LIBS，即激光诱导击穿光谱技术（Laser-induced breakdown spectroscopy），是一种强大的检测技术，适用于现场实时检测，特别是在恶劣的环境中，它展现出了其卓越的适用性和可靠性。具备在恶劣环境中使用的能力，这一特性尤其适合工业、采矿及野外环境监测等领域，漫游在火星表面的火星车便搭载了LIBS检测装置。

图1：（Image credit：NASA. 侵删）

基于此，来自意大利巴里大学的Aya Taleb等研究人员利用LIBS技术对悬浮在空气中的火山灰进行检测分析。火山灰的元素组成可以让我们对岩浆特性有更深入的了解，在持久喷发的情况下，火山灰的元素组成及其随时间可能发生的波动能够提供有关岩浆储层演化的信息，并预测喷发情况的变化，从而进行危害与风险的评估。但现场测量，火山喷发的周围环境恶劣，并且样品无法进行预处理，还需要迅速实时给出分析结果，对于LIBS来说，这是非常适宜的应用场景。

实验设计

实验使用了两个不同火山喷发的真实火山灰样本：（Ⅰ）2004年冰岛Grimsvötn火山喷发（SV3-1)（Ⅱ）索玛维苏威火山喷发（MC1-0）。如下图所示，样本置于不锈钢腔室中，通过激光诱导的冲击波悬浮在空气中，以模拟漂浮的火山灰。

采用Nd：YAG激光器，工作波长1064nm，脉宽6ns，脉冲能量最高615mJ；激光束通过透镜聚焦到样本，激发的等离子体发射光通过腔室上的石英窗口收集到中阶梯光谱仪 Aryelle 200（LTB Lasertechnik Berlin，Germany)，光谱仪耦合了ICCD相机。

图2：装置示意图

对于不同粒径的样本，激光能量和焦点位置的最佳值不同，测试粒径＜125μm的颗粒，采用最佳激光能量150mJ，最佳焦点位置距离样本台面1.5cm；测试粒径较大的样本（＞250μm），采用最佳激光能量300mJ，最佳焦点位置距离样本台面0.5cm。实验分别收集了纯空气和悬浮颗粒产生的等离子体发射光谱，了解等离子体的参数变化情况，便于CF-LIBS分析。

结果分析

如下图所示，以MC样本为例，纯空气和空气中悬浮颗粒的LIBS谱线对比，诱导空气产生的等离子体的发射光谱显示出了N、H、O的发射谱线，而含有悬浮颗粒的空气等离子体发射光谱除了以上元素外，还清晰的显示出Ca、Fe、Si、Al、Na等元素的谱线。有趣的是，空气中元素的发射谱线前后两种条件呈现出相似的信噪比，这表明颗粒对空气等离子体的影响可以忽略不计，O元素谱线虽然形态上有区别，但是从谱峰的底部展宽可以看出，电子数密度随时间的演化过程相似，这表明悬浮颗粒是可以直接测量，并使用CF-LIBS进行定量。

图3：净空气与悬浮颗粒的空气等离子体发射光谱对比

下图显示了同一火山的两组不同粒径的颗粒样本等离子体发射光谱，光谱强度不同，但是谱线强度比相同，说明两种颗粒的元素组成相近，说明LIBS测定颗粒的优势。因为需要使用CF-LIBS分析，所以还验证了等离子体在实验中是否满足LTE条件，一旦最佳参数确定，则可以对颗粒中的元素进行定量分析。

当然，因为分析是在空气中进行的，因此在归一化时要考虑氧的浓度，因为它不能直接测量。在通过对颗粒样本中存在的氧化物成分的化学计量学计算，推断出氧元素质量分数，结果也与文献中浓度吻合较好。与以往的文献相比，Si和Al等主要元素的估计精度最高，而次要元素的估计精度较低。

图4：火山灰成分预测

总结与展望

文章利用LIBS技术对火山灰展开测试分析，在元素含量的预测上与文献中的数值较吻合，证实了LIBS现场分析的稳健性。其实，在环境监测方面，除了火山喷发这样的自然灾害，在土壤、水域、工厂排放等方面都需要及时、准确地反映环境现状和趋势，这也是多年以来科研人员对LIBS技术使用的研究热点。随着科学技术的进步，环境监测一定是多维度、多参数融合的综合分析平台，高精度高灵敏，智能化网络化将成为未来追求，但我们相信LIBS技术也将扮演其中重要一角。

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