卓立ISCOMS和光谱仪在LIBS中的应用

概述

激光诱 导击穿光谱（LIBS, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy）是利用高能脉冲激光来进行材料元素成分分析的一种原子发射光谱的分析技术。其基本原理是利用高能激光与样品相互作用。激光脉冲瞬间将样品表面的微小部分蒸发，并生成高温、高能的等离子体。等离子体内的原子和离子通过激发态回到基态时发射出特定波长的光子，不同元素的光谱具有特定的波长和强度，通过光谱仪采集这些光信号并进行分析，即可得到样品的元素成分。

 LIBS技术因其制样简单或无需制样、适用于各种形态的物质（气、固、液）、全元素同步分析、快速、实时、在线原位、远程等特点，在元素分析领域得到了广泛应用。随着仪器技术的不断进步，LIBS的应用范围也从实验室扩展到工业在线检测和便携式应用中。

对于LIBS装置来说，光谱仪和探测器的分辨率和灵敏度是至关重要的两个性能指标。LIBS所采集的光谱是一种由多种元素发射的复杂光谱信号，通常包括大量的发射线，这些发射线可能来自样品中的不同元素、不同的电子能级跃迁，或是在等离子体的不同物理条件下产生。这些发射线可能存在重叠、交叉甚至是极其接近的情况，准确解析这些光谱信息变得极为挑战。光谱仪的分辨率决定了它能否将靠得很近的光谱线有效区分开。如果光谱仪的分辨率不足，两个发射线会被混淆，导致误判或无法正确解析某些元素的存在。这对于痕量元素的检测尤其重要，因为痕量元素的发射线通常较弱且容易被强信号掩盖。高分辨率的光谱仪可以将这些发射线分开，确保每个元素的特征光谱得以清晰捕捉和准确分析。灵敏度则决定了光谱仪能否检测到微弱的光谱信号，尤其是在痕量元素或弱发射元素的分析中起到关键作用。等离子体中的发射光强度可能因不同的物理和化学条件而差异显著，某些元素的发射信号相对较弱。如果光谱仪的灵敏度不足，微弱的光谱信号可能会被背景噪声淹没，导致重要信息的丢失。灵敏度高的光谱仪不仅可以捕捉到这些微弱的发射线，还能显著提高信噪比，使得即使在复杂背景下，也能获得可靠的光谱数据。

本公司推出的IsCOMS相机与小型化C-T结构光谱仪（Omni系列）具备出色的分辨率和灵敏度，在LIBS的测试中表现出良好的效果。

测试效果展示

LIBS测试装置示意图如下所示。激光器使用纳秒量级的脉冲激光器，激发波长为1064 nm。光谱仪和相机使用本公司自研的Omni系列小型化C-T结构光谱仪和IsCOMS相机，搭配配套开发的T-Lab ViewIS软件，可以轻松获取、分析和保存光谱数据。

图1 LIBS测试装置示意图
 

Omni系列光谱仪有200 mm，320 mm，500 mm和750mm焦距的不同型号，光谱仪采用多光栅塔台设计（至多可配置3块光栅），适应不同光谱波段使用的光栅选择，覆盖UV-IR全波段范围。光栅采用大面积光栅(68×68 mm)，提高了光收集效率。测试使用的光谱仪焦距500 mm，光栅刻线1200 g /mm，闪耀波长 600 nm，光谱分辨率可达到0.05nm左右。

测试使用的IsCMOS相机，能够实现低噪声、高速、超快门控拍照。相机采用高效超快像增强器和1:1光纤面板耦合工艺技术，配合>95% 量子效率科研制冷型sCMOS 相机，具有较低的噪声和很高的光电转化效率，可以探测微弱的光谱信号，有助于LIBS对痕量元素或弱发射元素的分析。*短光学快门宽度小于3 ns，延迟与门控精度为10 ps，内置时序控制器DDG，满足LIBS对光谱采集延时和门宽的需求。

图2 IsCMOS相机自动背景扣除后的本底和汞灯光谱的基线

通过标准汞灯和T-Lab ViewIS软件校准后，光谱仪扫描拼接谱的光谱准确度能做到 < 0.2 nm（图3）。测试获得了铝合金LIBS光谱，如图4所示，Al元素特征谱线信号明显，谱峰位置偏移量小，谱线轮廓清晰。通过T-Lab ViewIS软件不同中心波长扫描多次成谱，可以生成大范围LIBS光谱（图5）。

图3 汞灯的扫描拼接光谱

图4 铝合金LIBS光谱(386.7-406.3 nm)

图5 铝合金LIBS扫描光谱(200-800 nm) 

测试中采用配套的多芯光纤，通过线阵排列耦合到光谱仪具有更高的光通量（图6），搭配上面阵的科学级制冷型IsCMOS，装置具有出色灵敏度，可以检测更弱的信号。本次测试的LIBS光谱环境为大气环境，样品除铝合金还包括PVC（聚氯乙烯）、含Cl混凝土、矿石和空气（图7），光谱大致范围833-843 nm。其中837.594 nm为Cl I谱线，PVC和含Cl混凝土光谱图中对应该特征谱线位置附近存在相应峰。并且在Cl混凝土光谱图中，在0.4 nm距离的较强谱峰干扰下，该谱峰仍能够被较为清晰的分辨。虽然不能完全排除O II 837.584nm谱线以及分子和基团谱线的影响，但混凝土样品光谱中极大可能测到了Cl元素的谱线信号。

图6 IsCMOS相机图像（标准Hg灯546.07nm谱线）

图7 PVC（聚氯乙烯）、含Cl混凝土、矿石和空气的LIBS光谱

参考文献

[1] Cremers D A, Radziemski L J. Handbook of laser-induced breakdown spectroscopy[M]. Second edition edition. Chichester, West Sussex: Wiley, A John Wiley & Sons, Ltd, Publication, 2013.

[2] Qiu Y, Guo X, Shi M, et al. Plasma dynamics and chlorine emission characteristics on cement pastes using collinear dual-pulse laser-induced breakdown spectroscopy[J]. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 2023, 209: 106799.