基于声悬浮辅助LIBS技术的水样痕量硼定量分析中光学薄条件研究

针对液体LIBS分析中存在的飞溅、信号弱及基底干扰等问题，研究人员创新性地将声悬浮(AL)技术与激光诱导击穿光谱(LIBS)结合，通过优化延迟时间(DT)和门控时间(GT)实现光学薄条件，建立了H3 BO3 溶液的校准曲线，成功测定瓶装矿泉水中痕量硼(34.7 mg/L HBO2 )，为核工业及环境监测提供了高灵敏度分析方法。

　　

在分析化学领域，液体样品的激光诱导击穿光谱(LIBS)技术长期面临三大难题：激光能量被液体分子大量吸收导致信号微弱，液滴飞溅污染光学元件，以及传统基底辅助方法引发的"咖啡环效应"和基底材料干扰。这些问题严重制约了LIBS在环境监测、核工业等关键领域对痕量元素（如硼）的检测能力。硼作为核反应堆中子吸收材料B₄
C的核心成分，其精确检测对核安全至关重要，但常规LIBS技术仅能捕获249.7 nm处的易自吸收双线，且液体基质进一步降低了检测灵敏度。

为解决这一技术瓶颈，斯洛伐克科学院的Sanath J. Shetty团队在《Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy》发表创新研究，将声波悬浮(AL)技术与LIBS联用，开发出无需基底的液滴分析新方法。研究人员通过声场悬浮微升级别液滴，利用连续激光蒸发水分实现预浓缩，结合分支比法优化等离子体参数，最终突破性实现了水样中28.7 mg/L HBO₂
的检测限，并成功应用于商业矿泉水检测。

关键技术包括：1) 声悬浮装置实现无接触液滴固定；2) Nd:YAG激光器(1064 nm, 7 ns)激发等离子体；3) echelle光谱仪(ME5000)采集249.67/249.77 nm硼双线；4) 建立DT(200-2000 ns)与GT(200-1000 ns)参数矩阵；5) 采用0.05 M H₃
BO₃
溶液验证光学薄条件。

实验设置
搭建的LIBS-AL系统通过50 mm聚焦透镜将激光脉冲作用于悬浮液滴，光学收集系统将等离子体信号导入光谱仪。声悬浮不仅避免基底干扰，还通过蒸发浓缩使检测灵敏度提升10³
倍。

分析
研究发现液滴蒸发后形成的矿物残留物分布均匀，彻底消除咖啡环效应。通过比较不同浓度H₃
BO₃
溶液的硼双线强度比，确认750 ns DT和1000 ns GT组合下等离子体达到光学薄状态。

讨论与结果
参数优化实验揭示：DT≥750 ns时自吸收效应可忽略，而GT延长至1000 ns能显著提高信噪比。校准曲线显示硼浓度与信号强度在0.001-0.1 M范围内呈线性关系(R²

0.98)，实际样品检测误差控制在12%以内。

结论
该研究首次证明LIBS-AL联用技术可有效克服液体LIBS的固有缺陷，分支比法为光学薄条件评估提供了新思路。相较于传统SENLIBS技术，该方法将硼检测限降低至ppm级，为核工业废水、医疗同位素等领域的痕量硼监测建立了新标准。特别值得注意的是，声悬浮技术对易挥发液体基质的普适性，为拓展LIBS在生物流体、纳米药物载体等复杂体系的应用开辟了道路。