激光诱导击穿光谱（LIBS）：原理、仪器、数据分析和应用.第2卷

《激光诱导击穿光谱（LIBS）：原理、仪器、数据分析和应用（第2卷）》系统介绍了LIBS 技术在金属、地质、煤炭、文化遗产、地球化学、生物、土壤、食品、空间探测等多个领域的实际应用，便于读者了解和掌握该技术在实际研究和应用工作中的价值和运作模式，并对LIBS技术的未来前景进行了展望。
本书内容深入浅出，便于读者循序渐进地学习，能够满足不同层次读者对LIBS技术知识的需求。本书可作为分析仪器和仪器分析等领域的相关科研人员、工程师和高校教师的参考书籍，也可作为分析化学、化学计量学、分析仪器、光学和应用化学等专业研究生的参考书籍。

译者的话
近十年来，激光诱导击穿光谱（LIBS）技术在多领域的广泛研究和应用正深刻改变着元素分析的格局。当我们着手翻译这套《激光诱导击穿光谱（LIBS）：原理、仪器、数据分析和应用》时，深感责任重大且意义非凡。LIBS技术原理虽简单，但其背后激光与物质相互作用的物理机制却极为复杂，仍有待深入探索。它凭借无须复杂样品制备、可实时原位分析等优势，在生物科学、医学、食品、环境等众多领域迅速崛起。作为LIBS技术领域的重要著作，这本书系统全面地阐述了该技术的基本理论、仪器的创新研制、数据分析方法以及广泛且新颖的应用，不仅为初学者搭建起认识LIBS技术的桥梁，也为专业研究人员和应用人员提供了前沿的研究与应用指南。
《激光诱导击穿光谱（LIBS）：原理、仪器、数据分析和应用（第2卷）》共23章，主要介绍了LIBS技术在金属、地质、煤炭、文化遗产、地球化学、生物、土壤、食品、空间探测等多个领域的实际应用，便于读者了解和掌握该技术在实际研究和应用工作中的价值和运作模式，并对LIBS技术的未来前景进行了展望。本书结构条理清晰，层次分明，内容深入浅出，便于读者循序渐进地学习，能够满足不同层次读者对LIBS技术知识的需求。
本书由臧恒昌、孙菁、褚小立等策划翻译，第24～26、28章由杨敏翻译，第27、29、46章由褚小立、刘宇翻译，第30、34～37章由臧恒昌等翻译，第31、32、42～45章由曾强翻译，第33、38～41章由孙菁等翻译。本书涉及光、机、电等多学科，知识覆盖面广。译者虽严谨核校，但受学科专长所限，译文中难免存在表述不准确或疏漏之处。在此，真诚希望相关领域的专家学者和广大读者不吝指正。
华南理工大学姚顺春教授对本书内容进行了全面审校，特此致谢！
衷心希望本书的翻译出版能够为国内相关领域的从业者和爱好者提供有价值的信息，助力 LIBS 技术在我国的深入研究与广泛应用。也期待它能激发更多人对LIBS技术的兴趣，推动该领域不断创新发展，为我国相关行业的进步贡献一份力量。

