学依据。
4. 药物非破坏性分析激光诱导击穿光谱技术是一种非破坏性的样品分析方法，对于药物分析非常有优势。
传统的样品分析方法通常需要样品的破坏性处理，而激光诱导击穿光谱技术可以直接对样品进行分析，避免了样品的损伤和浪费，同时提高了分析效率和数据可靠性。
三、激光诱导击穿光谱技术的研究进展激光诱导击穿光谱技术的研究一直处于不断发展的阶段。
随着激光技术、光谱仪器和数据处理算法的不断改进，激光诱导击穿光谱技术在药物分析领域的应用也得到了不断拓展。
激光诱导击穿光谱技术及应用研究进展
第6卷 第4期2013年8月 中国光学 Chinese Optics Vol.6 No.4Aug.2013 收稿日期:2013⁃04⁃11;修订日期:2013⁃06⁃13 基金项目:国家自然科学基金面上项目(No.31270680,No.61076064);江苏省“六大高峰人才”资助项目(No.2011⁃XCL⁃018);江苏高校优势学科建设工程资助项目文章编号 1674⁃2915(2013)04⁃0490⁃11激光诱导击穿光谱技术及应用研究进展侯冠宇1,王 平1∗,佟存柱2(1.南京林业大学化学工程学院,江苏南京210037;2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室,吉林长春130033)摘要:激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是一种基于原子发射光谱学的元素定性、定量检测手段。
本文介绍了LIBS 技术的原理、应用方式、检测元素种类及检测极限;综述了该项技术在固体、液体、气体组分检测方面的技术发展,以及在环境检测、食品安全、生物医药、材料、军事、太空领域的应用进展。
最后,提出了高功率、高稳定的激光光源和准确的定量分析方法是LIBS 技术目前所面临的问题和挑战。
关 键 词:激光诱导击穿光谱;激光产生等离子体;元素分析;检测限中图分类号:O433.54;O657.319 文献标识码:A doi:10.3788/CO.20130604.0490Progress in laser⁃induced breakdown spectroscopyand its applicationsHOU Guan⁃yu 1,WANG Ping 1∗,TONG Cun⁃zhu 2(1.College of Chemical Engineering ,Nanjing Forestry University ,Nanjing 210037,China ;2.State Key Laboratory of Luminescence and Applications ,Changchun Institute of Optics ,Fine Mechanics and Physics ,Chinese Academy of Sciences ,Changchun 130033,China )∗Corresponding author ,E⁃mail :wp_lh@ Abstract :Laser⁃induced Breakdown Spectroscopy(LIBS)based on atomic emission spectral technology is a kind of convenient and sensitive approach for the qualitative and quantitative detection of elements.In this pa⁃per,the mechanism,detecting element types,detection limit and the recent progress of LIBS technology are reviewed.The progress of LIBS technology in component testing for solid,liquid and gas samples is expoundedin detail.The applications of LIBS in the environment test,food security,biological and medicines,material sciences,military and space fields are also presented.Finally,the challenges and problems for the LIBS tech⁃nology in high power and stable laser sources and accurately quantitative analysis method are discussed.Key words :laser⁃induced breakdown spectroscopy;laser⁃induced plasmon,element analysis;detection limit1 引 言 激光诱导击穿光谱(Laser⁃Induced Breakdown Spectroscopy,简称LIBS)技术是利用激光照射被测物体表面产生等离子体[1⁃2],通过检测等离子体光谱而获取物质成分和浓度的分析技术。
激光诱导击穿光谱结合ga-bp-ann检测炉渣中ca
１ 引 言 炉渣是金属冶炼过程中的必要产物，对控制金
