20131224 - 激光诱导击穿光谱及其应用研究进展
激光诱导击穿光谱在生物医学中的应用
激光诱导击穿光谱在生物医学中的应用摘要:概述了激光诱导击穿光谱技术的发展历史及其基本原理,给出了激光诱导击穿光谱技术分类及其应用领域, 并对该技术在生物医学领域中的应用及最新进展进行了详细的阐述,最后通过对研究结果进行分析,得出结论:激光诱导击穿光谱在生物医学这一领域中正逐步吸引越来越多的科学家的兴趣,具有重要的应用价值和发展前景。
关键词:激光技术;生物医学应用;激光诱导击穿光谱;等离子体中在病例对照研究中有人指出,特定元素缺失与特定癌症有关, 研究表明, 45%的癌症与营养元素有关,是食物中某些营养元素不足造成的。
为了帮助人们解除疾病痛苦, 揭示生命的奥秘,需要激光技术的发展、基础医学的进步以及它们与其它技术领域的融合,以产生更多新的医疗方法。
基于激光与固体、液体、气体和气溶胶相互作用的介电击穿产生的等离子体发射称为激光诱导击穿光谱 (laser induced breakdown spectroscopy,LIBS)技术。
自 1962年BRECH最先提出了用红宝石微波激射器诱导产生等离子体的光谱化学方法后,LIBS的应用技术研究成为研究的热点。
LIBS具有高效、痕量、微观准确、灵敏、可在非破坏和非接触的条件下进行分析、无须取样和进行样品预处理、一次光谱可测量多种组分、测量对象可以是固体、液体,也可以是气体等特点。
LIBS广泛应用于固体、液体及气溶胶材料的分析。
已经在工业材料疲劳评价、宇宙空间探索、远程爆炸物探测、考古学研究、陆地碳储量勘探、薄膜分析、环境保护与文化遗产保存等领域得到普遍应用。
但是国内对LIBS的研究还较少,特别是在生物医学方面的应用,国内还没有研究,因此,具有较大的研究空间与研究价值。
LIBS基本原理当一束脉冲强度很大的激光聚焦到检测对象上时,检测物质被快速电离并产生高温、高密度的等离子体。
用光谱仪直接收集样品表面等离子体产生的发射谱线信号,从理论上可根据发射光谱的强度进行定量分析。
激光诱导击穿光谱技术在半导体材料检测方面的应用进展
激光诱导击穿光谱技术在半导体材料检测方面的应用进展武传奇;修俊山
【期刊名称】《激光杂志》
【年(卷),期】2024(45)3
【摘要】对于半导体材料的研究来说,其在材料内部的元素组成以及含量是影响其性能的一个重要因素,常规的检测方法虽然能够检测出样品中成分以及含量信息,但是在这过程中存在成本高、效率低、耗时长、过程较为繁琐等问题。
在分析技术领域不断发展的今天,急需寻找一种便携、新颖、与当今材料相匹配的检测技术。
正是基于以上需求,激光诱导击穿光谱(LIBS)技术逐步走进了大众的视野,对LIBS技术进行了简要介绍,在此基础上着重介绍了利用LIBS技术来分析半导体材料表面的微分析研究与半导体材料金属氧化物纳米薄膜方面的研究进展,介绍了LIBS技术在这两方面检测的优势以及未来LIBS技术在这些方面的发展。
【总页数】6页(P24-29)
【作者】武传奇;修俊山
【作者单位】山东理工大学物理与光电工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】O43
【相关文献】
1.激光诱导击穿光谱技术在液体检测中的应用进展
2.激光诱导击穿光谱与拉曼光谱技术在危险物检测中的研究进展
3.激光诱导击穿光谱技术在金属元素检测中的应
用研究进展4.激光诱导击穿光谱和激光超声技术在钢轨检测中的应用5.激光诱导击穿光谱在金属材料在线分析方面的应用进展
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激光诱导击穿光谱技术及其在药学中的应用
激光诱导击穿光谱技术及其在药学中的应用摘要：激光诱导击穿光谱法是一种基于原子发射光谱和激光等离子体发射光谱的元素分析方法。
自LIBS问世以来，就被公认为是一种前景广阔的技术。
LIBS实验方法简单，在微小区域分析可弥补传统元素分析方法的不足，除了用于传统的实验室分析外，LIBS还是一种为数不多的可手持、便携式的元素分析技术。
由于无需复杂的前处理过程，LIBS技术简便、快速，非常适合大批量样品的快速、现场或在线检测，正在为分析领域带来众多的创新应用。
