基于原子和分子光谱技术的远程多参量物质成份分析方法研究

Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) and resonant Raman spectroscopy (RRS) are two main atomic and molecular spectroscopies which found wide spread applications in food safety, environment monitoring, chemistry, new energy and biomedicine. In this project, we propose to combine the capabilities of LIBS and RRS in a single spectrometer in which a single one dual-pulse output nanosecond solid-state laser is used as the excitation source. When laser pulses are focused onto the material surface with a potable remote focusing system, the atomic emission spectral signals and resonant Raman spectral signals can be generated. These spectral signals will be collected with a remote signal collection system and detected by a high spectrum-resolved spectral detection system with gated detection. An automatic identification software system which is based on analyzing and processing algorithm of spectral data will be developed. Finally, the automatic stand-off multi-parameter spectral detection and quantitative analysis method can be achieved to identify different material compositions in various material forms. The technique has the characteristics of high specificity, high sensitivity, high stability, strong anti-interference ability and high cost-effective,etc. and moreover, it has a wide application prospect and great social benefits in making the industrial and agricultural productions and public life more safe and reliable.

激光诱导击穿光谱（LIBS）和共振拉曼光谱（RRS）是两种非常重要的原子和分子光谱技术，它们在食品安全、环境监测、化学化工、新能源、生物医药等领域获得了广泛的应用。本项目首次提出将激光诱导击穿光谱技术和共振拉曼光谱技术所具有的功能结合在一起，使用一台双脉冲输出的纳秒固体激光器作为激发光源，通过便携式远程激光光束聚焦和远程光谱信号收集系统，以及具有门控功能的高光谱分辨光谱探测系统，远程探测和收集聚焦激光脉冲激发待测样品所产生的原子发射光谱和分子拉曼光谱，建立基于光谱数据分析处理算法的原子和分子自动识别软件系统，最终实现对包含不同物质形态的多种物质成份的待测样品进行全自动、快速、远程、多参量光谱检测和定量分析。该方法具有高特异性、高灵敏度、高稳定性、抗干扰能力强和高性价比等特点，在提高工、农业生产和日常生活环境的安全性和舒适性等方面具有广泛的应用前景和巨大的社会效益。

激光诱导击穿光谱（LIBS）和共振拉曼光谱（RRS）是两种非常重要的原子和分子光谱技术，它们在食品安全、环境监测、化学化工、新能源、生物医药等领域获得了广泛的应用。经过3年的研究，本项目取得了如下研究成果：.1）建立了基于激光诱导击穿光谱技术和共振拉曼光谱技术的远程探测光学系统，使用一台双脉冲输出的纳秒固体激光器作为激发光源，通过便携式远程激光光束聚焦和远程光谱信号收集系统，以及具有门控功能的高光谱分辨光谱探测系统，远程探测和收集聚焦激光脉冲激发待测样品所产生的原子发射光谱和分子拉曼光谱。.2）设计了远程光谱信号收集和探测光学系统，通过改进聚焦光路设计，并使得激发光与特征谱线收集光路共轴，使得探测距离拓展到30米。.3）研制了LIBS/RRS系统样机，系统的设计测量距离为1米到30米连续可调，探测光谱范围200nm-850nm，光谱分辨率：0.1nm(200nm-400nm)，0.15nm(400nm-850nm)。该系统具备在户外测试环境下，实现远程非接触式物质成份分析，为下一步系统的小型化、智能化改造打下基础。.4）将粒子群算法（PSO）和基于生物地理学优化算法(BBO)引入到LIBS定标定量分析领域，将其分别与多层感知机（MLP）结合，建立了PSO-MLPs分析模型和BBO-MLPs分析模型。并将这两个模型应用到LIBS对水体中重金属含量检测中，评价指标表明：PSO-MLPs和BBO-MLPs模型可以应用到LIBS定标分析，且具有良好的分析能力。.5）利用该系统在3米距离下对矿石，金属，酒精，丙酮、人体碎发等物质进行探测，验证了系统的可靠性。.6）利用该系统在15米距离下获取矿石、金属的LIBS和Raman图谱，并确定矿石样品中的元素含量。同时对待测物进行原子发射光谱和分子Raman光谱的检测，进一步提高了探测的效率和准确性。.该方法具有高特异性、高灵敏度、高稳定性、抗干扰能力强和高性价比等特点，在提高工、农业生产和日常生活环境的安全性和舒适性等方面具有广泛的应用前景和巨大的社会效益。