属冶炼的过程和金属冶炼的质量起着至关重要的作 用，其 主 要 成 分 包 括 ＣａＯ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＭｎＯ
等［１］。炉渣成分的控制对于炼钢有很大影响，渣含 量的控制水平直接影响到钢水的质量，在炼钢过程 中为了判定冶炼的程度，是否达到了冶炼终点，我们 需要知道 炉 渣 中 的 成 分。 正 所 谓 “炼 好 渣，才 有 好
第 ４９卷 第 １２期 激 光 与 红 外 ２０１９年 １２月 ＬＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤ
Ｖｏｌ．４９，Ｎｏ．１２ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２０１９
文章编号：１００１５０７８（２０１９）１２１４０８０６
·激光应用技术·
激光诱导击穿光谱结合 ＧＡＢＰＡＮＮ检测炉渣中 Ｃａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｌａｓｅｒｉｎｄｕｃｅｄｂｒｅａｋｄｏｗｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｔｈｅｓｌａｇｓｐｅｃｔｒｕｍ ｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｂｒｅａｋｉｎｇ ｔｈｅｐｌａｓｍａｉｎｔｈｅｓｌａｇ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｔｈｅｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗｉｔｈｔｈｅＢＰｎｅｕｒａｌｎｅｔｗｏｒｋ，ａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｗｅｉｇｈｔａｎｄ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｏｆｔｈｅｎｅｕｒａｌｎｅｔｗｏｒｋｂｙｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍＴｈｅｎｅｕｒａｌｎｅｔｗｏｒｋｍｏｄｅｌｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙｄｅｔｅｃｔｓｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆＣａ ｉｎｔｈｅｓｌａｇｅｌｅｍｅｎｔａｌｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｍＴｈｅｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｆｉｖｅＣａｅｌｅｍｅｎｔｓ＃１，＃２，＃３，＃４，＃５ａｒｅ２９４％，４０３７ ％，ａｎｄ３７１３％４３８８％，３８６８％，ａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｅｒｒｏｒｏｆｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｔｅｓｔｓａｍｐｌｅｓａｒｅ４７％，５２％， ５８％，４１％，３３％，ａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｅｒｒｏｒｉｓｂｅｌｏｗ６％Ｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｉｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｔｈｅ ＢＰＡＮＮｍｅｔｈｏｄａｎｄｓｐｅｃｔｒａｌａｎａｌｙｓｉｓＴｈｅｃｏｍｍｏｎｌｙｕｓｅｄｆｒｅｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆｓｌａｇｂａｓｅｄｏｎｇｅｎｅｔｉｃｎｅｕｒａｌｎｅｔｗｏｒｋｈａｓｂｅｔｔｅｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒｉｎｄｕｃｅｄｂｒｅａｋｄｏｗｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ｓｌａｇ；ｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ＢＰＡＮＮ；ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓ
激光诱导击穿光谱钢水成分在线检测靶点的自动定位
