激光诱导击穿光谱技术下的土壤检测：卓立SCMOS光谱仪的作用

技术介绍：

激光诱导击穿光谱（Laser-induced breakdown spectroscopy，简称LIBS）作为一种近年来随着激光及光谱学技术的发展而快速兴起的新型光学元素分析技术，具有快速实时、可原位检测及可远程测量等优势，被誉为“未来化学分析之星”。

2012年，美国宇航局（NASA）将LIBS 技术用于火星岩石成分探测，其测量原理是通过一束聚焦后的高能脉冲激光对火星岩石表面进行烧蚀瞬间产生等离子体（一般在微秒甚至纳秒级别），通过光谱仪等光学探测设备对等离子体发射光谱进行探测分析，从而实现火星岩石中元素组成和含量测量，其原理如图1 所示。

图1：LIBS原理图及LIBS在火星探测中的应用

实验装置介绍：

LIBS测量系统主要由激光器、光谱仪、时序控制器、信号采集系统、激光光路系统以及位移平台等部分组成，装置图如图2所示。在本系统中，主要使用532 nm的激光作为样品激发源，用于烧蚀样品产生等离子体。采用DG535时序控制器实现激光器和光谱仪之间的信号同步，以保证等离子体光谱信号能被有效的采集。为了保证样品测量的有效性，讲样品放置于三维位移平台表面，测量过程中同时移动位移平台，保证每次激光烧蚀样品均为未烧蚀区域。在本系统光谱信号探测中，我们主要采用北京卓立汉光仪器有限公司自主研制的Omni-λ500i系列“影像谱王”光栅光谱仪进行信号采集，以评估该光谱仪在LIBS土壤样品测量中的可行性。

图2：LIBS实验装置图

产品应用：

在土壤样品测量过程中，为保证土壤样品的均匀性，对土壤样品进行烘干研磨过筛以及压片后进行测量。为获得较好的光谱信号，我们采用激光能量为50 mJ，SCMOS信号采集延时和门宽分别为1 us和5 us，光栅刻线选择1200 lines/mm。最终土壤样品光谱信号结果如图3所示。

图3：土壤样品测量光谱图（光谱仪选择中心波长为402 nm、422 nm、588 nm以及766 nm）

可以看出，采用该系统测量土壤样品可以获得信噪比很好的光谱信号，能够实现土壤中一些主要元素包含Ca、Al、Mn、Na及K等元素的有效测量，因此可以用于实现土壤样品中元素的定性及定量分析。

此外，我们还对含氮样品进行了分析，设置光谱仪中心波长为388 nm，采集CN分子光谱信号，如图所示可以看出，采用该光谱仪可获得明显的CN分子光谱信号以及Al、Ca等原子光谱信号。

图4：含氮样品测试结果（光谱仪中心波长选择388 nm）

此外，我们还采集了Ca、Al以及K元素在不同延时下的光谱信号，如图5及图6所示。可以看出，随着采集延时的逐渐增大，光谱信号逐渐减弱，能够有效实现us级别光谱信号时间分辨。

图5：不同采集延时下Ca、Al光谱信号

图6：不同采集延时下K元素光谱信号

专家介绍

马世祥，博士，北京市农林科学院，助理研究员，主要从事激光光谱技术在农业环境（土壤、水体等）检测方面的研究工作，目前担任中国光学工程学会光谱技术及应用专业委员会青年委员。主持/参与项目26项，其中主持国家自然科学基金青年基金、国家重点研发计划子课题、北京市青年人才托举项目等6余项；共计发表SCI论文40余篇，其中以第一作者/通讯作者身份在Journal of Hazardous Materials、Food Chemistry、Talanta、Journal of Analytical Atomic Spectrometry等权*期刊发表SCI论文13篇，获得授权发明专*10余项。

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