“一眼”就能把你看透!真有这么神奇的技术?

撰稿: 发布时间:2020-04-22

  随着航天科技水平和能力的提高,人类开始了深空探测的尝试。探测方式上,一般包括飞越、硬着陆(撞击)、环绕、软着陆(+巡视)、无人采样返回、载人探测等形式

  而“采样”的探测手段,通常是使用一个样品采集器,通过采集待测样品(如,月球土壤)后,经返航器回到地球,由特定的实验室进行分析。

  不过,现在我们有了一种技术,也许今后不用返回地球,一眼就能看穿你~~

LIBS技术是怎么“看穿”样品的?

  通过对地外星球采样然后返回地球分析的方式在实际应用中非常费时费力,且很难对目标星球上的各种物质所含成分进行全面的了解。

  为了解决这一问题,科学家们使用了一种新型技术来代替传统的样品采集方式,它就是激光诱导击穿光谱技术,英文名叫Laser Induced Breakdown Spectroscopy,简称LIBS。

  LIBS技术概括如下:采用一定功率密度的激光束作用于样品表面,样品表面就会蒸发、气化、电离、最终形成等离子体(由大量的电子、离子、原子、分子组成的准中性气体),并利用光谱仪所产生的等离子体的发射光谱进行采集,通过分析所采集的光谱数据的波长及强度来确定样品的物质成分及含量,被著名分析化学家James D. Winefordner喻为“未来检测之星”。

  为什么呢?因为传统的物质成分检测方法,像X射线、电子探针、离子探针等,通常需要对样品进行复杂的处理,且分析时需要高度真空的环境,检测速度慢,无法实现原位、在线、实时检测,而LIBS可以弥补上述方法的不足。

  LIBS检测设备通常由几部分构成,包括激光器、时序控制器、光谱仪、以及由透镜组成的激光光路发射与等离子体光谱采集装置,基本组成如下图:

LIBS基本装置及组成

  激光器产生激光束,经过透镜汇聚之后,在样品表面就可以激发出等离子体。通过透镜对产生的等离子体发射光谱信号耦合到光纤,并通过光纤将等离子体发射信号传输给光谱仪,光谱仪将采集的光谱数据传输给电脑进行处理。此外,由于所产生的等离子体生命周期短,一般是几十纳秒到几十微秒,因此,需要采用时序控制器来控制激光器与光谱仪触发及采集上同步。

  我们这里所说的光谱,是指复色光经过色散系统分光后,被色散开的单色光按波长(或频率)大小而依次排列的图案,全称为光学频谱,如下图所示:

可见光波段光谱图(波长范围从右到左400nm-700nm)

       若光谱按波长和强度排列,所形成的光谱图类似如图5所示。在LIBS应用中,根据波长位置来判断物质中元素组成,例如:Na元素的特征谱线589.593nm和588.996nm,Si元素的特征谱线288.15nm;根据波长所对应谱线强度,来判断物质的含量。

光谱图


火星探测用上了LIBS技术

        LIBS技术在地外探测中,最具影响力的是火星探测。于2011年11月发射,2012年8月成功登陆火星的“好奇者”号火星车主要采用了LIBS技术。科学家们将LIBS的激光发射与光谱采集装置集成在火星车的“头部”,在进行物质探测时,只需要发射一束激光束,就可以根据在目标物质表面产生的等离子体发射光谱来对目标物质成分进行分析。

“好奇者”号火星车(图片来源https://www.nasa.gov/)

  2013年9月26日,美国航天局“好奇”号火星车发现,火星表面土壤按重量算约2%是水分,这意味每立方英尺(不到0.03立方米)的火星土壤能够获得约1升的水。(新华网[引用日期2014-12-31])

  2015年6月18日,“好奇”号探测器在火星陨石样本中发现大量甲烷,证明了火星上有微生物存在。(网易新闻 [引用日期2015-06-18]

  2019年10月,美国航天局表示,“好奇”号火星车在火星盖尔陨石坑内发现了富含矿物盐的沉积物,表明坑内曾有盐水湖,显示出气候波动使火星环境从曾经的温润、潮湿演化为如今冰冻、干燥的气候。(新华网[引用日期:2019年10月10号])

LIBS应用于金属成分的在线分析

  在地球上,LIBS最主要的用途就是分析金属成分了。
  首先,它可以完成金属成分的在线分析检测。早在2014年,中国科学院沈阳自动化研究所孙兰香团队成功实现了LIBS在炼钢厂的示范应用,并在国际上首次实现了40吨级钢包的钢水成分的在线测量,现场设备如图所示。

LIBS在冶炼钢铁中的应用

  此外,在有色金属领域,该团队已经开发出了国内首款适合铝合金、铜合金生产过程在线成分检测的LIBS在线成分分析仪,并在辽宁忠旺、天津立中合金、贵阳铝镁设计院等企业中得到应用验证。

有色金属LIBS分析仪

  除了地外探测和金属分析,LIBS还具有十分广泛的用途。

1. 选矿(浆)
  在选矿工业中,矿浆的品位决定着精矿的产出,为了对矿浆品位的快速在线检测,沈阳自动化研究所孙兰香团队研发了适用于选矿过程的LIBS在线成分分析仪,目前已经在云南磷化集团的选矿厂进行示范应用,实现了对矿浆中P、Mg、Al、Fe、Si等元素的在线检测,实验设备如图6所示。

矿浆成分分析仪

2. 水泥检测
  在水泥生产中,组成水泥的成分含量,直接影响着水泥的质量。而传统检测技术价格昂贵,且无法实现工业在线分析的需求。为此,沈阳自动化研究所孙兰香团队开发出了一套水泥成分分析系统,对水泥中Ca、Si、Al、Fe、Mg元素实现了在线检测。该设备如图所示。

水泥成分检测LIBS分析系统(1、激光器及光学系统;2、控制柜;3、计算机;4、料盒;5、二维电动平移台

3. 深海探测
  LIBS技术还可以用来进行海洋探测。“发现”号缆控潜水器上就配备了LIBS系统,该系统由中国海洋大学研发,随着潜水器下潜至4500米深度,进行深海资源的探测。

“发现号”探测器(Applied Optics, 2010, 49(13):868-872.)

  此外,LIBS技术还能在土壤污染、水资源污染、大气、金属分拣、爆炸物残余、肉产品质量、粮食、塑料分类等方面发挥重要作用。

  由于LIBS技术原位在线快速的检测优点,应用领域基本概括了工业生产领域的方方面面。但由于LIBS检测过程中极易受环境的干扰,且各元素自吸收效应及基体效应的存在,使得LIBS在测试中存在元素精度不高,检测结果的重现性差等问题。相信在不久的将来,LIBS技术一定会以其强有力的优势助推现代工业发展。

LIBS应用领域

注:本文图片除注明来源者外,其余均由中国科学院沈阳自动化研究所孙兰香团队提供。

文章来源:“科学大院”微信公众号

作者:中国科学院沈阳自动化研究所 博士研究生 汪为