激光诱导击穿光谱钢水成分在线检测靶点的自动定位马翠红;赵月华;孟凡伟【摘要】针对应用激光诱导击穿光谱技术钢水成分检测过程中测试靶点的选取问题,提出了一种基于LabVIEW的测试靶点自动定位系统的研究方法,旨在更好地完成钢水成分的实时在线检测.本控制系统充分利用了LabVIEW在仪器控制和机器视觉方面的优越性,借助M C600系列控制器以及电动位移台搭建实验平台,只需要向M C600系列运动控制器发送格式正确的运行指令,就可以实现测试靶点的自动定位,并且通过边缘提取能够提高靶点自动定位的准确性和安全性.靶点自动定位系统避免了以往检测过程中通过手动控制选择测试靶点的繁琐,确保了检测过程的有效性,使工作效率得到很大提高.%Aiming at the selection of test targets for on-line detection of composition in molten steel by laser induced breakdown spectroscopy ,a method for automatic positioning system of test targets based on LabVIEW was proposed in order to better perform the real-time and on-line detection of molten steel compositions .This control system fully utilized the superiority of LabVIEW in instrument control and machine vision .The experimental platform was constructed with the help of MC600 series controller and motorized positioning system .The automatic positioning of test targets could be realized by sending the command code with correct format to MC600 series controller .Moreover ,the accuracy and safety of automatic positioning of test targets were effectively improved by edge extraction .The automatic positioning system avoided the complicated procedures for selection of test targets in manualcontrol and guaranteed the effectiveness of detection process ,thus greatly improving the work efficiency .【期刊名称】《冶金分析》【年(卷),期】2017(037)012【总页数】6页(P1-6)【关键词】激光诱导击穿光谱技术;LabVIEW;测试靶点;自动定位;边缘提取【作者】马翠红;赵月华;孟凡伟【作者单位】华北理工大学电气工程学院,河北唐山063210;华北理工大学电气工程学院,河北唐山063210;华北理工大学电气工程学院,河北唐山063210【正文语种】中文炼钢过程中，实现对钢水各元素的在线检测和控制，既有利于生产过程的调整，保证生产质量，又有利于提高生产效率。
激光诱导击穿光谱技术
激光诱导击穿光谱技术（LIBS ）姓名：李记肖学号：3114313040班级：电子硕4128班邮箱：465471316@1激光诱导击穿光谱技术（LIBS ）简介激光诱导击穿光谱技术（Laser Induced Breakdown Spectroscopy ）简称为LIBS，是由美国Los Alamos国家实验室的David Cremers研究小组于1962年提出和实现的。
自从1962年该小组成员Brech最先提出了用红宝石微波激射器来诱导产生等离子体的光谱化学方法之后，激光诱导击穿光谱技术开始被广泛应用于多个领域，如钢铁成分在线分析、宇宙探索、环境和废物的监测、文化遗产鉴定、工业过程控制、医药检测、地球化学分析，以及美国NASA的火星探测计划CHEMCAM等，并且开发出了许多基于LIPS技术的小型化在线检测系统。
2LIBS发展概况自1960年世界上第一台红宝石激光器问世，两年后Brech和Cross就实现了固体样品表面的激光诱导等离子体，开启了LIBS技术的历程。
1963年，调Q激光器的发明大大促进了LIBS技术的发展，这种激光器的单个短脉冲具有极高的功率密度，足以产生光谱分析所需的激光等离子体。
因此调Q激光器的发明被称为LIBS技术诞生的标志。
1965年Zel ' dovichnd Raizer把LIBS技术的应用延伸到气体样品。
70年代初，Jarrell-Ash和Carl Zeiss制造了世界上第一台工业应用LIBS设备，需要说明的是，这套LIBS设备中，短脉冲激光用于烧蚀样品，然后用电弧激发样品。
美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）曾致力于LIBS分析技术的机理研究和应用，在1987年将其应用于乏燃料后处理工艺中铀浓度分析。
在八十年代，LIBS被应用于液体样品以及分析土壤中的金属及污染物。
德国卡尔斯鲁厄核中心从上世纪90年代初开始，致力于将LIBS应用于高放废液玻璃固化工艺控制分析，获得巨大成功，随后模拟高放废液玻璃固化体中27种元素的实时定量分析。
libs激光诱导击穿光谱
libs激光诱导击穿光谱激光诱导击穿光谱（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS）是一种分析技术，通过激光脉冲诱导样品形成等离子体，然后使用光谱仪来分析等离子体中的发射光谱，从而确定样品中元素的存在和浓度。
LIBS技术具有以下几个特点：非接触性、快速、无需样品预处理以及对大多数样品均适用。
这些特点使得LIBS在很多领域得到了广泛应用，如环境监测、冶金学、博物馆保护、食品和饮料质量检测等。
