卓立SCMOS光譜儀助力精準土壤檢測：激光誘導擊穿光譜技術的探索

技術介紹：

激光誘導擊穿光譜（Laser-induced breakdown spectroscopy，簡稱LIBS）作為一種近年來隨著激光及光譜學技術的發展而快速興起的新型光學元素分析技術，具有快速實時、可原位檢測及可遠程測量等優勢，被譽為“未來化學分析之星"。

2012年，美國宇航局（NASA）將LIBS 技術用于火星巖石成分探測，其測量原理是通過一束聚焦后的高能脈沖激光對火星巖石表面進行燒蝕瞬間產生等離子體（一般在微秒甚至納秒級別），通過光譜儀等光學探測設備對等離子體發射光譜進行探測分析，從而實現火星巖石中元素組成和含量測量，其原理如圖1 所示。

圖1：LIBS原理圖及LIBS在火星探測中的應用

實驗裝置介紹：

LIBS測量系統主要由激光器、光譜儀、時序控制器、信號采集系統、激光光路系統以及位移平臺等部分組成，裝置圖如圖2所示。在本系統中，主要使用532 nm的激光作為樣品激發源，用于燒蝕樣品產生等離子體。采用DG535時序控制器實現激光器和光譜儀之間的信號同步，以保證等離子體光譜信號能被有效的采集。為了保證樣品測量的有效性，講樣品放置于三維位移平臺表面，測量過程中同時移動位移平臺，保證每次激光燒蝕樣品均為未燒蝕區域。在本系統光譜信號探測中，我們主要采用北京卓立漢光儀器有限公司自主研制的Omni-λ500i系列“影像譜王"光柵光譜儀進行信號采集，以評估該光譜儀在LIBS土壤樣品測量中的可行性。

圖2：LIBS實驗裝置圖

產品應用：

在土壤樣品測量過程中，為保證土壤樣品的均勻性，對土壤樣品進行烘干研磨過篩以及壓片后進行測量。為獲得較好的光譜信號，我們采用激光能量為50 mJ，SCMOS信號采集延時和門寬分別為1 us和5 us，光柵刻線選擇1200 lines/mm。最終土壤樣品光譜信號結果如圖3所示。

圖3：土壤樣品測量光譜圖（光譜儀選擇中心波長為402 nm、422 nm、588 nm以及766 nm）

可以看出，采用該系統測量土壤樣品可以獲得信噪比很好的光譜信號，能夠實現土壤中一些主要元素包含Ca、Al、Mn、Na及K等元素的有效測量，因此可以用于實現土壤樣品中元素的定性及定量分析。

此外，我們還對含氮樣品進行了分析，設置光譜儀中心波長為388 nm，采集CN分子光譜信號，如圖所示可以看出，采用該光譜儀可獲得明顯的CN分子光譜信號以及Al、Ca等原子光譜信號。

圖4：含氮樣品測試結果（光譜儀中心波長選擇388 nm）

此外，我們還采集了Ca、Al以及K元素在不同延時下的光譜信號，如圖5及圖6所示。可以看出，隨著采集延時的逐漸增大，光譜信號逐漸減弱，能夠有效實現us級別光譜信號時間分辨。

圖5：不同采集延時下Ca、Al光譜信號

圖6：不同采集延時下K元素光譜信號

專家介紹

馬世祥，博士，北京市農林科學院，助理研究員，主要從事激光光譜技術在農業環境（土壤、水體等）檢測方面的研究工作，目前擔任中國光學工程學會光譜技術及應用專業委員會青年委員。主持/參與項目26項，其中主持國家自然科學基金青年基金、國家重點研發計劃子課題、北京市青年人才托舉項目等6余項；共計發表SCI論文40余篇，其中以第一作者/通訊作者身份在Journal of Hazardous Materials、Food Chemistry、Talanta、Journal of Analytical Atomic Spectrometry等權*期刊發表SCI論文13篇，獲得授權發明專*10余項。

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