关键词：激光诱导等离子体；激光诱导击穿光谱；元素分析；定性；定量引言：激光诱导击穿光谱技术（LIBS）基于原子发射光谱和激光等离子体发射光谱，是一种正在发展中的对样品中元素成分进行快速、现场定性定量检测的分析技术。
本文介绍了LIBS的由来、基本原理、实验装置和实验方法特点，综述了LIBS在药学方面的应用。
分析得出LIBS技术应用方便快捷，能快速辨识药品真伪且应用前景广泛，有利于药品市场的质量监管，在药物分析中将获得更为广泛的应用。
1激光诱导击穿光谱技术的概述激光诱导击穿光谱技术（laserinductedbreakdownspectroscopy,LIBS）是一种原子发射光谱技术，适用于所有物质（气态、液态、固态），具有快速、微损、样品准备简单和多元素同时探测等优点，广泛地应用于爆炸物检测、文化遗产、生物医学分析、土壤重金属检测、地质分析、食品安全等领域。
利用LIBS技术和化学计量学方法结合可实现待测样品的分类识别。
2在药学领域的应用2.1化学药品LIBS技术在药物分析领域的应用已获得成功，非常适合用于药品生产质量控制、过程分析和监控。
由于在气体和液体样品测量中涉及相对复杂的辅助装置，较低的采集效率、容易导致的样品溅射污染等缺点，LIBS更适合用于固态包括粉末状压制成片剂后的样品分析。
以下介绍LIBS用于片剂和包衣分析的一些代表性的研究。
LIBS可用于多组分片剂的实时分析，以特征的元素原子发射谱线（如药物中磷和润滑剂中镁）进行定量分析，实现组分相近药物的快速区分。
低温等离子体 激光诱导击穿光谱
低温等离子体激光诱导击穿光谱
低温等离子体和激光诱导击穿光谱是两种不同的技术，它们在科学研究和工业应用中都有广泛的应用。
低温等离子体是一种由气体原子或分子在低温下被电离后产生的电离气体。
在低温等离子体中，电子和离子的浓度非常高，这使得等离子体具有很高的导电性和化学活性。
低温等离子体在材料加工、表面处理、环境保护等领域有着广泛的应用。
激光诱导击穿光谱是一种发射光谱分析技术，通过高能脉冲激光与物质相互作用生成等离子体，并在对辐射光谱中原子、离子或分子基的特征谱线检测分析之后获得待测物质组成的定性与定量信息。
这种技术可以用于对物质进行成分分析和结构分析，具有高灵敏度、高分辨率和高速度的优点。
虽然低温等离子体和激光诱导击穿光谱是两种不同的技术，但它们在某些应用中可以相互补充。
例如，在材料加工和表面处理中，低温等离子体可以用于处理表面，而激光诱导击穿光谱可以用于检测处理后的表面成分和结构。
需要注意的是，低温等离子体和激光诱导击穿光谱都是高技术领域，需要专业的知识和技能才能正确地应用它们。
同时，这些技术也涉及到一些安全问题，例如激光的辐射安全和等离子体的控制等问题，因此在使用这些技术时需要严格遵守相关的安全规范。
激光诱导荧光光谱仪的特点及应用介绍
激光诱导荧光光谱仪的特点及应用介绍激光诱导荧光光谱仪（LIF）是基于激光荧光光谱技术的一种仪器。
使用激光束激发样品中的荧光分子，再通过荧光分子发出的光进行分析和检测。
本文将介绍LIF的特点及其应用。
一、LIF的特点1. 高分辨率LIF检测方法的检测灵敏度非常高，可以达到ppb（10-9）的级别。
同时，它的分辨率也极高，可以轻松实现nm（10-9）级别的分辨能力。
2. 非破坏性检测LIF的激发方法是使用激光来刺激样品中的荧光分子，因此不需要使用试剂或化学处理样品。
这种非破坏性检测方法可以有效避免样品被污染或被毁坏的风险。
3. 灵敏度高LIF仪器可以检测非常小的样品量，通常只需要微升级别的样品，即可得到足够的信号。
此外，LIF还有极高的分析速度和高精度。
4. 检测范围广LIF可以对多种物质进行检测，包括生物分子、有机物、无机盐、气体等等。
这种广泛的检测范围使得LIF成为一种多功能性的检测技术，可以用于许多不同领域。
二、LIF的应用1. 生物医学领域LIF在生物医学领域的应用非常广泛，常被用于病原体检测、药物筛选、生物分子的研究等方面。
因为LIF具有非常高的灵敏度和分辨率，所以能够检测到非常微小的基因和蛋白质，有助于生物医学领域的诊断和治疗。