LIBS技术的基本原理是，在激光脉冲照射样品表面时，激光能量会被吸收并加热样品，达到等离子体形成的温度。
当激光能量足够高时，样品表面会发生等离子体产生的现象，形成一个包含高温等离子体的小火球。
这个高温等离子体内部的原子和离子会发射出光，形成光谱信号。
LIBS结果的分析主要依赖于光谱仪测量到的光谱信号。
利用光谱信号，可以确定不同元素产生的光谱线，从而确定样品中的元素种类。
通过测量光谱信号的强度，可以推测元素的相对浓度。
此外，利用激光与样品的相互作用，还可以获取有关样品中化学反应和材料特性的信息。
LIBS技术的应用非常广泛。
在环境监测方面，LIBS可以用于检测土壤中的重金属含量，以及检测大气污染物。
在冶金学中，LIBS可以用来分析金属合金中的成分，以及检测炉渣中的杂质。
在博物馆保护领域，LIBS可以用来鉴别文物中的材料成分，以及检测文物表面的污染物。
在食品和饮料质量检测中，LIBS可以用来检测农产品中的重金属污染，以及检测饮料中的成分。
LIBS技术的快速、非接触和无需样品预处理的特点，使得它成为了一种非常有潜力的分析技术。
然而，LIBS技术还存在一些挑战，如激光能量的均匀性、等离子体温度的测量和校正、光谱数据处理等。
因此，在进一步推广和应用LIBS技术时，需要进一步改进仪器设计和数据分析算法，以提高其分析精度和稳定性。
总之，LIBS技术是一种非常有潜力和应用广泛的分析技术，可以用来快速、准确地分析样品中的元素成分和浓度。
LIBS-激光诱导击穿光谱系统
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激光诱导击穿光谱(LIBS)检测系统冶金工业应用
GS-LIBS2200 激光成分分析仪
在线检测，无须取样制样
离线成分检测——GS-LIBS2100激光成分分析仪
• 无需制样
• 一键检测
• 快速分析
• 炉前环境
特点
样品台 尺寸和重量 可选功能
软件
元素类型 检测限 样品类型 调节范围 最大样品尺寸
尺寸 重量
全元素* ~100ppm，视元素种类
块状固体 20mm×20mm×20mm 30mm×30mm×10mm 1350mm×810mm×1600mm
“紧密围绕重点制造领域关键环节，开展新一 代信息技术与制造装备融合的集成创新和工程 应用。支持政产学研用联合攻关，开发智能产 品和自主可控的智能装置并实现产业化。依托 优势企业，紧扣关键工序智能化、关键岗位机 器人替代、生产过程智能优化控制、供应链优 化，建设重点领域智能工厂/数字化车间。”
工信部 《有色金属行业智能冶炼工厂建设指南》
提高生产效率，降低生产成本，助力智能制造
“离线检测导致~3%钢铁降级或废弃” ——美国能源部报告
“在线检测可提高生产效率5%-8%，降低成本3%-5%” ——北京电视台科技栏目
二 LIBS检测技术简介
LIBS技术原理
激光器
计算机
光谱仪
光学系统 控控制制系系统统
目标样品
激光诱导击穿光谱（LIBS）
检测限
检测距离 操作模式 控制机柜 工业探头
连接线
实验室环境：~100ppm 现场环境：~1000ppm
<=4m* 兼容本地和远程操作
680mm×740mm×1200mm，150kg 420mm×770mm×570mm，59.2kg
<=3m 冷却水，冷却气体 一键测量，自动参数优化 光谱数据库及预处理软件 二次开发软件工具包
药物分析中的激光诱导击穿光谱法
药物分析中的激光诱导击穿光谱法激光诱导击穿光谱法（Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS）是一种在药物分析领域被广泛应用的技术。
它通过激光诱导药物样品产生等离子体，在等离子体形成和衰减的过程中，测量样品中的元素光谱特性，从而实现对药物组分的快速、非破坏性分析。
本文将介绍激光诱导击穿光谱法在药物分析中的原理、应用以及展望。
一、激光诱导击穿光谱法原理激光诱导击穿光谱法利用激光脉冲对药物样品进行瞬时激发，使样品产生等离子体。
当激光脉冲能量足够大时，样品表面的分子、原子等被激发离解为等离子体。
等离子体产生的同时，快速冷却、膨胀，形成一个微小的烟云。
在等离子体形成和衰减的过程中，药物样品中的各种元素会产生不同波长的光谱发射，这些光谱可以通过光谱仪进行测量和分析。
二、激光诱导击穿光谱法应用1. 药物质量控制激光诱导击穿光谱法可用于药物质量控制。
通过测量药物样品中的元素含量，可以准确评估药物的成分和纯度。
这对于保证药物质量的一致性和可靠性非常重要。
2. 药物疗效评估利用激光诱导击穿光谱法可以对药物的疗效进行评估。
不同药物成分对元素含量的影响是不同的，通过分析药物样品中的元素光谱，可以了解药物的成分及其与疗效的关系，为临床治疗提供科学依据。
3. 药物安全监测激光诱导击穿光谱法还可以用于药物的安全监测。
药物中可能存在着一些有害元素或杂质，这些有害成分可能对人体健康产生负面影响。
通过激光诱导击穿光谱法对药物样品进行分析，可以及时检测到其中的有害成分，保障人们用药的安全性。
三、激光诱导击穿光谱法展望激光诱导击穿光谱法在药物分析中具有广阔的应用前景。
随着技术的不断发展和突破，激光诱导击穿光谱法的分析速度将会更快，分析结果将更加准确可靠。
同时，该技术也可以与其他分析方法进行结合，如质谱法、红外光谱法等，以提供更全面、多维度的信息。
总结激光诱导击穿光谱法作为一种非破坏性、快速、高灵敏度的药物分析技术，为药物质量控制、疗效评估和安全监测提供了一种有效的手段。
