在物质成分分析领域，科研人员与工业领域始终渴望一种快速、无损、原位的检测手段，能够摆脱传统化学分析耗时费力的样品制备流程，直击物质的元素组成本质。然而，传统光谱检测技术往往依赖复杂的前处理工序，难以适应现场实时分析的需求，如同在暗室中摸索物质的“身份密码”。

激光诱导击穿光谱技术（Laser-induced Breakdown Spectroscopy, LIBS）的出现，打破了这一困境。这项技术利用高能激光脉冲聚焦于样品表面，产生瞬时高温等离子体，通过分析等离子体发射的特征光谱，即可快速识别样品中的元素种类与含量。LIBS技术的应用场景遍布科研与产业的多个领域，典型实例包括合金分析、土壤重金属污染溯源、冶金产线成分实时监控、文物鉴定、深空深海探测以及生物医学领域等。LIBS技术凭借“快速检测、无需制样、远程非接触、全元素分析、”等独特优势，正成为元素分析领域的新兴技术。

 

图1 LIBS技术的基本原理示意图

 

LIBS仪器发展历程

 

LIBS技术的萌芽可以追溯到20世纪60年代，随着激光器的诞生，科学家发现高能量激光与物质相互作用会产生发光等离子体，这一现象为元素分析开辟了新路径。不过，受限于早期激光器体积庞大、光谱探测技术精度不足等问题，LIBS技术长期停留在实验室研究阶段，难以实现产业化应用。

20世纪80年代，随着脉冲激光器技术的成熟和微型光谱仪的出现，LIBS技术的性能不断提升，仪器开始向小型化方向发展。进入21世纪后，微电子技术和光电探测技术的飞速发展，推动LIBS仪器迎来了便携化革命。手持式LIBS检测仪的问世，彻底打破了实验室的空间限制，实现了“即测即得”的现场分析模式。与此同时，核心部件的创新迭代从未停歇：半导体激光器、光纤激光器引入作为激发源，提升了检测的稳定性和检测速度；高分辨率光谱仪的应用，解决了相邻谱线重叠的难题；深度学习算法引入光谱解析过程，大幅提升了定量分析的精度。

当传统检测技术难以应对极端环境和在线监测需求时，在线原位LIBS监测系统应运而生。该系统将LIBS探头集成到工业生产线、环境监测站点甚至航天器上，通过远程控制实现现场连续的元素监测，有效克服了传统离线检测时效性差、代表性不足的瓶颈，极大拓展了LIBS技术的应用边界。

 

LIBS仪器分类与创新

 

当前，LIBS仪器的发展始终围绕“性能优化”与“场景适配”两大核心目标，根据应用需求的不同，当前主流仪器可分为三大类，各类技术路线各具特色、协同发展：

（1）台式高精度LIBS系统：这类仪器是实验室研究的核心装备，通常配备高能量纳秒/皮秒或者双脉冲激光器、高分辨率中阶梯光栅光谱仪和高精度位移平台。其核心优势在于光谱分辨率高、定量精度好，能够实现痕量元素的精准分析。部分高端台式系统还集成了拉曼光谱、荧光光谱等模块，形成“LIBS+”多技术联用平台，可同时获取元素组成与分子结构信息，为复杂样品的综合分析提供解决方案。

 

图2 台式LIBS仪器装备与应用场景

 

台式LIBS仪器是科研与高要求检测的核心支撑，在材料科学领域，为航材、芯片等高端材料研发提供精准成分解析，助力高端制造创新；在考古文博领域，以微损分析服务文物研究，如图示中壁画检测，支撑文物工艺还原与修复；在生物与生态领域，可实现微观元素成像，图示的生物组织成像辅助疾病诊断分析、植物重金属分布图谱助力植物溯源等。

（2）便携式/手持式LIBS检测仪：这类仪器是LIBS技术产业化应用的主力军，主打“轻量化、机动性、快速检测”的特点。便携式仪器采用小型化激光器和微型光谱仪，重量通常控制在数公斤以内，可直接带到野外、工厂车间或考古现场。通过内置的元素谱库和智能识别算法，操作人员无需专业光谱知识，即可快速完成金属材料牌号鉴别、土壤重金属筛查、矿石品位评估等任务，在冶金、地质、环保等领域得到广泛应用。

 

图3 部分便携式LIBS仪器形式

 

（3）在线原位LIBS监测装备：针对工业流程监控和环境长期监测的需求，在线LIBS装备采用模块化设计，将检测探头与控制系统分离，探头可直接安装在生产管道、传送带或污染区域。该类装备具备抗干扰能力强、稳定性高的特点，能够在高温、高压、高粉尘等恶劣环境下稳定运行，实时反馈物质成分的变化数据，为工业过程优化和环境风险预警提供数据支撑。

 

图4 在线检测LIBS仪器及应用场景

 

在线原位LIBS装备凭借模块化探头与强抗扰性，精准适配多类工业极端场景：在金属分拣中，可以将LIBS探头部署于传送带上方，可实时识别废旧金属/电子垃圾的成分（如区分不锈钢与铝合金），替代人工分拣的低效误判，提升贵金属回收精度；在电厂燃煤传送带场景，装备能在线分析煤中金属、灰分含量，数据用于辅助动态优化燃烧参数，减少污染物排放，提高燃煤利用率；在炼钢连铸环节，实现远程实时监测高温钢水中元素占比，替代传统“取样-化验”的滞后流程，让钢水成分调控更精准，为工业流程的智能化高效化提供实时数据底座。

 

LIBS仪器未来展望

 

未来，LIBS技术的发展将朝着“智能化、微型化、多维度、产业化”四大方向深度演进，持续突破现有技术瓶颈：

在仪器性能层面，核心部件的国产化与升级将是关键。一方面，研发高稳定性、低功耗的微型激光器和高灵敏度探测器，进一步缩小仪器体积、降低成本；另一方面，将人工智能算法深度融入光谱解析过程，通过机器学习消除基体效应干扰，实现复杂基体样品的高精度定量分析，解决长期困扰LIBS技术的“定量难”问题。

在技术融合层面，“LIBS+”多模态联用将成为主流趋势。结合拉曼、红外、质谱等技术的优势，构建多维度信息融合的分析平台，不仅能实现元素与分子的同步检测，还能获取样品的空间分布信息，为生物医学成像、材料微观结构分析等前沿领域提供新工具。

在应用拓展层面，LIBS技术将向更多极端场景延伸。例如，在深空探测领域，LIBS仪器已搭载于火星探测器，实现了火星表面物质的原位分析；未来，适用于深海、极地、核反应堆等极端环境的LIBS装备，或者结合机载、车载以及机器狗等用于复杂环境及危险材料探测等，将为人类探索世界提供强有力的技术支撑。

在产业化层面，推动LIBS仪器的标准化与规模化生产是必经之路。通过建立统一的技术标准和检测规范，提升仪器的可靠性和一致性，降低市场准入门槛，让这项“普惠型”分析技术走进更多行业，为工业高质量发展贡献力量。

本文作者

黄伟华 华中科技大学