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趨勢(shì)一:便攜化
近年來,隨著對(duì)工業(yè)節(jié)能減排的要求,以及環(huán)境污染事件頻發(fā)、食品安全等一系列問題、快速檢測(cè)儀器得到了極大的重視。對(duì)于軍事國(guó)防業(yè)及突發(fā)事件對(duì)快速響應(yīng)的需求,環(huán)境監(jiān)測(cè)與地質(zhì)對(duì)在線監(jiān)測(cè)的需求,歷史文化遺產(chǎn)對(duì)于不可移動(dòng)物質(zhì)判別的需求,LIBS技術(shù)以其無樣品預(yù)處理,多形態(tài)分析以及無輻射危害的優(yōu)勢(shì)成為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)新發(fā)展的熱點(diǎn),而便攜化無疑是這一技術(shù)的一大發(fā)展趨勢(shì)。這類儀器不但要考慮儀器的集成度和穩(wěn)定性等基本指標(biāo),還需要考慮能耗、抗振動(dòng)、工作環(huán)境等問題。
無論是IVEA的手持LIBS還是TSI的車載小型LIBS儀器,都是在現(xiàn)有儀器基礎(chǔ)上形成的小型化儀器,此外,牛津的手持儀器已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)電池操控,五秒內(nèi)對(duì)鋼鐵樣品實(shí)現(xiàn)分類定性,這是商業(yè)化LIBS的一大,值得所有面向應(yīng)用的科研團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)。而對(duì)于國(guó)內(nèi)的LIBS技術(shù)來說,依然多是基于實(shí)驗(yàn)室的研究?jī)x器,需要復(fù)雜的參數(shù)調(diào)節(jié)與嚴(yán)格的檢測(cè)環(huán)境。在此背景下,我們分析儀器研究中心團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了便攜式激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析儀器的國(guó)產(chǎn)化。便攜式激光光譜分析儀(LIBS )以及體積更小、質(zhì)量更輕,更適用于野外現(xiàn)場(chǎng)樣品快速分析的手持式LIBS儀器:手持式激光光譜分析儀(LIBS Mini),均能在數(shù)秒之內(nèi)在原地完成對(duì)固體、液體甚至氣體形態(tài)的物質(zhì)的完整在線元素分析,因此該類便攜式儀器可用于地質(zhì)、環(huán)境、安保、古董、冶金、表面處理及電子器件現(xiàn)場(chǎng)分析。
趨勢(shì)二: 化
在實(shí)際應(yīng)用中,要摒棄“一機(jī)多用”的面面兼顧思維模式,不僅浪費(fèi)資源,也往往使儀器不能達(dá)到優(yōu)的使用效果。對(duì)于不同的使用需求,要開發(fā)各種有針對(duì)性的實(shí)用儀器。 儀器的使用成本和檢測(cè)精度都會(huì)得到有效的改善。針對(duì)特定的檢測(cè)對(duì)象和檢測(cè)指標(biāo),關(guān)鍵還要有 的、穩(wěn)定可靠的校正模型以及模型的維護(hù)和二次開發(fā)能力。以牛津mPulseTM為例,其抓住鋼鐵分類為應(yīng)用點(diǎn),采用聚類分析的手段,雖然限制了LIBS技術(shù)的應(yīng)用范圍,但是同時(shí)也降低了儀器成本,提高了測(cè)定速度與率。只有跟用戶單位的有效溝通和通力協(xié)作才能夠?qū)崿F(xiàn)LIBS技術(shù)的真正 ,比如我們分析儀器研究中心的LIBS儀器,就是在基于成熟的便攜LIBS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,根據(jù)來自地質(zhì)研究院以及鋼鐵集團(tuán)的實(shí)際需求,對(duì)儀器的硬件參數(shù)與軟件操作進(jìn)行改進(jìn)與升級(jí)。同時(shí),建立了LIBS技術(shù)用于巖性識(shí)別的方法體系,并借助于化學(xué)計(jì)量學(xué)手段開展基體校正研究,探索了地層樣品的LIBS元素定量-半定量分析的模型部分。
趨勢(shì)三:核心零部件研制和創(chuàng)新
國(guó)家對(duì)于國(guó)產(chǎn)科學(xué)儀器的發(fā)展給予了高度的關(guān)注和資金支持,而核心零部件性能對(duì)于儀器整體性能的提升至關(guān)重要。光柵是光譜儀器的核心部件,光柵刻劃集精密機(jī)械、光學(xué)技術(shù)于一身。但目前我國(guó)光柵、檢測(cè)器、掃描裝置等部件多依賴于進(jìn)口。因而,積極采用以及自主研發(fā)國(guó)產(chǎn)部件對(duì)于終成型儀器的商品化上市以及產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力具有極大的推動(dòng)作用。光電倍增管檢測(cè)器;光譜分析用多維固體檢測(cè)器—線陣、面陣式CCD檢測(cè)器;高刻線密度、高光通量全息光柵;中階梯閃耀光柵;高強(qiáng)度短弧氙燈-連續(xù)光源等,這些國(guó)內(nèi)或較少有自主產(chǎn)品,或相應(yīng)的質(zhì)量和性能不及國(guó)外產(chǎn)品。重要的是,儀器成本往往取決于相關(guān)部件的成本,若我們僅僅靠裝配組裝技術(shù),永遠(yuǎn)無法掌握真正的核心技術(shù),也難于形成有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。反過來,LIBS技術(shù)的大力發(fā)展,不僅對(duì)于技術(shù)本身有積極意義,對(duì)于零部件國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程也具有極大的促進(jìn)作用。許多業(yè)內(nèi)人士都曾呼吁大家關(guān)注儀器核心零部件的研制。在這一點(diǎn)上,我們的LIBS研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)此也深有體會(huì)。