激光诱导击穿光谱技术对土壤中重金属元素Cr的定量分析
Vol. 41,No. 3,pp875-879March , 2021第41卷，第3期202" 年 3 月光谱学与光谱分析SpectroscopyandSpectralAnalysis激光诱导击穿光谱技术对土壤中重金属元素Cr 的定量分析林晓梅X曹玉莹X赵上勇2,孙浩然X高 勋21. 长春工业大学电气与电子工程学院,吉林长春1300122. 长春理工大学理学院,吉林长春130022摘 要 为促进LIBS 技术在土壤微量重金属元素检测中的应用，提高特征谱线的光谱强度和信背比，对实验参数进行优化！并对Cr 元素进行分析％首先对激光器激发能量、样品距透镜距离和光谱仪采集延时等实验参数进行优化%对比激光器能量从60 mJ 到110 mJ 的谱线强度和信背比，当选用90 mJ 的激发能量时可 以得到最佳实验结果％其次，选择不同样品到透镜的距离，对比从焦前5 mm 到焦后5 mm 得到的实验结果，得出样品与透镜距离为焦后1 mm "即聚焦位置121 mm)时，Cr 元素的特征谱线和信背比达到最佳％最后，分析对比光谱仪采集延时对谱线强度和信背比的影响，结果显示，与能量对等离子辐射强度的影响趋势大致相同!当采集延时为1 000 ns 时!实验结果最佳%在最佳实验条件下(即激光器能量90 mJ 、聚焦位置121mm 、采集延时1 000 ns ),对12种含有重金属Cr 元素的土壤样品进行了光谱检测，为减弱外界环境的干扰，对同一样品的10个激光烧蚀位置得到的光谱做平均值预处理!选择Cr ( I )357. 86 nm , Cr( ' )425. 44 nm , Cr (I)427. 49 nm 为特征谱线,通过建立样品掺杂浓度和光谱强度的定标曲线,得到了三条谱线的检测限LOD 分别为74.62, 64.07和67.49 mg ・kg 拟合优度值R 2分别为0.98, 0.97和0. 99,均方根误差值RMSE 分别为0.41, 0. 33和0. 35%同时,引入偏最小二乘法及支持向量机算法进一步提高了定标模型精度%研究表明，通过对实验参数进行优化及改善LIBS 技术对微量元素的定量探测参数，得到了最优的光谱强度 和信背比，并通过对Cr 元素进行定量分析，计算定标曲线的Lorenz 拟合得到检测限、拟合优度和均方根误 差等实验参数,提高了 LIBS 对土壤中重金属元素的检测精度,这对于利用LIBS 技术检测微量重金属元素具有重要的参考意义%关键词 激光诱导击穿光谱；检测限；拟合优度；均方根误差中图分类号：O433.4文献标识码：ADOI ： 10. 3964issn. 1000-0593(2021)03-0875-05引言土壤是人类赖以生存的自然资源％近年来随着工业农业 的迅猛发展，环境污染日益严重％由于重金属的开采、冶炼、加工及商业制造活动日益增多，土壤也不可避免的受到重金 属的污染，并不断累积，造成了严重的土壤重金属污染，同时土壤中重金属元素难降解、易富集，可通过食物链进入人 体，对人体健康造成严重危害如何快速可靠地对土壤 中重金属元素进行检测是研究的热点％传统的光谱检测方法包括原子荧光光谱法、电感耦合等离子体质谱⑶、X 射线荧光⑷、原子吸收法囚等，但是这些方法存在样品预处理繁琐和操作复杂等问题％激光诱导击穿光谱(laser-induced break down spectroscopy , LIBS )技术，又称为激光诱导等离子体光谱，利用高能量脉冲激光聚焦到样品上，使样品在瞬间气化成高温、高密度的激光等离子体，等离子体中包括原子、离子和一些分子，它们会发射其特征波长的光谱，谱线的波 长和强度分别反映了样品中的元素组成和含量％ LIBS 技术具有无需样品采集和预处理、分析速度快、可实现多种元素 实时检测的特点，已广泛应用于爆炸物⑹、燃烧分析冶金分析囚、艺术品鉴定、等离子体诊断分析⑼、水污染检测和土壤污染检测)0*等领域％影响激光诱导击穿光谱技术分析的因素较多，如激光能量、延时时间、透镜到样品表面距离等参数，因此需要优化实验参数来提高激光诱导击穿光谱的检测 和分析能力 % 有研究通过对激光脉冲延时、 聚焦位置等实验参数进行优化, 得收稿日期：2019-10-15,修订日期：2020-03-22基金项目：国家自然科学基金项目(61575030),吉林省科学技术厅项目(20180101283JC ),吉林省教育厅项目(JJKH20190539KJ )资助作者简介：林晓梅，女，1965年生，长春工业大学电气与电子工程学院博士研究生e-mail ： *******************.cn通讯作者e-mail 'lasercust @876光谱学与光谱分析第41卷到土壤中重金属元素分析谱线Cr(I)427.4nm的相对标准偏差(RSD)为12.1%，检测限为2.01mg・kg r1，预测浓度的相对标准偏差为5.15%；孟德硕等口1*利用LIBS技术结合标准加入法对土壤中Cr元素进行了分析，通过优化外推点数量参数，实现了预测结果误差在7%以内％孙淼等)2*通过LIBS技术与卷积神经网络(CNN)相结合，对5类不同污染程度的土壤中铅Pb元素进行了分类试验，结果表明LIBS-CNN可对土壤中Pb质量浓度等级进行快速准确分类，准确度达到99%以上％李艳等)3*基于LIBS结合偏最小二乘回归(PLSR)与最小二乘支持向量机(LS SVM)，对土壤中Cr元素含量检测与分析，并建立分析谱线区间与对应的重金属元素浓度之间的定量回归模型，结果表明LSSVM模型的预测性能更高%研究中对土壤中掺杂的Cr元素进行了定量分析，选取Cr(I)357.86nm［电子能级跃迁：3-(6S)4s-3-4(D)4s40 (31°))，Cr(I)425.44nm{3—5(6S)4s-3—5(4p)4P)，Cr(I) 427.49nm)-5(6S)4s-3-(6S)4P}三条特征谱线作为研究对象，通过优化实验参数，得到最优的光谱强度，从而提高LIBS技术的光谱分析信背比，最后对重金属Cr元素特征谱线进行定量分析研究%1实验部分1.1装置激光诱导击穿光谱实验装置如图1所示，采用1064nm 波长的调Q脉冲Nd:YAG激光器(Continuum，SLI--10)为光源，脉冲宽度为10ns，激光光束经过焦距为120mm的聚焦透镜，将能量聚焦到样品表面；通过半波片和格兰棱镜调节烧蚀靶材的脉冲能量；激光烧蚀靶材产生的等离子体辐射光谱经光纤探头耦合至光谱仪(Andor，Me5000)进行光谱采集%激光器与光谱仪通过数字延时发生器(Berkeley Nucleonics Corp，BNC575)同步控制，使用纳秒激光器的调Q信号进行触发％为了避免样品表面过度烧蚀，靶材置于三维平移台，使每束激光脉冲作用于靶材新的位置上％实验环境为标准大气压，室内常温，湿度为22.5%%为了降低因系统误差对实验结果的影响，采集不同位置的光谱线做平均值处理％图1激光诱导击穿光谱实验装置示意图Fig.1TheexperimentalsetupofLIBSfordetection Cr element in soil 1.2样品制备实验所用的样品由标准土壤样品GBW07403和CHNOs#・9H2O混合而成，制备12种掺杂Cr元素不同浓度的土壤样品％将一定比例的混合物通过蒸馏水溶解，充分搅拌，再经烘干、研磨后，取3g样品放入模具中，用压片机施加30MPa的压强，持续30min，压制成直径30mm，厚度2mm的圆饼形薄片％2结果与讨论实验采集的土壤样品LIBS光谱(356〜428nm)如图2所示％由于土壤基体复杂，对微量元素分析很容易受到其他辐射光谱的干扰，只针对样品原子线及离子线进行分析，而不同价态对元素特征曲线波段并无影响％本实验中，选取其中谱线强度相对较高，受到干扰较小的三条Cr谱线，分别为Cr(I)357.86nm，Cr(I)425.44nm和Cr(I)427.49 nm，作为实验参数优化和定量分析的特征谱线％856428427426575图2土壤样品激光诱导击穿光谱图Fig.2The LIBS of Cr element in soil2.1激光能量对谱线强度的影响土壤样品等离子体辐射光谱由激光烧蚀靶材样品产生。
LIBS激光诱导击穿光谱方案
LIBS安道尔的LIBS解决方案概述一个短的激光脉冲被聚焦到一个样品的表面，产生等离子体。
一个好的高斯分布的激光聚焦到一个点可以接近衍射极限。
聚焦的越紧，越小的激光能量来产生激光诱导。
通常只需几十毫焦耳的能量。
等离子体发射大于2球面度，所以一个快速的f/1镜头可以收集更多的光线。
有时，用一个截止滤光片来滤除入射激光的散射，然而，由于入射激光和信号光被很好地时间分辨，滤光片很少需要。
LIBS通常使用中阶梯光谱仪。
用于样品的宽范围分析，系统用中阶梯光谱仪提供高分辨率和宽波长范围的组合。
也可以把激光传递到样品然后用光纤收集信号。
LIBS的门控要求不是很严格。
门时间和几微妙的延迟是典型的，因此一个慢门ICCD是合适的。
该系统通常可以在内部触发模式操作，通过控制器板触发激光器和延时发生器。
等离子体发射的强度通常足够高，可以用单扫描模式很好地记录光谱。
一个典型的实验配置如下所示：LIBS光谱可以通过多种激光器产生，但是通常用准分子或脉冲Nd:YAG激光器。
高强度激光脉冲和样品相互作用产生等离子流，等离子流随着入射激光撞击点的时间不断变化。
激光脉冲通常持续5到20纳秒。
等离子流通过探测系统被收集和探测。
通常，收集时距离样品远一点以减少自吸收效应和表面效应。
等离子体打破了样品的化学键，使其组成的元素离子化。
光谱发射是组成激发态的弛豫的结果。
在第一个100ns观察到的光谱主要是连续的、强烈的白光辐射，因此没有离散线可以观察到。
等离子体流随着时间和物质变得更松散扩展。
大约从入射激光脉冲1秒钟之后，来源于各种离子的离散线开始变得可见。
下面的光谱表明光谱线随时间的变化。
精确时和光谱线随样品、距等离子体的距离和入射激光的波长，但通常等离子体的演变和它里面的变化发生在微妙尺度。
LIBS是一种确定固体、液体、气体的元素组成有用方法。
LIBS技术，一个高功率激光脉冲被聚焦到样品产生等离子体或激光火花。
从等离子体里的原子和离子的发射被透镜和光纤收集并且被光谱仪和门探测器分析。
基于激光诱导击穿光谱法的钢水成分实时在线检测系统[发明专利]
![基于激光诱导击穿光谱法的钢水成分实时在线检测系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/cc8ce87bdaef5ef7bb0d3c62.png)
专利名称：基于激光诱导击穿光谱法的钢水成分实时在线检测系统
专利类型：发明专利
发明人：杨友良,景会成,马翠红
申请号：CN201210056558.2
申请日：20120306
公开号：CN102608080A
公开日：
20120725
