LIBS应用之 | 从等离子体火花里读出的“元素指纹”

LIBS技术的核心原理的是利用短脉冲或超短脉冲激光聚焦于样品表面，瞬间将样品局部烧蚀并激发形成高温等离子体，等离子体冷却过程中会发射出具有元素特征的光谱信号，通过分析这些光谱信号，就能快速确定样品中的元素组成及相对含量。

图1 LIBS系统搭建原理示意图

从检测范围来看，LIBS技术几乎可覆盖周期表中绝大多数元素，无论是金属元素（如铁、铝、钙、镁等）、非金属元素（如碳、硅、磷等），还是微量、痕量元素，都能实现有效检测。更值得一提的是，它无需复杂的样品预处理，甚至可实现无接触、无损检测，检测时间仅需毫秒级，能极大提升分析效率。

凭借这些优势，LIBS技术的应用场景已广泛渗透到多个领域：在矿业领域，可快速分析矿石中的元素成分，为勘探、开采提供实时数据支持；在金属材料行业，能实现合金成分检测、表面涂层分析及缺陷排查；在能源领域，可用于煤炭元素含量的在线监测，助力燃煤电厂污染物管控；在环境监测领域，能快速检测水质、土壤中的重金属污染物；在农业与食品领域，可用于农产品的品质鉴别、成分分析，为食品安全保驾护航。

• 矿业勘探领域：可实现野外现场快速检测，无需将矿石样品带回实验室，几分钟内就能分析出矿石中金银、铜铁、稀土等元素含量，为勘探选址、矿石品位评估、矿脉划分提供实时数据，大幅缩短勘探周期、降低勘探成本，尤其适配偏远矿区的现场作业需求。

• 煤炭分析领域：作为能源领域的细分核心场景，可在线或离线检测煤炭中碳、氢、氧、氮、硫等关键元素含量，同时快速筛查灰分、水分相关关联元素，为燃煤电厂污染物排放管控、锅炉燃烧效率优化提供精准数据，也可用于煤炭贸易中的品质快速核验，避免供需纠纷。

• 核工业领域：适配核材料检测的高安全性、低污染需求，可无接触检测核燃料元件中的铀、钚等核素含量及杂质成分，同时能对核废料、核污染区域的放射性元素进行快速筛查与溯源，减少检测过程中人员接触风险，为核设施运维、核污染治理提供技术支撑。

• 金属材料领域：适用于合金成分快速筛查、金属构件表面缺陷及涂层成分分析，能精准识别合金中的微量元素占比，及时排查材料掺杂、成分不达标等质量隐患，广泛应用于机械制造、航空航天、汽车零部件等高端制造场景，也可用于废旧金属回收的快速分类分拣。

• 冶金工业领域：贯穿冶金生产全流程，可实时检测高炉炉渣、钢水、有色金属熔体中的元素组成及含量变化，帮助操作人员动态调整配料比例、优化冶炼工艺，减少能耗与废料产生，同时保障冶金产品的成分稳定性与品质一致性。

• 环境监测领域：可快速检测土壤、水质、大气颗粒物中的重金属及有害元素，无需复杂样品前处理，能在污染现场实时获取检测结果，为环境应急处置、污染溯源、土壤修复效果核验提供技术支持，适配农田污染、水体污染、工业场地污染等多场景检测需求。

• 建筑材料领域：可检测水泥、砂石、瓷砖等建筑材料中的钙、硅、铝、铁等主要成分及重金属杂质，排查放射性元素含量是否达标，保障建筑材料的安全性与性能稳定性，也可用于古建筑修复中，无损分析原有建材成分，实现修复材料的精准匹配。

• 农业与食品领域：涵盖农产品品质鉴别、食品安全检测等场景，既能分析作物中的氮、磷、钾等营养元素含量，指导精准施肥，也能排查农药残留中的有害元素、食品加工中的重金属污染。其中茶叶测试是典型应用，可通过元素组成差异鉴别茶叶采收期、产地及品质等级，为茶叶品质管控、市场规范化提供精准依据。

• 考古文博领域：针对文物样品不可破坏性的核心需求，LIBS技术可无接触、微损检测陶瓷、金属、玉石等文物的材质成分，通过元素组成溯源文物的产地、烧制工艺或加工原料，为文物真伪鉴别、修复方案制定、历史文化研究提供科学支撑。

• 生物医药领域：适配生物样品的低损伤检测需求，可快速分析生物组织、血液、药物中的微量元素及矿物质成分，助力研究微量元素与疾病的关联、药物成分纯度管控，同时能对医疗器械表面的金属残留、消毒残留进行快速检测，保障医疗安全。

茶灰作为茶叶经高温处理后的无机残留物，其成分与茶叶品质密切相关，是评价茶叶等级的重要指标之一。传统茶灰分析多聚焦于灰分含量测定，缺乏对茶叶与茶灰元素组成及分子光谱差异的系统研究。为填补这一空白，天津理工大学研究团队以铁观音茶叶为研究对象，开展了“基于激光诱导击穿光谱技术的铁观音茶叶与茶灰光谱特性研究”，为茶叶品质评价提供了全新的技术视角与理论支撑。

