隨著航天科技水平和能力的提高，人類開始了深空探測的嘗試。探測方式上，一般包括飛越、硬著陸(撞擊)、環(huán)繞、軟著陸(+巡視)、無人采樣返回、載人探測等形式
而“采樣”的探測手段，通常是使用一個樣品采集器，通過采集待測樣品（如，月球土壤）后，經(jīng)返航器回到地球，由特定的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。
不過，現(xiàn)在我們有了一種技術(shù)，也許今后不用返回地球，一眼就能看穿你~~
LIBS技術(shù)是怎么“看穿”樣品的？
通過對地外星球采樣然后返回地球分析的方式在實(shí)際應(yīng)用中非常費(fèi)時費(fèi)力，且很難對目標(biāo)星球上的各種物質(zhì)所含成分進(jìn)行全面的了解。
為了解決這一問題，科學(xué)家們使用了一種新型技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的樣品采集方式，它就是激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)，英文名叫Laser Induced Breakdown Spectroscopy，簡稱LIBS。
LIBS技術(shù)概括如下：采用一定功率密度的激光束作用于樣品表面，樣品表面就會蒸發(fā)、氣化、電離、最終形成等離子體（由大量的電子、離子、原子、分子組成的準(zhǔn)中性氣體），并利用光譜儀所產(chǎn)生的等離子體的發(fā)射光譜進(jìn)行采集，通過分析所采集的光譜數(shù)據(jù)的波長及強(qiáng)度來確定樣品的物質(zhì)成分及含量，被著名分析化學(xué)家James D. Winefordner喻為“未來檢測之星”。
為什么呢？因?yàn)閭鹘y(tǒng)的物質(zhì)成分檢測方法，像X射線、電子探針、離子探針等，通常需要對樣品進(jìn)行復(fù)雜的處理，且分析時需要高度真空的環(huán)境，檢測速度慢，無法實(shí)現(xiàn)原位、在線、實(shí)時檢測，而LIBS可以彌補(bǔ)上述方法的不足。
LIBS檢測設(shè)備通常由幾部分構(gòu)成，包括激光器、時序控制器、光譜儀、以及由透鏡組成的激光光路發(fā)射與等離子體光譜采集裝置，基本組成如下圖:
LIBS基本裝置及組成
激光器產(chǎn)生激光束，經(jīng)過透鏡匯聚之后，在樣品表面就可以激發(fā)出等離子體。通過透鏡對產(chǎn)生的等離子體發(fā)射光譜信號耦合到光纖，并通過光纖將等離子體發(fā)射信號傳輸給光譜儀，光譜儀將采集的光譜數(shù)據(jù)傳輸給電腦進(jìn)行處理。此外，由于所產(chǎn)生的等離子體生命周期短，一般是幾十納秒到幾十微秒，因此，需要采用時序控制器來控制激光器與光譜儀觸發(fā)及采集上同步。
我們這里所說的光譜，是指復(fù)色光經(jīng)過色散系統(tǒng)分光后，被色散開的單色光按波長（或頻率）大小而依次排列的圖案，全稱為光學(xué)頻譜，如下圖所示:
可見光波段光譜圖（波長范圍從右到左400nm-700nm）
若光譜按波長和強(qiáng)度排列，所形成的光譜圖類似如圖5所示。在LIBS應(yīng)用中，根據(jù)波長位置來判斷物質(zhì)中元素組成，例如：Na元素的特征譜線589.593nm和588.996nm，Si元素的特征譜線288.15nm；根據(jù)波長所對應(yīng)譜線強(qiáng)度，來判斷物質(zhì)的含量。
光譜圖
火星探測用上了LIBS技術(shù)
LIBS技術(shù)在地外探測中，最具影響力的是火星探測。于2011年11月發(fā)射，2012年8月成功登陸火星的“好奇者”號火星車主要采用了LIBS技術(shù)。科學(xué)家們將LIBS的激光發(fā)射與光譜采集裝置集成在火星車的“頭部”，在進(jìn)行物質(zhì)探測時，只需要發(fā)射一束激光束，就可以根據(jù)在目標(biāo)物質(zhì)表面產(chǎn)生的等離子體發(fā)射光譜來對目標(biāo)物質(zhì)成分進(jìn)行分析。
“好奇者”號火星車(圖片來源https://www.nasa.gov/)
2013年9月26日，美國航天局“好奇”號火星車發(fā)現(xiàn)，火星表面土壤按重量算約2%是水分，這意味每立方英尺（不到0.03立方米）的火星土壤能夠獲得約1升的水。(新華網(wǎng)[引用日期2014-12-31])
2015年6月18日，“好奇”號探測器在火星隕石樣本中發(fā)現(xiàn)大量甲烷，證明了火星上有微生物存在。(網(wǎng)易新聞 [引用日期2015-06-18]