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及钢水成分实时在线检测系统，具体是一种基于激光诱导击穿光谱法的钢水成分实时在线检测系统，包括氧枪、信号激发系统、信号采集处理系统，所述氧枪枪身在其氧气通道内设置有用于氩气及光纤通道的中心管，所述氧枪喷头在其中心位置嵌入有耐高温高压透镜，该耐高温高压透镜外周缘设置有与氩气通道连通的冷却、保护透镜的侧向吹扫孔；所述信号激发系统包括激光器和激光传导光纤，该激光传导光纤由所述中心管进入，其激光传导光纤头延伸至所述中心管端头；所述信号采集处理系统包括传导光纤束头、多通道光谱仪及计算机，该传导光纤束由所述中心管进入，其传导光纤束头延伸至所述中心管端头。
本发明可实现实时在线钢水成分连续检测。
申请人：唐山赛福特电子信息工程有限公司
地址：063020 河北省唐山市高新技术开发区厂区路创业大楼一层
国籍：CN
代理机构：唐山永和专利商标事务所
代理人：张云和
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基于激光诱导击穿光谱的金属材料在线分析技术
基于激光诱导击穿光谱的金属材料在线分析技术
马耀辉;许庆忠;蔡桥洪
【期刊名称】《自动化应用》
【年(卷),期】2024(65)7
【摘要】针对金属材料分析过程中耗时长、破坏性取样、样品制备复杂、成本高等问题,研究了激光诱导击穿光谱(LIBS)的基本原理,构建了LIBS在线分析系统,并将在线分析技术应用到金属材料领域进行了金属成分的快速识别、合金牌号的鉴定及金属材料的质量控制,最后,分析了LIBS技术的优势与局限性,以期为LIBS技术的发展与应用提供有益借鉴与参考。
【总页数】3页(P211-213)
【作者】马耀辉;许庆忠;蔡桥洪
【作者单位】东阳市甘特电气有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TG115.33
【相关文献】
1.基于激光诱导击穿光谱技术的电厂入炉煤煤质在线检测技术研究
2.基于激光诱导击穿光谱技术定量测量甲烷／空气混合当量比的实验研究：门控模式及激光波长的影响分析
3.激光诱导击穿光谱在金属材料在线分析方面的应用进展
4.“基于激光诱导击穿光谱分析的冶金生产过程在线组分检测技术研究与开发”项目通过验收
5.激光诱导击穿光谱煤质在线分析技术现状与展望
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Concentration/mg*kg-1
测量得到的土壤中铜Cu元素的定标曲线 检测限 42mg/kg
测量得到的土壤中镉Cd元素定标曲线 检测限 5mg/kg
Cu检测达到土壤国标二级标准，Cd检测限还未达到国 家标准，但高污染土壤Cd达到10mg/kg量级
K9 Rover in the field
Photo courtesy of NASA Ames
5
2010-7-2
LIBS’ Products and Research
美国、澳大利亚、欧洲有几种产品
多数用于较高含量元素的定性或半定量检测， 如：矿石、合金、煤等 定量检测尚不成熟
国内尚无产品 国内外实验室研究非常活跃
清华大学电子工程系 马晓红
12
Experimental research of LIBS
SOLID: Cu and Cd in Soil samples GAS:
SO2 in air
LIQUID: Ca in milk
1.2 1
46mg/kg 75mg/kg
0.8
Intensity
0.6
2010-7-2
清华大学电子工程系 马晓红
2
What’s LIBS ？
Laser Induced Break-down Spetrospy——基于物质等离子 体发光的光谱分析来探测物质成分的方法。
LIBS产生过程
利用高能量短脉冲激光聚焦至被测样品表面, 产生瞬间高温，将 聚焦处样品激发到等离子态，当返回初始能态时产生原子或 离子发射光谱
2010-7-2 清华大学电子工程系 马晓红 7
Setup of LIBS system
激发光源
Nb YAG激光器，1.06μm
样品池与收集光路
针对不同性状的样品 设计特定的样品池
光谱仪
分辨率0.1nm，小型化
数据采集及光谱分析软件
2010-7-2
清华大学电子工程系 马晓红
8
Key Techniques of LIBS system
谱线分析难点
分析线和其他谱线部分重叠，强度信息被改变 谱线强度受噪声影响而波动
算法研究
谱线强度提取 (强度卷积提取) 谱线拟合法 (分离重叠谱线) 权值构造法 (使用标准光谱迭代构造元素权重,剔除干扰元 素对目标元素含量的影响) 去噪（光谱筛选，光谱噪声分离，平均化处理）
2010-7-2
第五届光纤传感器发展与产业化论坛
激光诱导击穿光谱（LIBS） 技术研究进展
马晓红 赵华凤 张敏 廖延彪 清华大学电子工程系 maxh@
2010-7-2
清华大学电子工程系 马晓红
1
outline
¾ ¾ ¾ ¾
LIBS技术简介及发展状况 LIBS光谱检测系统装置研究 LIBS检测实验研究 LIBS技术应用探索
激光脉冲的特性
激光能量 （20mJ—100mJ） 激光窄脉冲宽度（<10ns） 激光光束聚焦 （10μm量级）
样品池与收集光路设计
提高发射光的利用率
激发光谱的时间和空间特性研究
谱线的延时（衰落）效应 信背比最佳的轴向检测点
光谱的采集与分析
元素的特征谱线的选择 复杂谱线的提取与识别以及定量分析
0.4
0.2
0 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330
Wavelength (nm)
