声悬浮辅助激光诱导击穿光谱技术(LIBS-AL)在矿物水无标定量分析中的应用研究

研究人员针对液体样品多元素分析中存在的容器干扰、前处理复杂等问题，创新性地将声悬浮(AL)与激光诱导击穿光谱(LIBS)技术结合，开发了LIBS-AL方法。通过对斯洛伐克和捷克产三种瓶装矿泉水的分析，首次实现悬浮液滴中碱金属(Na,K,Li)和碱土金属(Ca,Mg)的无标定量(CF-LIBS)，主量元素相对误差3-27%，为环境监测和公共卫生提供了快速、绿色的新方案。

　　

在现代社会，瓶装水作为重要的生活物资，其元素组成直接关系到公众健康。然而传统的液体元素分析技术如电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)和质谱(ICP-MS)存在设备昂贵、耗时长等局限，而快速检测方法又往往只能针对单一元素。激光诱导击穿光谱(LIBS)技术虽能实现多元素同时检测，但在液体样品应用中面临等离子体淬灭、气泡干扰等技术瓶颈。

为解决这些难题，斯洛伐克夸美纽斯大学(Comenius University)的Jairo C. Peralta团队创新性地将声学悬浮(acoustic levitation, AL)技术与LIBS相结合，开发了声悬浮辅助激光诱导击穿光谱(LIBS-AL)方法。研究人员选取斯洛伐克和捷克生产的三种商业矿泉水(?ubovnianka、Sulinka和Vincentka)为样本，首次在悬浮液滴中实现无标定量分析(Calibration-Free LIBS, CF-LIBS)，相关成果发表在《Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy》。

关键技术包括：(1)声悬浮系统通过声驻波节点悬浮微升级液滴；(2)连续波红外激光(λ=1550 nm)辅助液滴蒸发预浓缩；(3)激光诱导等离子体(LIP)的局部热平衡(LTE)状态验证；(4)Saha-Boltzmann方程计算电子温度(T_e≈0.5-0.6 eV)和密度(n_e≈10¹⁷ cm^-3)；(5)光学薄等离子体假设下的元素定量分析。

样品与实验
研究选用含Ca、Mg、Na等主量元素及Li、K等微量元素的三种矿泉水。声悬浮系统采用单轴式设计，通过声辐射力使直径小于半波长的液滴稳定悬浮在压力节点处，配合红外激光实现可控蒸发。

分析与结果
单次激发光谱显示，不同样品中Ca II 393.37 nm、Mg II 279.55 nm和Na I 588.99 nm等特征谱线强度差异显著。等离子体参数满足LTE条件(K_BT_e≈0.5-0.6 eV；n_e≈10¹⁷ cm^-3)，CF-LIBS计算表明主量元素(Na,Ca,Mg)相对误差为3-27%，痕量元素(Li,K)误差较大。Vincentka样品因高Na含量(1040 mg/L)表现出最强的Na I信号。

结论与意义
该研究首次证实LIBS-AL结合CF-LIBS在复杂液体样品多元素定量中的可行性。声悬浮技术通过避免容器干扰和实现样品预浓缩，显著提升了液体LIBS分析的灵敏度和重现性。虽然痕量元素定量精度有待提高，但该方法为环境监测、食品安全等领域提供了无需化学试剂、快速环保的新思路。研究得到斯洛伐克科学基金(VEGA-1/0815/25)和欧盟下一代欧盟计划(09I01-03-V04-00066)等项目的支持，为LIBS技术在液体分析中的推广应用奠定了重要基础。