2019年10月，美國航天局表示，“好奇”號火星車在火星蓋爾隕石坑內(nèi)發(fā)現(xiàn)了富含礦物鹽的沉積物，表明坑內(nèi)曾有鹽水湖，顯示出氣候波動使火星環(huán)境從曾經(jīng)的溫潤、潮濕演化為如今冰凍、干燥的氣候。(新華網(wǎng)[引用日期：2019年10月10號])
LIBS應(yīng)用于金屬成分的在線分析
在地球上，LIBS最主要的用途就是分析金屬成分了。
首先，它可以完成金屬成分的在線分析檢測。早在2014年，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所孫蘭香團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了LIBS在煉鋼廠的示范應(yīng)用，并在國際上首次實(shí)現(xiàn)了40噸級鋼包的鋼水成分的在線測量，現(xiàn)場設(shè)備如圖所示。
LIBS在冶煉鋼鐵中的應(yīng)用
此外，在有色金屬領(lǐng)域，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出了國內(nèi)首款適合鋁合金、銅合金生產(chǎn)過程在線成分檢測的LIBS在線成分分析儀，并在遼寧忠旺、天津立中合金、貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)院等企業(yè)中得到應(yīng)用驗(yàn)證。
有色金屬LIBS分析儀
除了地外探測和金屬分析，LIBS還具有十分廣泛的用途。
1. 選礦（漿）
在選礦工業(yè)中,礦漿的品位決定著精礦的產(chǎn)出，為了對礦漿品位的快速在線檢測，沈陽自動化研究所孫蘭香團(tuán)隊(duì)研發(fā)了適用于選礦過程的LIBS在線成分分析儀，目前已經(jīng)在云南磷化集團(tuán)的選礦廠進(jìn)行示范應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對礦漿中P、Mg、Al、Fe、Si等元素的在線檢測，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖6所示。
礦漿成分分析儀
2. 水泥檢測
在水泥生產(chǎn)中，組成水泥的成分含量，直接影響著水泥的質(zhì)量。而傳統(tǒng)檢測技術(shù)價格昂貴，且無法實(shí)現(xiàn)工業(yè)在線分析的需求。為此，沈陽自動化研究所孫蘭香團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一套水泥成分分析系統(tǒng)，對水泥中Ca、Si、Al、Fe、Mg元素實(shí)現(xiàn)了在線檢測。該設(shè)備如圖所示。
水泥成分檢測LIBS分析系統(tǒng)（1、激光器及光學(xué)系統(tǒng)；2、控制柜；3、計(jì)算機(jī)；4、料盒；5、二維電動平移臺
3. 深海探測
LIBS技術(shù)還可以用來進(jìn)行海洋探測。“發(fā)現(xiàn)”號纜控潛水器上就配備了LIBS系統(tǒng)，該系統(tǒng)由中國海洋大學(xué)研發(fā)，隨著潛水器下潛至4500米深度，進(jìn)行深海資源的探測。
“發(fā)現(xiàn)號”探測器（Applied Optics, 2010, 49(13):868-872.）
此外，LIBS技術(shù)還能在土壤污染、水資源污染、大氣、金屬分揀、爆炸物殘余、肉產(chǎn)品質(zhì)量、糧食、塑料分類等方面發(fā)揮重要作用。
由于LIBS技術(shù)原位在線快速的檢測優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域基本概括了工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的方方面面。但由于LIBS檢測過程中極易受環(huán)境的干擾，且各元素自吸收效應(yīng)及基體效應(yīng)的存在，使得LIBS在測試中存在元素精度不高，檢測結(jié)果的重現(xiàn)性差等問題。相信在不久的將來，LIBS技術(shù)一定會以其強(qiáng)有力的優(yōu)勢助推現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展。
LIBS應(yīng)用領(lǐng)域
注：本文圖片除注明來源者外，其余均由中國科學(xué)院沈陽自動化研究所孫蘭香團(tuán)隊(duì)提供。
文章來源：“科學(xué)大院”微信公眾號
作者：中國科學(xué)院沈陽自動化研究所 博士研究生 汪為
