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，經返航器回到地球，由特定的實驗室進行分析。

　　不過，現在我們有了一種技術，也許今后不用返回地球，一眼就能看穿你~~

LIBS技術是怎么“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際應用中非常費時費力，且很難對目標星球上的各種物質所含成分進行全面的了解。

　　為了解決這一問題，科學家們使用了一種新型技術來代替傳統的樣品采集方式，它就是激光誘導擊穿光譜技術，英文名叫Laser Induced Breakdown Spectroscopy，簡稱LIBS。

　　LIBS技術概括如下：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、氣化、電離、最終形成等離子體（由大量的電子、離子、原子、分子組成的準中性氣體），并利用光譜儀所產生的等離子體的發射光譜進行采集，通過分析所采集的光譜數據的波長及強度來確定樣品的物質成分及含量，被著名分析化學家James D. Winefordner喻為“未來檢測之星”。

　　為什么呢？因為傳統的物質成分檢測方法，像X射線、電子探針、離子探針等，通常需要對樣品進行復雜的處理，且分析時需要高度真空的環境，檢測速度慢，無法實現原位、在線、實時檢測，而LIBS可以彌補上述方法的不足。

　　LIBS檢測設備通常由幾部分構成，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

　　激光器產生激光束，經過透鏡匯聚之后，在樣品表面就可以激發出等離子體。通過透鏡對產生的等離子體發射光譜信號耦合到光纖，并通過光纖將等離子體發射信號傳輸給光譜儀，光譜儀將采集的光譜數據傳輸給電腦進行處理。此外，由于所產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及采集上同步。

　　我們這里所說的光譜，是指復色光經過色散系統分光后，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）

       若光譜按波長和強度排列，所形成的光譜圖類似如圖5所示。在LIBS應用中，根據波長位置來判斷物質中元素組成，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；根據波長所對應譜線強度，來判斷物質的含量。

光譜圖

火星探測用上了LIBS技術

        LIBS技術在地外探測中，最具影響力的是火星探測。于2011年11月發射，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?？茖W家們將LIBS的激光發射與光譜采集裝置集成在火星車的“頭部”，在進行物質探測時，只需要發射一束激光束，就可以根據在目標物質表面產生的等離子體發射光譜來對目標物質成分進行分析。

“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”號火星車發現，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[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現大量甲烷，證明了火星上有微生物存在。(網易新聞 [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發現了富含礦物鹽的沉積物，表明坑內曾有鹽水湖，顯示出氣候波動使火星環境從曾經的溫潤、潮濕演化為如今冰凍、干燥的氣候。(新華網[引用日期：2019年10月10號])

LIBS應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，中國科學院沈陽自動化研究所孫蘭香團隊成功實現了LIBS在煉鋼廠的示范應用，并在國際上首次實現了40噸級鋼包的鋼水成分的在線測量，現場設備如圖所示。

LIBS在冶煉鋼鐵中的應用

　　此外，在有色金屬領域，該團隊已經開發出了國內首款適合鋁合金、銅合金生產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、貴陽鋁鎂設計院等企業中得到應用驗證。

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）
　　在選礦工業中,礦漿的品位決定著精礦的產出，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隊研發了適用于選礦過程的LIBS在線成分分析儀，目前已經在云南磷化集團的選礦廠進行示范應用，實現了對礦漿中P、Mg、Al、Fe、Si等元素的在線檢測，實驗設備如圖6所示。

礦漿成分分析儀

2. 水泥檢測
　　在水泥生產中，組成水泥的成分含量，直接影響著水泥的質量。而傳統檢測技術價格昂貴，且無法實現工業在線分析的需求。為此，沈陽自動化研究所孫蘭香團隊開發出了一套水泥成分分析系統，對水泥中Ca、Si、Al、Fe、Mg元素實現了在線檢測。該設備如圖所示。

水泥成分檢測LIBS分析系統（1、激光器及光學系統；2、控制柜；3、計算機；4、料盒；5、二維電動平移臺

3. 深海探測
　　LIBS技術還可以用來進行海洋探測?！鞍l現”號纜控潛水器上就配備了LIBS系統，該系統由中國海洋大學研發，隨著潛水器下潛至4500米深度，進行深海資源的探測。

“發現號”探測器（Applied Optics, 2010, 49(13):868-872.）

　　此外，LIBS技術還能在土壤污染、水資源污染、大氣、金屬分揀、爆炸物殘余、肉產品質量、糧食、塑料分類等方面發揮重要作用。

　　由于LIBS技術原位在線快速的檢測優點，應用領域基本概括了工業生產領域的方方面面。但由于LIBS檢測過程中極易受環境的干擾，且各元素自吸收效應及基體效應的存在，使得LIBS在測試中存在元素精度不高，檢測結果的重現性差等問題。相信在不久的將來，LIBS技術一定會以其強有力的優勢助推現代工業發展。

LIBS應用領域

注：本文圖片除注明來源者外，其余均由中國科學院沈陽自動化研究所孫蘭香團隊提供。

文章來源：“科學大院”微信公眾號

作者：中國科學院沈陽自動化研究所 博士研究生 汪為