激光诱导击穿光谱技术在线定量分析气溶胶单颗粒铝元素的研究

本研究创新性地开发了单颗粒触发式激光诱导击穿光谱（LIBS）系统，通过粒子速度精确控制激光触发时序，实现了气溶胶单颗粒中铝元素的在线定量分析。研究建立了"直接命中"光谱的筛选标准（电子温度≈6500 K，电子密度≈11.5×1016 cm-3），并发现铝原子谱线强度与颗粒尺寸计算的总原子数呈线性相关（转换因子α=(3.126±0.015)×104），为气溶胶单颗粒绝对元素含量测定提供了新方法。

　　

Highlight

本研究展示了一种单颗粒触发的激光诱导击穿光谱（LIBS）系统，其脉冲激光触发时序基于粒子速度精确调控。通过记录单个铝颗粒的发射光谱，并利用散射光强度结合标准聚苯乙烯微球校准计算粒径。所有光谱可分为"直接命中"、"间接命中"和"未命中"三类。基于氧原子谱线O I 777.2 nm估算了等效平均电子温度和等效平均电子密度，整个计算过程独立于气溶胶单颗粒的元素组成。

LIBS光谱特征

在"间接命中"和"未命中"光谱中，等效平均电子温度约9000 K，电子密度约6×10¹⁶ cm^-3；而"直接命中"光谱显示电子温度降至6500 K，电子密度升至11.5×10¹⁶ cm^-3。更关键的是，"直接命中"光谱中铝原子谱线（394.4 nm和396.2 nm）强度与根据粒径计算的总铝原子数呈现强线性相关，转换因子α确定为(3.126±0.015)×10⁴。该方法通过电子温度和密度测量筛选"直接命中"光谱，建立了LIBS信号与单颗粒绝对元素含量的定量关系。

实验系统

如图1所示，实验采用载有中值粒径2 μm铝粉的气溶胶发生器产生单颗粒，通过鞘气流约束粒子运动方向。鞘气流速和注入流速分别保持2 L/min和0.5 L/min。

光谱分类

研究记录了1000个独立单颗粒的LIBS光谱和散射光强度。典型LIBS信号（如39、85、88和185号）显示光谱包含连续辐射（轫致辐射和复合辐射）以及铝、氮、氧的特征谱线。

结论

该单颗粒触发LIBS系统通过粒子速度确定激光触发时序，可同步记录LIBS光谱和对应粒径。基于O I 777.2 nm谱线估算的电子参数可有效区分命中类型，其中"直接命中"光谱的铝谱线强度与总铝含量呈现明确定量关系，为气溶胶单颗粒元素分析提供了新范式。