译者
2026年2月28日



前言
激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种快速发展的元素分析技术，它使用短激光脉冲在样品表面产生微等离子体，即所谓的激光诱导等离子体（LIP）。LIBS的原理看似简单，然而其所涉及的激光与物质相互作用的物理过程却非常复杂，且还没有被完全阐释清楚。在LIBS技术中，激光脉冲聚焦于样品靶材（固体、液体以及气体样品）的表面，产生高温微等离子体，使微量样品材料气化。然后收集来自LIP的包含激发态原子和离子态信息的光辐射，并进行光谱分析以确定目标材料的元素组成。在满足局部热平衡和光学薄等离子体假设的前提下，LIBS分析还可以提供定量信息。
LIBS的独特性在于它能够提供各种环境中所有化学物质的独特光谱特征。由于其独特的测量特性，如无需或只需极少量的样品制备、实时和原位分析以及准无损和微观分析等，近几年来LIBS的应用迅速增加。在过去的十年里，LIBS在生物科学领域经历了重大变化。本书的目的是为生物学、医学、食品、环境和植物科学研究人员提供LIBS技术的最新发展和应用概述以及LIBS的最新综述。本书包括LIBS的理论和实验方面的内容，以及用于LIBS数据解释的化学计量学方法的应用，特别适用于不熟悉这些领域的初学者。这些内容是由独立的LIBS研究团体撰写的。
本书分为两卷。第1卷包括四部分（第Ⅰ部分至第Ⅳ部分），共23章。第1卷主要包括与LIBS和激光诱导等离子体相关的基本过程和基础物理、分子LIBS和仪器发展、LIBS中的数据分析和化学计量学，以及其他相关专题论述。第2卷只包括一个部分（第Ⅴ部分），其中包含23章，特别针对不同学科和感兴趣的领域的LIBS的新应用。第2卷介绍了该领域的最新进展，如分子LIBS、自校准方法、高能材料、LIBS成像、基体效应，以及LIBS在食品科学、煤炭、地质、国防、行星科学中的应用，LIBS在医学药物分析和工业中的应用。各章节从基础知识逐渐进阶到实验技术和应用。
第Ⅰ部分（激光诱导击穿光谱和激光诱导等离子体的基本原理）由5章组成，包括与LIBS基础相关的内容，涵盖纳秒和飞秒LIBS、免校准LIBS（CF-LIBS）和LIP的诊断等。第1章介绍了纳秒和飞秒LIBS的基本原理以及相关应用。第2章讨论了LIP的基本过程和发射光谱。第3章介绍了LIP的诊断。第4章详细讨论了双脉冲和多脉冲LIBS的工作原理。第5章重点介绍了CF-LIBS的细节，包括物理模型及其有效性条件和实验要求。
第Ⅱ部分（分子激光诱导击穿光谱技术及仪器发展）由4章组成，聚焦于分子LIBS技术及其最新进展。第6章讨论了LIBS激光诱导等离子体中的分子形成机制。第7章重点介绍了遥测LIBS的最新进展。第8章介绍了纳米颗粒增强LIBS（NE-LIBS）的基本概念、基本原理及部分重要应用。第9章着重探讨了面向传感应用的NE-LIBS技术原理。
第Ⅲ部分（激光诱导击穿光谱中的数据分析和化学计量学）由7章组成，详细描述了使用不同化学计量学方法（如机器学习、人工智能等）进行LIBS数据分析。第10章讨论了LIBS数据的全谱多变量分析。第11章介绍了化学计量学（指全套数据分析方法）在LIBS数据分析中的应用。第12章重点介绍了LIBS数据的化学计量学处理方法，并给出了化学计量学在不同领域LIBS中的应用实例。第13章介绍了化学计量学及其在LIBS定量分析和同位素检测（尤其是铀同位素）发展中的应用。第14章讨论了多元分析在宝石（红宝石、蓝宝石、祖母绿、钻石）产地溯源问题中的应用。第15章详细介绍了LIBS背景下的现代机器学习技术。第16章讨论了利用人工智能技术分析煤炭和生物质的LIBS数据。
第Ⅳ部分（其他相关专题），由7章组成。第17章详细讨论了光泵浦激光诱导等离子体（LIP）中的激光现象，提供了光泵浦LIP中非线性效应的信息。第18章强调了LIBS在薄膜和光学表面分析中的应用。第19章对LIBS技术在稀土元素检测中的应用进行了综述，并与其他技术进行了比较。第20章介绍了实验室规模的LIBS技术，用于对生物污染样品进行时间和空间分析。第21章给出了LIBS联用技术的概述。第22章是LIBS与其他分析技术的比较。第23章详细介绍了LIBS与拉曼光谱相结合的仪器和应用。
第Ⅴ部分（激光诱导击穿光谱的新应用）由23章组成，涵盖了LIBS技术可能的新应用。第24章介绍了LIBS在金属分析中的应用。第25章详细介绍了利用LIBS分析极端条件下的金属。第26章介绍了LIBS技术在实时测量液体和液体中悬浮固体方面的杰出能力。第27章介绍了LIBS技术在煤炭分析中的应用。第28章介绍了LIBS在陆地地质研究中的应用。第29章对LIBS技术在塑料废物识别中的应用进行了综述。第30章重点介绍了LIBS在文化遗产中的应用。第31章介绍了LIBS技术在核领域的应用。第32章重点介绍了LIBS在爆炸物痕量检测中的应用。第33章对LIBS地球化学指纹技术进行了综述。第34章重点介绍了LIBS在化学和生物危害分析方面的应用。第35章介绍了一种简单、低成本、可现场部署的LIBS仪器的开发，用于盐的定量分析。第36章是LIBS生物成像，主要介绍了生物样品的LIBS元素成像。第37章简要介绍了基于LIBS的细菌病原体鉴定。第38章讨论了金属氧化物纳米气溶胶的相选择性LIBS。第39章介绍了LIBS技术在耕地土壤分析中的应用。第40章对LIBS在食品科学中的应用进行了综述。第41章介绍了LIBS分析食品的能力和局限性。第42章重点介绍了LIBS技术在工业和回收利用中的应用前景。第43章简要介绍了LIBS在空间探测应用中的进展。第44章讨论了复杂材料的飞秒LIBS（fs-LIBS）。第45章重点介绍了LIBS在耐热钢失效特性预测中的应用。第46章介绍了激光诱导击穿光谱的未来发展。
衷心感谢各位作者在繁忙的教学和科研工作中抽出宝贵的时间，为本书做出了极具价值且富有想象力的贡献。我们希望读者能够喜欢这本书，并共同推动LIBS技术及其应用领域的持续发展。同时，我们也希望本书能激发初学者对LIBS的多维度探索。最后，书中对于LIBS在不同科学技术领域适用性的批判性评价和建议，将成为相关技术使用者或改进者的宝贵资源。Vivek Kumar Singh（VKS）深感难以用语言表达对父母Markandeya Singh博士和Chandratara Devi夫人的感激之情，正是他们在他的整个学术生涯中不断给予鼓励和支持，并一直期盼着他取得这一成就。VKS衷心感谢妻子Priyanka Rai博士的耐心和鼓励，以及女儿Vandita Singh和Anika Singh在本书编写过程中带来的欢乐。VKS感谢所有直接或间接帮助他完成这本书的家人、朋友和祝福者。