2010-7-2
清华大学电子工程系 马晓红
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LIBS’ Applications for Soil
0.035 0.03
0.025 Intensity/a.u.
0.02
同一元素多条谱线协同判断
定量检测方法 自由定标法
前提：等离子体处于局部热平衡、等离子体中分子比不改变 全谱分析
定标法
确定参考谱线（含量不变，与样品元素谱线相近） 例如：测Cu, 以Ti作为参考谱线
2010-7-2
清华大学电子工程系 马晓红
11
Spectral Analysis of LIBS
280 270 260 250 240 230
Mg Analytical Line 1500
1000
500
100 201
202
203 204 205 wavelength/nm Al Analytical Line
206
207
0 276
278 280 wavelength/nm Ca Analytical Line
清华大学电子工程系 马晓红 9
2010-7-2
Spectral Analysis of LIBS
土壤中微量重金属元素的检测，以铜(Cu) 、镉(Cd)为例
5.5 5 4.5 4 3.5 3 Ti 365.35 2.5 2 1.5 1 300 Ca 317.93 Ca 315.89 Al 309.27 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 Mn 403.08 403.31 Ti 334.19 334.94 336.12 337.28 Fe 344.06 Fe 371.99 373.49 374.83 Fe 385.99 Ca 393.37 388.63 Al 394.40 Al 396.15 Ca 396.85 K 404.41
2.
目前，LIBS技术是对ICP等经典检测方法很好的补充。
2010-7-2 清华大学电子工程系 马晓红 19
THANKS FOR YOUR ATTENTION !
2010-7-2
清华大学电子工程系 马晓红
20
2010-7-2
清华大学电子工程系 马晓红
18
Summary
可对固态、气态、液态物质进行现场快速测量 可实现元素的识别与半定量测量 内标法定量检测相对误差小于10%
LIBS检测系统在两方面表现出其实用性和优越性：
1.
LIBS检测系统体积小，样品不复杂的预处理，可实现在 现场测量，测量时间短，是一种筛选和分级手段。 实现相对含量的比较测量，可利用LIBS系统实时测量， 进行样品含量比较或检测富集植物中元素含量变化。
气体的LIBS检测有其特殊性
N
所需激光脉冲能量高 勿需考虑聚焦位置问题 在开放的空气中即可激发出火花
wavelength(nm)
纯净空气中N
开放的空气中激发出火花
SO2样品室中激发的火花
2010-7-2
清华大学电子工程系 马晓红
16
LIBS’ Applications for Liquid
液体样品的检测有其特殊性
2010-7-2
清华大学电子工程系 马晓红
4
Application scope of LIBS
物质三种状态的LIBS激发
火星探测 钢铁冶金—合金结构分析 探矿—矿石成分分析 燃烧—排气分析在线监控 制药—药片成分监控 土壤污染检测 生物危害检测 水污染检测
清华大学电子工程系 马晓红
LIBS谱线分析与元素含量分析
2010-7-2
辐射光的探测 光谱测量 光谱数据分析及元素含量定性、定量分析
清华大学电子工程系 马晓红 3
Advantages of LIBS
z z z z z
样品制作方便
无需预处理或简单处理
z z
分析快速准确 典型的分析时间为数秒到数分钟 高灵敏度与高空间分辨率 ppm~ppb，微区分析 可同时分析多种元素 包含几乎所有的金属和氢 有较强的深层分析能力 可以在分析过程中直接剥离样品表层 点探测、无损 作用面积<1mm2 可测固态、液态、气态物质
系统中新型激光器应用 光谱仪的研究， 光谱分析方法研究
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清华大学电子工程系 马晓红
6
本课题组LIBS技术研究进展
¾ ¾ ¾
固体样品的研究 气体样品的研究 液体样品的研究
重点研究固体样品微量元素检测： 研究LIBS技术用 于土壤中微量重金属元素的检测，实现实时原位 的元素检测（863课题）
要求激光脉冲能量大 液体内部激发的火花（光谱）受吸收减弱 激发造成液体四溅影响光路
所以需要设计特殊样品池
硫酸铜溶液中Cu谱线
2010-7-2
牛奶中的Ca谱线
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清华大学电子工程系 马晓红
存在的问题
激发出光谱容易，根据光谱确定含量难 自由定标法需全谱，仪器造价高 内标法需针对特定种类样品中的特定元素分别研究 即使是进口LIBS系统，也需要针对被测物进行定标研究 和分析软件二次开发 样品的性状不同影响检测效果
282
450 400 Intensity Intensity 308 310 wavelength/nm 312 350 300 250 200 306
211 212 213 214 215 216 217 218 219
800 700 600 500 400 300 200 314 316 318 wavelength/nm 320
220 210 200 190 180
东南景天茎干样LIBS光谱图
2010-7-2
检测到Zn、Mg、Al和Ca等元素
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