基于相转化富集复合纳米材料协同增强LIBS新方法研究

As a novel element analysis technique, laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is a perfect tool used for the online and in situ analysis. However, it is still difficult to analyze the ultra-trace element in liquid sample. Now a novel method will be introduced to rapid analysis of ultra-trace heavy metal elements in liquid, which do not rely on an extra energy. In this method, polyvinyl alcohol（PVA）is used as noninterference liquid substrate, which could be used for active coupling of the pulse laser energy and heavy metal enrichment as an accumulation material. Meanwhile, the novel material coupled with nano-SiO2/Au particle could improve laser energy efficiency and then enhance the spectral signal more effectively. Our future project study will be focused on the active coupling ability on substrate material. The new method breaks the limit of traditional phase inversion LIBS technology in the analysis of liquid sample, which is a new exploration. The research on collision behavior of composite nano-material inside plasma will provide supports for further development of LIBS technique on theory and practice.

激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种元素分析利器，但目前对水体污染超痕量元素的现场检测仍是难题。申请者突破现有相转化LIBS技术采用固体材料作负载的研究模式，提出将水溶性聚乙烯醇材料以溶液形式与待测液混合，相转化同时实现待测元素的富集，以此建立相转化富集LIBS新技术，同时引入核壳结构SiO2/Au复合纳米材料，首次提出协同增强新概念，既利用外壳纳米涂层主动吸收激光能量，提高能量耦合效率，又增加等离子体内初始粒子浓度，创造性的借助纳米材料激发态原子及自由电子在等离子体内部对被测元素自由原子的再碰撞，不引入额外能量源的情况下实现信号增强。研究对等离子体信号的增强机理，为水体污染超痕量元素现场检测提供新方法，同时也为水体便携应急监测设备的研发提供新技术。本项目是对LIBS分析液体样品的一种新思路、新尝试，开拓了LIBS技术信号增强研究的新方向，项目研究将对提升LIBS技术应用空间有重要实际意义。

LIBS技术的快速分析能力在各行业中都拥有非常大的优势，但对液体样品中低含量元素的定量分析仍有极大的提升空间，本项目对纳米材料增强效应进行基础研究，建立了水体中痕量重金属的多种有效分析方法。代表性的有：基于水溶性聚乙烯醇环成膜的相转化富集增强方法；水凝胶快速固相转化LIBS分析新方法；金属螯合物诱导纳米颗粒聚集增强LIBS新方法；结合MOF材料的纳米增强LIBS液体分析新方法。对比研究了单一纳米颗粒及核壳式复合纳米颗粒对LIBS及Raman联用光谱的增强效果。在对水体的实际应用上，项目组采集成都府南河河水、城市排污口、明远湖、江安河等实际环境水体，作为应用示范研究对象，对水体中Ag、Cr、Cu、Pb、Ni、Co、Cd、Al、Mg、Mn等金属元素进行LIBS分析，所建立的快速分析方法可以实现对实际水体中痕量重金属的检出。.项目组拓展了LIBS的应用空间，采用LIBS-Raman联用技术完成了对水体中食源性致病菌的分析，所建立方法的线性范围为5×103-5×107 CFU /mL，新方法的回收率在81.0%-101.7%，传统致病菌的分析时间多需3-5天，而新方法整个分析过程可以在30 min之内完成，大大缩短了水体致病菌的分析时间，为快速分析提供了新的可能。.进一步的，项目组在对环境水体研究的同时，开展了对生物流体的研究工作，尝试对血液、生物鲜组织、肿瘤细胞等进行LIBS分析，目前已经完成了肿瘤组织的元素分析成像，全脑组织的三维元素分布结构重构以及利用肿瘤治疗所引起的元素的差异化三项研究工作。更重要的是，在进行创新方法研究的同时，项目组同时开展新型高分辨LIBS成像平台的搭建，成功实现了高分辨微区LIBS成像装置的开发。利用项目团队前期的仪器研发成果，开展了便携式LIBS仪器、便携式LIBS-Raman联用仪器的优化及测试工作，获得了仪器研发过程中的重要测试数据，在完成本项目研发任务的同时，为LIBS及相关仪器的整机研发提供了重要的数据支撑。在知识产权方面，在本项目的支持下发表SCI论文14篇，期间申请相关专利4项，其中发明专利2项。