Dr. Vivek K. Singh 
Dr. Durgesh K. Tripathi 
Prof. Yoshihiro Deguchi 
Dr. Zhenzhen Wang
2022年11月

全书目录
第1卷
第Ⅰ部分 激光诱导击穿光谱和激光诱导等离子体的基本原理
第1章 纳秒和飞秒激光诱导击穿光谱：基础和应用 002
第2章 激光诱导等离子体的基本过程和发射光谱 025
第3章 激光诱导等离子体的诊断 034
第4章 双脉冲和多脉冲激光诱导击穿光谱技术 050
第5章 免校准激光诱导击穿光谱 069

第Ⅱ部分 分子激光诱导击穿光谱技术及仪器发展
第6章 激光诱导等离子体中分子物种的形成 096
第7章 遥测激光诱导击穿光谱的最新进展 106
第8章 纳米粒子增强激光诱导击穿光谱 127
第9章 纳米粒子增强激光诱导击穿光谱在传感中的应用 142

第Ⅲ部分 激光诱导击穿光谱中的数据分析和化学计量学
第10章 激光诱导击穿光谱数据的全谱多变量分析 166
第11章 数据分析的化学计量学 178
第12章 激光诱导击穿光谱数据的化学计量学处理 186
第13章 化学计量学如何促进激光诱导击穿光谱在同位素检测和定量中的发展：以铀为例 214
第14章 多元分析在宝石产地溯源中的应用 223
第15章 基于激光诱导击穿光谱的机器学习 237
第16章 利用人工智能技术分析煤和生物质的激光诱导击穿光谱数据 259

第Ⅳ部分 其他相关专题
第17章 光泵浦激光诱导等离子体中的激光 278
第18章 光学表面和薄膜的激光诱导击穿光谱分析 305
第19章 激光诱导击穿光谱检测稀土元素与其他技术的比较 326
第20章 激光诱导击穿光谱海洋生物污染分析 338
第21章 激光诱导击穿光谱联用技术 349
第22章 激光诱导击穿光谱与其他分析技术的比较 359
第23章 激光诱导击穿光谱与拉曼光谱的结合：仪器与应用 380


