基于激光诱导击穿光谱技术的水中重金属元素的高灵敏检测

The research of real time, online and highly sensitive detection based on the laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) technique are currently one of very interesting subjects in the field of elemental analysis. In this project, in order to solve the problem of the LIBS on the heavy element detection in liquid, glow discharge method is used for assisting to improve the capability of the element detection. The GD-LIBS experimental setups carried out in atmospheric pressure and inside liquid are designed, respectively. For the purpose of enhancing spectral intensity, stability and the life of plasma, we will investigate the excited efficiency of the atoms and ions in glow discharge plasma interacted with laser, and the effect of the other experimental parameters on the detected results, to obtain the optimum experimental parameters and the method for detecting Pb, Cr, Cd and Hg in water. We hope that the results can provide the support on the development of GD-LIBS instrument, and the corresponding data and methods and provide the help for heavy element detection in water in future.

基于激光诱导击穿光谱技术（LIBS）的实时、在线和快速检测研究是目前人们非常感兴趣的课题之一。本项目针对激光诱导击穿光谱技术在液体中重金属元素检测方面的困难，引入辉光放电技术（GD），分别建立大气压环境和液体内部的GD-LIBS检测方法。从提高光谱信号强度、稳定性和延长等离子体寿命等角度出发，以水污染中重金属元素的快速和高灵敏检测为目标，研究激光作用于辉光放电等离子体后的激发效率以及其他各种实验条件对检测结果的影响，确定用于水环境中Pb、Cr、Cd和Hg等重金属元素高灵敏和快速检测的实验参数和光谱数据处理方法。希望通过本项目的研究，能够为GD-LIBS检测设备的研制提供借鉴，相关的实验参数和技术手段能够为水污染中重金属元素的快速检测提供科学依据。

利用激光诱导击穿光谱技术直接测量液体中的元素时，面临等离子体寿命短、发光强度弱和稳定性差等问题。针对该问题，本项目通过引入辉光放电技术（Glow discharge, GD），搭建了大气压环境和液体内部辉光放电辅助的激光诱导击穿光谱实验装置(GD-LIBS)。首先，通过调节激光能量、聚焦条件、电极距离、电压、溶液的电导率等参数，获得了信号强度高、稳定性好的实验方案；其次，针对快速分析的需求，设计开发了LIBS实时在线检测分析程序，实现了LIBS光谱数据的快速分析处理；最后，基于搭建的实验装置，对辉光放电辅助的LIBS光谱信号增强进行了研究，开展了水中K, Na, Ca,Cu和Pb等金属元素的测量工作。此外，我们还通过干涉法准确诊断了等离子体中的电子密度，并和发射光谱法的结果进行了比较，对等离子体参数的分布有了更深入的理解。本课题的研究成果对提高LIBS技术在液体中重金属的检测性能，GD-LIBS仪器的研发具有重要的参考价值。