现场激光诱导击穿光谱的化学计量学理论及方法集成

Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS), as a promising atomic emissions spectroscopy, has become a powerful technique in element analysis in many fields due to its remote distance, in-situ and multi-element analytical capability. Due to its versatility, LIBS has now become an excellent fieldable instruments. The purpose of present project is to develop chemometric methods for constructing spectra preprocessing and spectral analysis system of LIBS. Based on the stdudy of characteristic of LIBS, a method of correlative analysis with an alterable and scannable window (CAASW) is presented in recognition of LIBS automatically. The new chemometric algorithms were applied to enhance the in-situ and real time measurement ability of LIBS. Based on the development of calibration free-LIBS method, the internal reference for self-absorption correction (IRSAC) will be proposed to improve the quantitative analytical capability and to correct the plasma matrix effects automatically, so as to achieve the purpose of less standard or non-standard calibration free analysis in fieldable LIBS instruments. The integrated chemometric system which integrates LIBS spectra preprocessing, analysis and information processing is proposed to provide a theory to further improve the LIBS in-situ measurements in the field of petrochemical industry, metallurgy, geology, enviromental protection, military and space science and technology.

本项目拟对现场激光诱导击穿光谱（LIBS）分析的化学计量学理论和方法等展开研究, 构建基于LIBS基础上的光谱预处理及光谱分析系统，研究基于LIBS技术的特征峰识别方法及定性和定量分析方法，发展实时定标理论和方法，实现LIBS中等离子体基体效应校正，从而达到实时自动校正等离子体光谱的目的，进而发展系列性能优良、易于实现的研究现场和在线LIBS分析的化学计量学新算法。在研究自由定标法（CF-LIBS）的基础上，探索基于内参考线校正自吸收效应的自由定标方法（Internal reference for self-absorption correction，IRSAC），以提高 CF-LIBS方法的定量分析性能，实现少标样或无标样的自由定标分析，将各种可用于LIBS光谱预处理及光谱分析的化学计量学方法集成在相应的模块中，进一步提高LIBS现场测量及其他分析应用中的可行性与可靠性。

本项目从现场LIBS分析的化学信息学理论和方法的实际需要出发，对现场LIBS分析的化学计量学理论和方法等展开了一系列研究,开发了适用于现场LIBS分析检测的新理论和新方法。建立了适合于现场LIBS技术检测方法和平台，开展了现场LIBS分析测试方法研究，研究并建立了适用于现场复杂LIBS分析信号的新控制方法与策略；以发展实时定标理论和方法为目的，研究了基于LIBS技术的特征峰识别方法及定性和定量分析方法，实现了LIBS技术等离子体基体效应校正以及等离子体光谱的实时自动校正；以传统的偏最小二乘法、支持向量机以及人工神经网络等化学计量学方法为基础，发展了适用于现场LIBS分析的多元校正和模式识别方法，重点研究了小波神经网络、最小二乘支持向量机、随机森林以及N最近邻法等一系列机器学习算法，建立了系列性能优良且易于实现的现场和在线LIBS分析的智能化数据采掘技术和策略；在传统自由定标法（CF-LIBS）的基础上，提出了基于内参考线的自吸收效应校正方法（Internal reference for self-absorption correction，IRSAC），通过引入一个标样结合化学计量学策略实现了等离子体温度的准确求解，解决了目前自由定标法准确度低的问题，提高了CF-LIBS方法的定量分析性能，实现了少标样或无标样的自由定标分析；在此基础上，将所发展现场LIBS分析的化学信息学方法进行功能化集成，并建立了LIBS分析的基本型和专属型数据库，研发集数据预处理、定性分析、定量分析与数据库等为一体的LIBS测量学方法与分析软件系统，所开发的系统具有操作简便、自动化程度高等特点，适用于现场分析。同时所开发的LIBS测量学方法与分析软件系统已应用于科技部国家重大仪器设备开发专项的LIBS分析仪器中，操作简便，运行稳定，得到了用户的好评。本项目所发展的现场LIBS分析的化学计量学理论与方法，解决了现场LIBS分析等一系列重要问题，丰富了LIBS现场分析技术和策略，为现场分析提供了先进的分析手段和理论支撑，同时为LIBS技术在太空探测、油气勘探、科技考古、地质勘察、环保、军事安全等领域的实际应用奠定了理论和技术基础。