第2卷目录
第Ⅴ部分 激光诱导击穿光谱的新应用
第24章 LIBS在金属分析中的应用 002
第25章 激光诱导击穿光谱分析极端条件下的金属 016
第26章 激光诱导击穿光谱在液体及液固体系中的应用 022
第27章 激光诱导击穿光谱对煤的分析 040
第28章 激光诱导击穿光谱在陆地地质研究中的应用 049
第29章 激光诱导击穿光谱识别塑料垃圾废物 067
第30章 激光诱导击穿光谱在文化遗产中的应用 074
第31章 激光诱导击穿光谱在核领域中的应用 090
第32章 激光诱导击穿光谱在爆炸物痕量检测中的应用 110
第33章 利用激光诱导击穿光谱进行地球化学指纹分析 123
第34章 激光诱导击穿光谱用于化学和生物危害分析 137
第35章 用于食用盐定量分析的简单、低成本、可现场部署的激光诱导击穿光谱仪器的开发 148
第36章 激光诱导击穿光谱生物成像 159
第37章 激光诱导击穿光谱鉴定细菌病原体 171
第38章 金属氧化物纳米气溶胶的相选择激光诱导击穿光谱 178
第39章 激光诱导击穿光谱技术在耕地土壤分析中的应用 188
第40章 激光诱导击穿光谱在食品科学中的应用 201
第41章 激光诱导击穿光谱分析食品的能力和局限性 220
第42章 激光诱导击穿光谱在工业和回收中的应用前景 233
第43章 激光诱导击穿光谱应用于空间探索的进展 258
第44章 复杂材料的飞秒激光诱导击穿光谱分析 268
第45章 激光诱导击穿光谱在耐热钢失效特性预测中的应用 286
第46章 激光诱导击穿光谱的未来发展前景 337



第2卷
第Ⅴ部分 激光诱导击穿光谱的新应用
第24章 激光诱导击穿光谱在金属分析中的应用 002
24.1 概述 002
24.2 激光诱导的金属靶材烧蚀 003
24.2.1 波长和脉冲持续时间的依赖性 003
24.2.2 激光脉冲能量依赖性 004
24.3 LIBS在金属分析中的应用 004
24.3.1 钢铁分析 004
24.3.2 铝分析 006
24.3.3 铜基合金分析 007
24.3.4 贵金属合金分析 008
24.4 金属材料分析的创新实验装置 009
24.5 结论 010
参考文献 010

第25章 激光诱导击穿光谱分析极端条件下的金属 016
25.1 概述 016
25.2 极端条件下金属的LIBS分析 017
25.2.1 环境气体及其压力对LIBS信号强度和等离子体参数的影响 017
25.2.2 样品温度对金属LIBS分析的影响 017
25.3 水下LIBS分析 019
25.4 结论 020
参考文献 020

第26章 激光诱导击穿光谱在液体及液固体系中的应用 022
26.1 概述 022
26.2 LIBS仪器在液体分析中的应用 023
26.3 LIBS测量 024
26.3.1 液体本体 024
26.3.2 浸没式固体 026
26.3.3 液体表面测量 028
26.3.4 对预处理样品（浓缩液体）的测量 029
26.4 可现场部署的LIBS传感器 030
26.4.1 原型设计 031
26.4.2 性能表现 032
26.4.3 地下测试 033
26.5 结论 033
参考文献 034

第27章 激光诱导击穿光谱对煤的分析 040
27.1 概述 040
27.2 LIBS在煤分析中的重要作用 040
27.3 LIBS在煤分析中面临的挑战 041
27.3.1 信号不确定性 041
27.3.2 基质效应 041
27.3.3 建立煤性质的定量分析模型 042
27.4 优化方法 042
27.4.1 信号稳定方法 042
27.4.2 基质效应校正 043
27.4.3 化学计量学方法 044
27.4.4 LIBS与红外光谱相结合 045
参考文献 046

第28章 激光诱导击穿光谱在陆地地质研究中的应用 049
28.1 概述：为什么激光诱导击穿光谱对地球科学至关重要？ 049
28.2 LIBS在地球科学各领域的应用 050
28.2.1 矿物 050
28.2.2 岩石——化学成分 055
28.2.3 岩石——物理性质 059
28.2.4 稀土元素 060
28.3 地质LIBS技术的未来发展前景 061
参考文献 062

