等离子体光谱仪

近日，中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室汤洁研究员课题组联合美国劳伦斯伯克利国家实验室教授Vassilia Zorba团队，在激光等离子体光谱研究领域取得重要进展。相关研究成果发表在Cell Reports Physical Science上。激光诱导击穿光谱(LIBS)是基于原子发射光谱学的元素分析技术，在多元素分析、实时快速原位测量等方面具备优势，且在定性识别物质与定量物质成分分析等领域具有重要的应用前景。目前，该技术在深空深海探测、地质勘探、生物医药以及环境监测等领域广泛应用。D-LIBS即放电辅助LIBS技术，通常是将火花放电或电弧放电与LIBS技术相结合来实现。以上两种放电模式具有放电功率密度大和电子数密度高的特点，在辅助元素定性和定量分析方面具有独特的技术优势。因此，利用放电辅助可以显著增强LIBS信号强度，从而达到提高分析灵敏度的目的。然而，D-LIBS在放电时电能消耗过大，同时从交变电压和电流中产生电磁脉冲，导致能源浪费和环境污染相关问题。这一负面因素加大了安全隐患和运行风险，更不利于社会倡导的节能减排和环境保护要求，进而限制了D-LIBS技术的进一步应用。因此，开发一种“两低一高”(低环境危害、低能耗、高分析灵敏度)的D-LIBS技术仍是物质分析领域中难度较大的挑战。针对上述问题，该团队提出离子动力学调制方法，对克服传统D-LIBS放电能耗大、安全风险高、环境危害大等不利因素，同时提高分析灵敏度具有显著改善效果。该工作借助这一方法，合理优化电极配置，有序调控放电模式，在有效增强光谱信号强度的同时，大幅降低放电能耗。关键创新点在于：(1)首次提出并利用激光诱导等离子体冲击波与外加电场空间零弧度耦合方式，实现有效放电区域全方位覆盖激光等离子体中粒子的扩散方向，离子的动力学特征从原始的向外扩散变更为放电空间内阳极和阴极之间的漂移运动。这种调制使得大部分离子被抓捕、约束在有效放电空间内，促进电能与激光等离子体耦合，大幅降低放电能耗。(2)突破传统D-LIBS方法，即仅在电容器放电过程中辅助LIBS，将放电增强LIBS拓展到电容器放电和充电的两个过程。采用直流电源与充电电容共同作用等离子体间隙的策略，使约束的带电粒子在电容放电结束后继续在电极之间漂移，并在毫秒尺度维持带电粒子电迁移运动特性，大幅延长等离子体寿命，进而实现火花和电弧放电的有序调控以及原子和离子光谱信号的选择性增强。上述研究有效解决了在D-LIBS中同时具备“两低一高”特性的关键技术难题。实验测试结果表明：与传统D-LIBS对比，该成果对于非平坦样品实现了在维持光谱信号2个数量级提升情况下，放电能耗降低了约1个数量级。结合经改进的小波变换降噪方法，D-LIBS中谱线信噪比、信背比以及稳定性相比原光谱均获得了显著提升。微量元素(Mg)的检出限从近百ppm降低至亚ppm量级。此外，与传统D-LIBS及其他LIBS增强技术相比，微量元素(Mg、Si)探测灵敏度提高近2个数量级。该研究有助于推动节能环保建设以及D-LIBS的广泛应用，同时，在低烧蚀激光功率密度的极端条件下，为D-LIBS微量或痕量元素定性与定量分析提供了有力的理论依据和技术支撑。研究工作得到国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、瞬态光学与光子技术国家重点实验室自主课题、中科院光谱成像技术重点实验室开放基金等的支持。离子动力学调制LIBS增强原理和思路

佰汇兴业（北京）科技有限公司最新代理日本MICRO EMISSION MH-5000等离子体发射光谱仪,该仪器为一款利用液态电极等离子体来分析痕量金属的发射光谱仪，它通过向溶液施加电压以使其加热并蒸发，液体电极产生等离子体，溶液中的溶质被送入等离子体中产生发射光谱。它可以应用到冶金制造、工业废物处理和环境监测等领域中。 特点： 手持掌上型尺寸的实现（小型，便携式手持） 操作简单，初学者也可快速入门 电池驱动，可使用于现场测定 同时测定多种元素 检测极限0.1ppm～100ppm 工程管理、土壤测定、水质测定、食品测定

