声光光谱融合LIBS技术实现多基体效应偏差补偿与高精度元素定量分析

针对激光诱导击穿光谱(LIBS)技术中基体效应导致的光谱偏差问题，研究人员提出声光光谱融合LIBS(AOSF-LIBS)创新方法，通过提取等离子体声信号时频域特征与光谱参数融合建模，将铝、铁等四种基体的校准曲线R2 提升至0.98以上，显著降低RMSE和MAPE误差，为LIBS跨基体高精度定量检测提供新范式。

　　

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术因其快速、原位、多元素同步分析能力，在工业检测和太空探索等领域大放异彩。然而其量化精度始终被基体效应(matrix effect)所困扰——不同材料基体中元素组成差异会导致等离子体粒子密度、能量分布等参数变化，使光谱强度与浓度关系偏离线性。传统解决方案或需复杂样品预处理，或依赖特定仪器，难以普适应用。

为突破这一瓶颈，中国研究人员创新性地将目光投向激光诱导等离子体声信号(LIPA)。这种与LIBS同源的信号蕴含等离子体演化信息，但既往研究仅利用其时间域特征。研究团队开创性地构建了声光光谱融合LIBS(AOSF-LIBS)体系，通过五项关键技术：搭建同步采集LIBS光谱与LIPA信号的实验系统；基于玻尔兹曼方程建立标准光谱模型，解析影响光谱偏差的五个核心参数(总粒子数密度、等离子体温度等)；将LIPA时域信号转换为时频域声谱图以提取能量和面积特征；融合光谱反演的电子数密度等参数构建偏差映射模型；在铝基、铁基等四种合金基体中进行验证实验。

标准光谱模型
研究首先推导出包含仪器增益因子、等离子体辐射长度等参数的玻尔兹曼辐射方程，量化了基体差异导致的五个关键偏差来源。理论计算表明，传统LIBS模型忽略这些参数变化是造成基体效应的本质原因。

结果与讨论
在铝基体(Al)、铁基体(Fe)等四种合金的交叉验证中，AOSF-LIBS展现出惊人效果：训练集的R²
全部提升至0.98以上，RMSE、MAPE和RSD平均降幅达11.42%、42.33%和3.22%。特别值得注意的是，声信号特征对模型贡献度的消融实验证实，时频域声谱图提取的能量特征能更全面表征等离子体总粒子数密度，这是突破既往时间域分析局限的关键。

结论
该研究首次实现声光信号时频域特征的深度耦合，建立的偏差映射模型使LIBS跨基体定量精度产生质的飞跃。相较于传统方法，AOSF-LIBS无需样品预处理、不受基体限制，且设备成本优势显著。这项发表于《Talanta》的成果不仅为工业在线检测、行星表面物质分析等场景提供可靠工具，更开辟了通过多模态信号融合攻克光谱分析难题的新范式。