土壤激光诱导击穿光谱分析中样品加热与高压再激发对等离子体特性的影响研究

本研究针对激光诱导击穿光谱（LIBS）在土壤元素分析中信号噪声比低的瓶颈问题，创新性地结合样品加热（400°C）与高压放电（HV）再激发技术，通过时空分辨光谱和快速成像揭示了等离子体形态、电子密度（Ne ）与温度（T）的协同增强机制，证实局部热力学平衡（LTE）在扰动条件下的适用性，为提升LIBS检测灵敏度提供了理论依据。

　　

激光诱导击穿光谱（LIBS）作为一种快速、无需复杂前处理的元素分析技术，在环境监测、太空探测等领域展现出巨大潜力，但其灵敏度不足始终是制约应用的瓶颈。传统方法如电感耦合等离子体（ICP）虽精度高却难以现场部署，而LIBS的信号噪声比（SNR）偏低问题亟待解决。已有研究表明，样品加热和高压（HV）放电再激发能增强等离子体发射，但二者协同作用对等离子体物理参数和平衡状态的影响机制尚不明确，这直接关系到定量分析的可靠性。

墨西哥国立自治大学的研究团队在《Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy》发表论文，通过时空分辨光谱和快速成像技术，系统研究了壤土样品在加热（400±20°C）和12 kV高压放电协同作用下的等离子体演化规律。研究采用Nd:YAG激光（1064 nm，50 mJ）激发土壤压片，结合斯塔克展宽（Stark broadening）和Saha-Boltzmann图计算电子密度（N_e
）与温度（T），并运用McWhirter准则及非均匀等离子体判据验证局部热力学平衡（LTE）。

关键技术方法

1. 高压放电系统：采用RG-58同轴电缆（5 nF电容）产生双极性振荡脉冲（能量250 mJ），延迟1.5 μs触发；
2. 时空分辨光谱：通过轴向/径向光路配置获取等离子体空间分布，时间分辨率0.5-10 μs；
3. 快速成像：ICCD相机记录等离子体形态演化至100 μs；
4. LTE验证：结合McWhirter准则、弛豫时间和扩散长度三重判据。

等离子体动力学
样品加热使等离子体寿命延长2倍，因热空气层延缓了膨胀衰减；而HV放电虽增强发射强度，但诱发湍流导致早期分裂。空间分析显示，HV使N_e
和T分别提升130%和20%，其中径向分布呈现阴极侧离子富集的不对称性，表明放电诱导了物种极化迁移。

电子密度与温度
HV放电使N_e
从3×10¹⁷
cm^-3
跃升至7×10¹⁷
cm^-3
，T从11,000 K增至13,500 K。轴向增强均匀，而径向在阴极侧提升更显著（温差达1,000 K）。加热单独作用时，N_e
和T分别提升80%和10%，协同效应表现为参数增量叠加。

局部热力学平衡验证
所有实验条件下，McWhirter系数（MCC）均>1，弛豫时间（τ_rel
）<50 ns远短于采集窗口，扩散长度（λ）<7 μm小于等离子体梯度尺度，证实LTE在500 nm-10 μs范围内成立。放电再电离过程反而强化了碰撞主导的平衡状态。

该研究首次阐明LIBS再激发技术对等离子体物理参数的时空调控规律，突破性地证明LTE在外部扰动下的稳健性，为复杂基质（如土壤重金属）的高灵敏度检测提供了新策略。未来可优化放电几何构型以抑制湍流，并拓展多元素LTE验证体系，推动LIBS在环境监测和行星探测中的标准化应用。