中国是茶叶的发源地，茶文化源远流长，铁观音作为知名乌龙茶品种，主产于福建闽南地区，因其独特风味深受消费者青睐。茶叶的成分构成复杂，主要包含蛋白质、茶多酚、咖啡因等有机化合物，以及金属氧化物、磷酸盐等无机化合物，其中无机成分的积累量与茶叶成熟度、品质等级直接相关——茶叶老化程度越高，矿物质与粗纤维含量越高，对应的灰分含量也越高，因此灰分含量被纳入中国茶叶国家标准，成为品质评价的核心参数之一（国标规定乌龙茶灰分含量需低于6.5%）。

传统检测方法存在明显局限：一方面，对茶叶与茶灰的成分分析多依赖电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）等技术，需复杂样品预处理，检测周期长、成本高，且无法同步获取原子与分子光谱信息；另一方面，现有LIBS技术在茶叶检测中的应用多集中于元素识别与定量分析，针对茶叶与茶灰的光谱差异对比研究尚未见报道，难以全面揭示茶灰形成过程中元素的转化规律。基于此，研究团队采用LIBS技术，旨在通过对比分析铁观音茶叶与茶灰的光谱特性，明确二者元素组成及分子自由基的差异，为茶叶品质快速评价及重金属元素富集检测提供新思路。

图3 铁观音茶叶与灰分的激光诱导击穿光谱（LIBS）谱图。（a）300-462纳米波段与（b）461-950纳米波段。

图3展示了茶叶与灰分在300-950nm波段的LIBS光谱，关键发现如下：

• 金属元素富集现象：灰分中Ca、K、Mg等元素谱线强度显著增强，例如Ca II 393.4nm线强度提升约5倍，印证了灰化过程中无机物的浓缩效应；

• 自吸收效应：K I 766.5nm和769.9nm谱线在灰分中出现中心波长凹陷和展宽（图3b），表明高浓度钾元素导致等离子体自吸收；

• 有机元素衰减：茶叶中明显的C I 907-940nm谱带在灰分中几乎消失，证实有机物高温挥发。

图4 自由基的LIBS光谱。(a)CN自由基，(b)C2自由基及(c)CaO自由基

图4进一步揭示了茶叶有机分子与灰分无机分子的特征差异：

• CN自由基谱带：茶叶光谱中清晰可见B2Σ?–X2Σ?跃迁产生的三重序列（Δν=+1,0,-1），其中414-422nm波段与Sr II 421.6nm线重叠（图4a）；

• C? Swan带：茶叶中D3Πg–A3Πu跃迁在508-517nm处形成强峰，而灰分中该谱带完全消失（图4b）；

• CaO自由基增强：灰分中CaO橙色带（546-561nm）强度显著提升，因灰分钙含量远高于茶叶（图4c）。

不同采收期绿茶的LIBS光谱差异，本质上源于其元素组成及含量的变化。茶叶在不同生长周期，对土壤中钙、镁、铁、锰等矿物元素的吸收量存在差异，这些元素在LIBS激发下会产生特征光谱线，其强度差异成为区分采收期的关键依据。例如，明前茶因生长周期长，钙、镁等有益元素积累量更高，对应的特征光谱线强度更显著，与夏秋茶形成明显区分。

该研究的核心价值在于验证了LIBS技术在茶叶品质快速鉴别中的可行性：相较于传统方法，LIBS技术兼具“快、准、无损”三大优势，既能满足实验室精准分析需求，也有望实现田间、市场等场景的现场快速检测。同时，SSA-SVM算法的引入，解决了LI

LIBS技术的高效应用，离不开核心设备的性能支撑。如海光电凭借深耕光谱领域的技术积淀，打造了涵盖HGS2048台式多通道系统、Cora、Gino、Maria系列高性能光谱仪的全场景产品矩阵，精准适配从实验室精密研究到现场快速检测的多元需求，凭借其优异的技术指标，为各类元素分析场景提供了可靠保障，适配农产品、矿石、金属等领域的检测需求。

作为台式LIBS系统的核心型号，HGS2048配置多通道高分辨光谱仪，光学分辨率可达0.1-0.2nm（典型特征峰），最高更可至0.07nm，能清晰捕捉Ca、Mg、Fe等微量元素的微弱特征谱线，为元素含量分析提供精准数据支撑。激光器采用1064nm激发波长，脉冲能量可达200mJ且可调，脉宽控制在4-5ns，搭配纳秒级外触发控制器，同步触发最低延时仅0.4μs，外触发抖动Jitter值＜0.5ns，能精准捕捉激光激发等离子体的瞬时光谱信号，避免因信号衰减导致的分子自由基bands识别误差，完美适配各个领域检测需求。

如海光电官Cora、Gino和Maria系列模块化光谱仪，为检测提供了灵活的配置方案。该系列支持多通道定制，可根据实际检测需求搭配专属波段通道，实现190-1100nm全光谱范围无缝拼接

在软件与系统集成层面，如海光电全系列产品均适配UspectralPlus专业光谱分析软件，内置S-G平滑、AirPLS基线校正、AI算法扩展等功能，可快速完成光谱数据的预处理与特征提取，无需额外开发分析程序，大幅降低LIBS技术在研究中的应用门槛。

如海光电的光谱仪及测试系统均能凭借精准的光谱采集、稳定的运行表现与灵活的配置能力，为研究开展与技术落地提供坚实支撑。