第29章 激光诱导击穿光谱识别塑料废物 067
29.1 概述 067
29.2 实验细节 068
29.3 结果与讨论 068
29.3.1 主成分分析 070
29.3.2 偏最小二乘判别分析 071
29.4 结论 072
参考文献 072

第30章 激光诱导击穿光谱在文化遗产中的应用 074
30.1 概述 074
30.2 文化遗产中的LIBS应用案例研究 074
30.2.1 陶器、石材、玻璃 074
30.2.2 金属 075
30.2.3 生物材料 078
30.2.4 激光清洗控制 078
30.2.5 绘画中的颜料 078
30.3 结论 085
参考文献 085

第31章 激光诱导击穿光谱在核领域中的应用 090
31.1 概述 090
31.2 LIBS在核领域的分析潜力 091
31.3 与核裂变设施有关的应用 092
31.3.1 元素定量分析 093
31.3.2 同位素分析 096
31.4 与核聚变设施有关的应用 097
31.4.1 面向等离子体器件 097
31.4.2 燃料滞留量 099
31.5 应用于对涉及核材料的恶意行为的阻止或调查 100
31.6 展望 103
参考文献 104

第32章 激光诱导击穿光谱在爆炸物痕量检测中的应用 110
32.1 概述 110
32.2 基本原理 111
32.3 实验装置 113
32.3.1 室内检测系统 113
32.3.2 遥测系统 114
32.4 算法 115
32.4.1 特征分析和选择 115
32.4.2 光谱识别方法 117
32.5 总结与展望 119
参考文献 119

第33章 利用激光诱导击穿光谱进行地球化学指纹分析 123
33.1 概述 123
33.2 地球化学指纹和激光诱导击穿光谱 123
33.3 LIBS在地球化学指纹分析中的应用 125
33.3.1 利用LIBS对地质样品进行定性和定量元素分析 125
33.3.2 利用LIBS对地质样品进行鉴定和分类 127
33.3.3 利用LIBS进行地质样品成像 128
33.4 LIBS在地球化学指纹中的应用前景 129
参考文献 130

第34章 激光诱导击穿光谱用于化学和生物危害分析 137
34.1 概述 137
34.2 LIBS用于化学危害分析 137
34.2.1 化学危害概述 137
34.2.2 利用LIBS检测无机化学危害 138
34.2.3 利用LIBS检测有机化学危害 139
34.3 LIBS用于生物危害分析 140
34.3.1 生物危害概述 140
34.3.2 利用LIBS检测细菌 141
34.3.3 利用LIBS检测病毒 145
34.4 结论 146
参考文献 146

第35章 用于食用盐定量分析的简单、低成本、可现场部署的激光诱导击穿光谱仪器的开发 148
35.1 盐的化学成分：概述 148
35.2 激光诱导击穿光谱技术在盐分分析中的应用 150
35.3 使用LIBS进行定量分析 152
35.3.1 样品制备方法及相关影响 152
35.3.2 一种用于分析食用盐中Mg、Ca和K的低成本、中等性能LIBS仪器 155
35.3.3 一种用于分析食用盐中Mg、Ca和K的便携式现场部署的LIBS仪器 156
35.4 结论 157
参考文献 158

第36章 激光诱导击穿光谱生物成像 159
36.1 概述 159
36.2 植物 160
36.3 动物和人体软组织 162
36.4 动物和人体钙化组织 164
36.5 食品分析 166
36.6 Tag-LIBS 166
36.7 总结与展望 166
参考文献 167

第37章 激光诱导击穿光谱鉴定细菌病原体 171
37.1 概述 171
37.2 鉴定细菌种类的标准方法 171
37.3 利用激光诱导击穿光谱法鉴定细菌菌株 172
37.4 LIBS的发展前景及应用 176
参考文献 176

第38章 金属氧化物纳米气溶胶的相选择激光诱导击穿光谱 178
38.1 概述 178
38.2 实验装置 179
38.3 低强度激光激发下的纳米颗粒击穿和纳米等离子体形成 180
38.4 单脉冲形成等离子体的击穿和共振激发 182
38.5 调谐初级激发波长用于次级共振 183
38.6 结论 185
参考文献 185