近年来，研究人员和业内主要厂商已将研发重心转向微型化、便携式且低成本的光谱仪系统，使之可以在日常生活中实现现场、实时和原位光谱分析的许多新兴应用。然而，受到过度简化的光学设计和紧凑型架构的机械限制，微型光谱仪系统的实际光谱识别性能通常远低于台式光谱仪系统。如今，克服这些限制的一种策略便是在光子方法学中引入深度学习（DL）进行数据处理。据麦姆斯咨询报道，近日，美国纽约州立大学布法罗分校（University at Buffalo，the State University of New York）与沙特阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science & Technology）的联合科研团队在Nature Communications期刊上发表了以“Imaging-based intelligent spectrometer on a plasmonic rainbow chip”为主题的论文。该论文第一作者为Dylan Tua，通讯作者为甘巧强（Qiaoqiang Gan）教授。在这项研究工作中，研究人员开发了一种紧凑型等离子体“彩虹（rainbow）”芯片，能够实现快速、准确的双功能传感，其性能可在特定条件下超越传统的便携式光谱仪。其中的分光纳米结构由一维或二维的梯度金属光栅构成。该紧凑型等离子体光谱仪利用普通相机拍摄的单幅图像，即可精确地获得照明光源光谱的光谱信息和偏振信息。在经过适当训练的深度学习算法的辅助下，研究人员仅用单幅图像就能表征葡萄糖溶液在可见光光谱范围内的双峰和三峰窄带照明下的旋光色散（ORD）特性。该微型光谱仪具有与智能手机和芯片实验室（lab-on-a-chip）系统集成的潜力，为原位分析应用提供新的可能。研究人员利用彩虹捕获效应（rainbow trapping effect）来开发片上光谱仪系统。图1展示了该研究工作所提出的片上光谱仪和一维彩虹芯片的设计原理。如图1a所示，该光谱仪利用等离子体啁啾光栅实现分光功能。这种表面光栅几何形状的逐渐变化，导致了局部等离子体共振的空间调谐（即为光捕获“彩虹”存储）。如图1b所示，研究人员采用聚焦离子束铣削技术，在300 nm的银（Ag）薄膜上制备了啁啾光栅。当白光垂直入射时，通过简单的反射显微镜系统（如图1c），就可以观察到明显的“彩虹”色图像，如图1d的顶部所示，该现象源于光栅引发的等离子体共振。图1 片上光谱仪的等离子体啁啾光栅根据这些空间模式图像，可以建立共振模式与入射波长一一对应的关系，这是片上光谱仪的基础。因此，研究人员探讨了该光谱仪对任意光谱特征的空间分辨能力。通过深度学习辅助的数据处理和重建方法，研究人员利用这种分光功能可以构建用于光学集成的智能化、微型化光谱仪平台。具体而言，研究人员提出了基于深度学习的智能彩虹等离子体光谱仪概念，并构建了带有等离子体啁啾光栅的光谱仪示例，如图2所示。该光谱仪利用深度神经网络预测了所测量的共振模式图像中的未知入射光光谱，而无需使用传统的线性响应函数模型。实验中的光谱仪架构如图2a所示。智能光谱仪主要由三部分构成：空间模式、预训练神经网络以及对应的波长。图2 基于深度学习的数据重建光谱分辨率是评价传统光谱仪性能的重要参数之一。因此，研究人员对该光谱仪的分辨率做了详细测试，测试结果如图3所示。图3 智能等离子体光谱仪的分辨率以上初步测试数据表明，智能彩虹芯片光谱仪具有实现高分辨率光谱分析的潜力，其性能可与传统台式光谱仪相媲美。随后，研究人员将一维光栅扩展到二维，以利用紧凑型智能等离子体光谱仪实现偏振光谱的测定，其性能超越了传统的光学光谱仪系统。同时，研究人员展示了等离子体彩虹芯片光谱仪可以引入简化、紧凑且智能的光谱偏振系统，具有准确且快速的光谱分析能力。图4a为具有梯度几何参数的二维光栅。图4 用于测定偏振光谱的二维啁啾光栅接着，研究人员利用该二维偏振光谱仪芯片对旋光色散进行了简单而智能的表征。图5a为传统的旋光色散系统测量由物质引起的旋光度随入射波长的函数变化。最后，研究人员展示了将二维光栅作为光谱偏振系统，并介绍了用于葡萄糖传感应用的示例。图5 更简单、准确且智能的光谱偏振分析综上所述，本研究中提出了一种集成了片上彩虹捕获效应与紧凑型光学成像系统的智能芯片级光谱仪。研究结果表明，该等离子体芯片可以在可见光光谱（470 nm - 740 nm）范围内区分不同的照明峰值。该芯片充分利用其波长敏感结构，能够根据照明光谱峰值显示不同的等离子体共振模式。随后将芯片扩展到二维结构，共振模式的复杂性增加，从而在入射光偏振方面提供更多信息。通过使用片上共振模式的空间和强度分布图像来训练深度学习算法，研究人员在同一系统内分别实现了光谱分析和偏振分析。随后，研究人员利用一种将旋光引入透射光的手性物质（即葡萄糖），证明了所提出光谱仪在旋光色散传感方面的可行性，旋光色散是一种有助于手性物质检测和定量的偏振特异性特征。深度学习模型的分析表明，该算法能够基于等离子体芯片的共振模式准确预测葡萄糖引入的旋光。即使在分析多峰照明下的共振模式时，这种性能也得到了保留。这种由深度学习支持的基于图像的光谱仪能够通过利用纳米光子平台的单幅图像同时进行光谱分析和偏振分析。因此，该光谱仪标志着在单一紧凑型且轻量化设计中实现了高性能的光谱偏振分析，为深度光学和光子学在医疗保健监测、食品安全传感、环境污染检测、药物滥用传感以及法医分析等领域的应用赋能。这项研究获得了沙特阿卜杜拉国王科技大学物理科学与工程部的科研基金（BAS/1/1415-01-01）和NTGC-AI项目（REI/1/5232-01-01）的资助和支持。