2. 环境监测LIF也可以被应用于环境监测领域，比如空气和水质的检测。
以卤代烃类物质为例，使用激光激发样品中的卤代烃分子，通过监测荧光信号，可以得知样品中的卤代烃物质浓度。
此外，LIF还能在行星地质学、气象等方面应用。
3. 药物研发药物研发中，LIF被广泛用于药物筛选和分析。
使用LIF检测药物作用的生物分子，可以准确地测定药物的作用和分布。
4. 食品安全检测LIF也可以用于食品安全监测。
比如使用LIF检测食品中的有害物质，就能够快速准确地检测出未加工，在加工过程中添加的可以残留在食品中的有害物质。
结论总之，激光诱导荧光光谱仪（LIF）以其高分辨率、非破坏性检测、高灵敏度、广泛的检测范围等特点，在生物医学、环境监测、药物研发和食品安全方面都具有重要的应用价值。
激光诱导击穿光谱技术应用动态
分 析 仪 器
９
激光 诱 导 击 穿 光谱 技 术 应 用 动 态
马 艺闻 杜振辉 孟 繁莉 林 旺 徐可欣
（ 津 大 学 精 密 测 试 技 术 及仪 器 国家 重 点 实 验 室 ，０ ０ ２ 天 ３０７）
摘
要
激 光 诱 导 击 穿 光 谱 技 术 是 一 种 基 于原 子 发 射 光 谱 学 的 物 质 成 分 和 浓 度 分 析 技 术 。随 着 激 光 器 及 光
属合 金成 分 的检测 分析 。近年 的研 究主要集 中于如
度高， 可在 恶劣环 境条 件或是 远程 遥测 条件下 ， 现 实
多组 分 、 位 、 线 、 时 、 量检测 。 原 在 实 痕
何 降低基 体 效 应 、 高 分 析 精 度 及 降低 检 出 限 等 。 提
崔执 凤等 人 Ｅ 采 用 Ｌ Ｂ ８ ］ Ｉ Ｓ技术 对铅 黄 铜合 金 的激 光 诱导光 谱特 性进 行 了实验研 究 ， 析 了靶点 位置 、 分 激
ｌ 引 言
激光 诱 导 击 穿 光 谱 技 术 （ａｅ— ｄ ｃｄ ｂｅ ｋ １ｓｒ ｎ ｕ ｅ ｒａ — Ｉ ｄ ｗｎｓ ｅｔｏｃ ｐ ，Ｌ Ｂ ） 光 谱 分 析领 域 一种 崭 ｏ ｐ ｃｒｓｏ ｙ Ｉ Ｓ 是 新 的分析 手 段 Ｉ 。 自 １ ６ １ ］ ９ ２年 Ｂ ｅｈ最 先 提 出 了用 ｒｃ 红宝 石微 波激射 器诱 导产 生等 离子体 的光谱 化学 方 法后 ， Ｉ Ｓ技术 被 广 泛应 用 于 固体 、 体 和 气 体 等 ＬＢ 液 各个领 域＿ 。该技 术基 于原 子光 谱 和离 子 光谱 的 ２ ］ 波长 与特定 的元 素一 一 对 应 ， 而且 光谱 信 号 强 度 与 对 应元 素的 含量具 有 一 定 的量 化 关 系 ， 用 高 功率 利 激光 与物质相 互作 用 产 生 瞬态 等 离 子 体 ， 并采 用 光
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。
激光诱导击穿光谱与拉曼光谱技术在危险物检测中的研究进展
使用的炸药和爆炸装 置 中占很大 比例 的是 自杀式人体 和汽车
炸 弹 以及 自制 的 临 时 炸 药 。因 此 ，迫 切 需 要 发 展 对 炸 药 ，特
等方 面不 能完全保证人员 与设 备的安全 ，难 以满足现代 反恐
Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ ） 和拉曼 （ Ｒａ ｍａ ｎ ） 光谱 技术 是两种 最有 发展 潜力 和应 用 前 景的探测技术［ ４ ３ 。 本文对 Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ技 术 、Ｒａ ｍａ ｎ技 术 以及 Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ － Ｒａ ｍａ ｎ联 合
除反恐外 ， 危 险物 的检 测在公共安全 方面也 具有重 大意
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ６ — ０ ８ — ０ ４ 。修 订 日期 ：２ ０ １ ６ — １ ２ — ０ ８
探 测技术在危 险物检 测 中的应用情况进 行综述 。 介 绍技 术发
展 的现状 ， 并分 析每种方法 的优 缺点 。
１ Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ 技术在 危险物检测 方面 的应用
Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ技术 是通过高 能激 光诱 导物 质产 生等 离 子体 发光
应用 的需要 。 美 国军方 Ｅ ｄ ｇ ｅ ｗ ｏ ｏ ｄ化 生 中 心 在 一 份 报 告 中 指 出： “ 目前 ， 还 没有 一种 探 测器 可 以在 安 全距 离 上 （ 至少 ５ Ｏ
别是痕量炸药 的快 速 、 灵敏 检测手段 。 此 外 ，１ ９ ９ ５年东京 地 铁沙林毒气袭击 案 ，以及 ２ ０ ０ １年 发生 在美 国 的炭疽 杆菌 邮
义 。以 ２ ０ １ ５ 年天津港 ８ ． １ ２ 特别 重大 火灾 爆炸 为例 。事故 现
场存储有危 险化学品 ６大类 ４ ｏ余 种 ，物质 种类 多 、数量 大 、
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激光诱导击穿光谱及其应用研究进展
钢铁研究总院测试所
贾云海
激光诱导击穿光谱原理
激光诱导击穿光谱法（Laser Induced Breakdown Spectroscopy 或 Laser Induced Plasma
Spectroscopy）简称为 LIBS 或 LIPS，由美国 Los Alamos 国家实验室的 David Cremers 研
究小组 1962 年提出和实现。该技术是目前国际非常流行，极具价值，非常有前景的分析工
具 激光经透镜聚焦在样品表面，当激光脉冲的能量密度大于击穿门槛能量时，就会在局部产
生 等离子体，称作激光诱导等离子体。用光谱仪直接收集样品表等离子体产生的发射谱线信
号， 根据发射光谱的强度进行定量分析 。
激光诱导等离子体发射谱线的形成过程
（a）多光子电离形成等离子体
(b) 轫 致辐射及电子自由跃迁形成的宽带发射，主要为等离子
体中各元素的电离线形成的连续背景谱线，该过程需几百纳秒。 (c)能级跃迁形成的谱线
发射，谱线强度与元素浓度成正比。该过程通常持续几微秒，是
进行元素定量分析的重要环节
激光诱导击穿光谱技术的优势
■ 分析简便、快速，无须烦琐的样品前处理过程；
■ 对样品尺寸、形状及物理性质要求不严格，可分析不规则样品；可分析导体、非导
体材料，以及难熔材料；可测定固态样品，还可以测定液态、气态样品；
■ LIBS 具有高灵敏度与高空间分辨率，可进行原位微区分析；
■ 可进行样品痕量分析，现场分析以及高温、恶劣环境下的远程分析
激光诱导击穿光谱在环境领域中的应用 激光感生击穿光谱的应用研究进行得最早、最深入
的是环境领域，libs 主要用于探测水、 土、空气中重金属，监控水、土、空气的污染状
况。以土壤分析为例：
□ 传统的化学检测方法需要在实验室里进行并耗费大量的时间用来进行制备、溶解、
离子交换等工序
□ Libs 可实现实时快速分析土壤中的 Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb 和 Zn 等 7 种重金属元
素，与用 ICP-AES 的测量方法比较,误差都不超过 6%
激光诱导击穿光谱在冶金领域中的应用
激光诱导击穿光谱可应用于炼钢工艺流程中各个环节：
1 高炉炉气分析 2 炉渣分析 3 液钢分析
4 钢材缺陷分析 5 成品钢材料筛选 激光诱导击穿光谱在冶金领域中的应
用 - 炉气分析 不影响冶金工艺流程的情况下，通过对炉气的探测监控冶炼过程中
的传热传质过程 高炉炉顶条件:
■ 平均温度；180℃
■ 气体流速；10～20m/s
■ 平均气压：2.3 bar.
氮气作为一种吹扫气体，炉顶气体中氮氩比室检测取样系统故障的标志，而且对于计算铁水
冶炼过程中的物质平衡也非常重要，采用双脉冲技术，可实现对氮气的探测。其他测量元素
包括：Na, K, Zn, Pb, C, O, H, Ca Fe. 测量含量范围：2.46 x 10-3 ～ 1.84 x 10 -2 g/m3 ，
相对标准偏差：2.3% to 7%.