第39章 激光诱导击穿光谱技术在耕地土壤分析中的应用 188
39.1 概述 188
39.2 土壤特性 189
39.2.1 化学特性 189
39.2.2 物理特性—土壤质地 190
39.3 LIBS土壤分类系统 191
39.4 耕地土壤的LIBS元素分析 191
39.5 结论 197
参考文献 198

第40章 激光诱导击穿光谱在食品科学中的应用 201
40.1 概述 201
40.2 LIBS在食品科学中的应用 208
40.2.1 掺假、质量控制和分类 208
40.2.2 农业应用 212
40.2.3 地理原产地鉴定 213
40.2.4 生物学和微生物学评估 213
40.2.5 利用LIBS进行食品分析的挑战和局限 213
参考文献 214

第41章 激光诱导击穿光谱分析食品的能力和局限性 220
41.1 概述 220
41.2 LIBS在食品和草药产品分析中的能力和局限性 221
41.3 多元素分析LIBS工具在食品分析中的应用 222
41.3.1 肉类 222
41.3.2 牛奶及其制品 223
41.3.3 蔬菜和水果 223
41.3.4 其他食品 225
41.3.5 茶叶 227
41.3.6 谷物及其部分产品 227
41.4 结论 229
参考文献 230

第42章 激光诱导击穿光谱在工业和回收中的应用前景 233
42.1 概述 233
42.2 应用实例 234
42.2.1 快速空间分辨的材料分析 234
42.2.2 轧钢机的混料检测 237
42.2.3 耐火材料分选 239
42.2.4 合金金属废料的分拣 241
42.2.5 LIBS作为报废电子产品逆向生产的关键方法 244
42.2.6 紧凑型LIBS分析仪 251
参考文献 255

第43章 激光诱导击穿光谱应用于空间探索的进展 258
43.1 概述 258
43.2 激光诱导击穿光谱系统 259
43.2.1 LIBS基本原理 259
43.2.2 LIBS仪器结构 259
43.2.3 LIBS与航天器其他分析方法的比较 260
43.3 LIBS应用于空间探索的发展概况 260
43.3.1 基于LIBS技术的早期研究 260
43.3.2 NASA“好奇号”火星探测车上的ChemCam 262
43.3.3 太空探索中LIBS技术的改进 263
43.4 总结与展望 264
参考文献 265

第44章 复杂材料的飞秒激光诱导击穿光谱分析 268
44.1 概述 268
44.2 实验装置 269
44.3 飞秒激光诱导等离子体的表征和堇青石基体上负载的铂和钯的定量评估 270
44.4 LIBS辅助洞穴沉积物古气候研究的能力 274
44.5 飞秒LIBS对高能材料的研究 277
44.5.1 CN/C2在对位系列中的变化趋势 280
44.5.2 CN/C2在邻位系列中的变化趋势 281
44.5.3 CN/C2随取代基位置的变化趋势（对位与邻位） 281
44.5.4 发射强度与能量参数的相关性 282
44.6 展望 283
参考文献 284

第45章 激光诱导击穿光谱在耐热钢失效特性预测中的应用 286
45.1 概述 286
45.2 耐热钢的性能及失效机理 287
45.3 LIBS测量的样品制备 289
45.3.1 不同显微结构的20G钢样 289
45.3.2 不同组织变化的12Cr1MoV钢样 290
45.3.3 不同老化等级的T91钢 293
45.4 不同性能耐热钢的光谱特征 295
45.4.1 微观结构 295
45.4.2 珠光体球化等级 296
45.4.3 老化等级 297
45.5 多元分析方法在失效特征预测中的应用与优化 304
45.5.1 不同显微结构20G钢的分类分析 304
45.5.2 珠光体球化程度不同的12Cr1MoV的分类 306
45.5.3 T91老化等级的估算 309
45.5.4 T91钢硬度的估算 312
45.5.5 特征选择方法的改进 316
45.5.6 光谱预处理与特征选择方法的结合及多特征耦合建模 320
45.6 老化等级评估在工业中的实际应用 327
45.7 结论与展望 332
参考文献 333

第46章 激光诱导击穿光谱的发展前景 337
46.1 概述 337
46.2 LIBS技术的发展 338
46.3 LIBS与其他方法的融合 339
参考文献 341