趨勢(shì)四:分析方法的創(chuàng)新
只有單純的譜圖,是遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足工業(yè)分析需求的。而簡(jiǎn)單的線性擬合方法,又會(huì)受到基質(zhì)效應(yīng)等因素的影響。對(duì)于分類方法來說,固定不變的參數(shù)同樣會(huì)因?yàn)橥饨缁|(zhì)的變動(dòng)而在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生較大誤差。大多數(shù)LIBS分析軟件依賴于光譜儀的操控,僅僅是獲得元素的譜圖,而后續(xù)再采用第三方軟件進(jìn)行處理;亦或是通過小化參數(shù)的改變來實(shí)現(xiàn)定性測(cè)定的要求。可以說,沒有合適分析方法的LIBS儀器僅僅是硬件的堆積。只有加入分析方法學(xué),統(tǒng)計(jì)算法學(xué)等,才能夠?qū)崿F(xiàn)LIBS技術(shù)的有效應(yīng)用。這一點(diǎn)也是國(guó)外現(xiàn)有LIBS技術(shù)的一個(gè)共性問題,其操作或過于繁復(fù),或過于簡(jiǎn)單,用戶需要自己考量的部分太多。因此,我們的研發(fā)團(tuán)隊(duì)在對(duì)于分析參數(shù)的變動(dòng)與軟件的簡(jiǎn)化,實(shí)現(xiàn)原位物質(zhì)瞬時(shí)定性與快速定量等方面,結(jié)合光譜特征譜線識(shí)別與標(biāo)定方法,在整體上完成了自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研發(fā)與設(shè)計(jì),為整個(gè)LIBS實(shí)驗(yàn)過程的自動(dòng)化控制打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
趨勢(shì)五:技術(shù)聯(lián)用
近年來,由于激光光譜儀器部件的趨同性,技術(shù)發(fā)展的一大趨勢(shì)是將之與其他檢測(cè)技術(shù)聯(lián)用,例如將LIBS多元素檢測(cè)能力和拉曼技術(shù)或熒光技術(shù)在分子層面的檢測(cè)能力相結(jié)合,得到更為的物質(zhì)成分信息。我們提出開發(fā)兼具原子光譜和分子Raman光譜的LIBRAS(Laser Induced Breakdown Raman Spectroscopy)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)激光光譜儀對(duì)樣品中元素和物質(zhì)種類的鑒別和量化,這是分析技術(shù)的一次重點(diǎn)跨越,在推進(jìn)分析測(cè)試技術(shù)方面將具有意義。另外,通過與傳統(tǒng)富集方法的結(jié)合或者是創(chuàng)新的信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)也是目前LIBS 技術(shù)研究工作中的一個(gè)重要方向。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,分析儀器與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和云技術(shù)的聯(lián)用可以對(duì)于遠(yuǎn)距離測(cè)試,異地操控等實(shí)際應(yīng)用有極大價(jià)值,其潛力亦不可忽視。
趨勢(shì)六:遙測(cè)
目前納米脈沖激光器的使用已經(jīng)可以進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)百米左右距離的固體目標(biāo)遙測(cè)。通過使用有效的聚焦透鏡對(duì)激光束遠(yuǎn)程高度聚焦,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的等離子體激發(fā)和收集。隨著LIBS儀器的日趨成熟,今后可能將其安裝在遙控操作式載體上,完成對(duì)空氣、地面甚至水下檢測(cè)任務(wù)。以火星探測(cè)為例,在航天應(yīng)用時(shí),不可能將探頭固定于某一位點(diǎn),應(yīng)用LIBS技術(shù),在非接觸的遠(yuǎn)距離條件下即可獲得巖石的測(cè)定結(jié)果,因而LIBS技術(shù)繼火星車ChemCam之后又一次被選為金星探測(cè)用儀器。
趨勢(shì)七:提高可靠性
可靠性是分析儀器的靈魂和生命線。對(duì)于當(dāng)前的LIBS系統(tǒng),可靠性仍然是發(fā)展中亟待解決的問題之一。此外,在儀器完善過程中,必須采取一系列可靠性設(shè)計(jì)分析工作,做好可靠性試驗(yàn)與驗(yàn)證工作。當(dāng)務(wù)之急是建立可靠的檢測(cè)范圍和實(shí)驗(yàn)方法來鞏固和完善其在定量分析中的實(shí)用性,盡快制定出完善的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),得到行業(yè)的認(rèn)可,從而以快速度擴(kuò)大LIBS技術(shù)的應(yīng)用范圍。為此,我們的研發(fā)團(tuán)隊(duì)在前期激光等離子體空間分辨性質(zhì)研究的基礎(chǔ)上,對(duì)儀器的光學(xué)收集系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)造性地改良,了信號(hào)收集效率的增強(qiáng),提高了儀器的靈敏度,并通過光學(xué)技術(shù)的,采用單脈沖雙光束激發(fā)的LIBS技術(shù),能夠有效地避開等離子體的遮蔽效應(yīng),使終激光能量受外界環(huán)境干擾因素顯著地降低。
綜上所述,LIBS技術(shù)的發(fā)展正呈現(xiàn)出突飛猛進(jìn)的勢(shì)頭,其研究熱點(diǎn)主要集中于更高的靈敏度、更高的性、更好的選擇性、更高的自動(dòng)化程度、儀器的小型化和智能化等方面。