激光诱导击穿光谱在冶金领域中的应用-钢液的直接分析
■ 传统离线分析法：钢液取样，样品凝固，升降台送样，样品预 处理后
用火花光谱仪对炉前样品进行分析。
■ 激光诱导击穿光谱：对高温钢液在线直接分析，使及时调整熔体成分成为可能，降
低了冶炼成本，提高生产效率。
1 激光器 2 聚焦镜
3 激光电源 计算机
4 反射镜
5 聚焦镜
6 感应炉
7 坩锅 高温下
钢液谱图
高温钢液的谱图比常温下复杂很多，且高温下光谱信号也极不稳定，通过增加激发的次数，
多点平均平滑处理获得了良好的效果。
钢液的分析结果
LDR ：线性动态范围
R2: 相关系数
LOD: 检测限 RSD：五次测量的
相对标准偏差 SD: 五次测量的
标准偏差
激光诱导击穿光谱在冶金领域中的应用-钢材缺陷分析
缺陷检测的传统方法-电子探针微分析(EPMA)
• 样品制备耗时多
• 操作需要特殊技术
很难满足大量样本的快速检测
LIBS 和 EPMA 分析结果对照
LIBS 可以迅速判断缺陷类型
LIBS 和 EPMA 分析过程比较
激光诱导击穿光谱在冶金领域中的应用-材料筛选 由于可靠耐用、对环境耐受性强、响应
快、自动化、易于现场操作，LIBS 技术已被成功地 用于工业生产过程控制与材料筛选。
全自动化激光诱导击穿光谱系统用于自动钢产品筛选，以下过程都由软件控制完成。
■ 机器人：样品取放
■ 激光激发控制
■ 数据处理
■ 样品取放到位的探测
■ 标样的曲线标定 激光
诱导击穿光谱分析不锈钢的性能
Fe: 25.721~96.465 Cu: 0.019~208 Mn: 0.18~13.794
Cr: 1.155~28.34 Mo: 0.01~3.105
Ni: .1~39.745 Ti: 0.004~0.476
■ 自动筛选条件：
Fe≤0.7%; Cr≤0.25%
Ni≤0.25% Cu≤0.03%
Mo≤0.03% Ti≤0.05%
■ 分析结果
样品数：134
➢ 耗时：80min
➢ 平均每个样品分析时间（包括预处理时间）为：36s
➢ 检验准确率：100％
过去采用 X 荧光分析,每个样品分析耗时至少 15 分钟，激光诱导光谱法用于现场的钢产品筛
选，可大大提高了生产效率，
激光诱导击穿光谱在深空探测领域中的应用
LIBS 在深空探测的优势：
• 遥感探测，LIBS 可以对登陆车无法到达的区域进行探测
• 表面清洁能力—利用重复脉冲除去目标表面的尘土和风华层， 使得探测结果更 加
真实有效
• 与阿尔法质子 X 射线谱仪数小时的积分时间相比，LIBS 可以实现几分钟的快速探测，
极大的增加了登陆车在有限的工作时间内的有效数据。
90 年代初期开始，美国投入了巨大的精力研究 LIBS 技术在深空探测领域的可行性，并计划
在 2009 年的 MSL 火星车上装载 LIBS 探测仪器。图为轻型 LIB S 探测火星土壤的化学成分。
激光诱导击穿光谱在其他领域中的应用
由于 LIBS 不用预处理，局部分析区域小、空间分辨率高、不破坏分析对象，可应用在艺术、
玻璃、眼镜、医学等行业。典型应用举例：
□ 定量分析古陶器的釉中的 Fe,Ca,Mg,Al 和 Si 等。
□ 联合了喇曼显微技术分析，鉴定古代的油画和壁画、插画等
□ 定量分析古代玻璃，测定硅酸盐材料中的硼等其他轻元素，而且测定微量元素精度
在 ppm 水平
□ 分析眼镜中的 Pb 含量，辨别不同种类的眼镜
□ 利用 LIBS 研究牙齿，腿骨中痕量元素含量，研究钙化物的形成与自然环境、生理和
医学的关系
激光诱导击穿光谱应用前景展望
■ LIBS 的优越性在于无须制样、直接快速、样品损失少、灵敏度高、用途广泛。它不
仅可以提供微观的物质结构、化学成分及其变化信息，而且适合于各种形态、尺寸
的样品，是目前极为活跃也很有发展前景的研究领域
■ 随着激光技术的发展，新的光学方法将使仪器更加小型化并有助于成本的降低，从
而促进 LIBS 技术的进一步推广与应用。
可以预言，LIBS 的将会在人们生产生活的各方面得到广泛的应用。