类型a
主要作者与机构及发表信息
本文的主要作者为隋明达（Mingda Sui）、范艳生（Yansheng Fan）、姜丽丽（Lili Jiang）、薛媛媛（Yuanyuan Xue）、周杰（Jie Zhou）和钟世磊（Shilei Zhong），其中钟世磊为通讯作者。研究团队来自青岛大学物理科学学院以及青岛大学海洋观测与通信中心（Center for Marine Observation and Communication）。该研究于2021年4月16日在线发表在《Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy》期刊上。
学术背景
本研究属于分析化学与海洋科学交叉领域，重点关注海水金属元素的检测技术。金属元素浓度是海洋科学研究和环境监测的重要指标，例如Na、Mg、Ca、K和Sr等元素是盐度的主要组成部分，其浓度变化对海洋气象学、生态学和水产养殖等领域具有重要意义；而Li、Fe、Mn等元素则是研究海洋矿产资源和地质学的关键参数。此外，重金属元素浓度是评估海洋环境污染的重要指标。然而，传统的水样金属元素检测技术（如原子吸收光谱法（AAS）、原子荧光光谱法（AFS）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）和电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES））通常需要复杂的样品预处理或富集过程，且难以实现在线、实时、多元素检测。激光诱导击穿光谱（LIBS）技术因其快速、高灵敏度和多元素分析能力受到广泛关注，但在水中应用时仍存在信号稳定性差等问题。因此，开发一种能够满足在线、实时、高灵敏度和多元素检测需求的技术成为迫切需求。
本研究旨在通过结合超声雾化技术和LIBS技术，开发一种新型的在线金属元素传感器（OUN-LIBS），用于海水分析。该技术的核心设计思想是将液体样品转化为气溶胶后进行LIBS检测，从而实现连续、高灵敏度、稳定和快速的现场检测。
研究流程
本研究包括系统设计、实验验证和数据分析三个主要部分。
系统设计
OUN-LIBS传感器由硬件系统和软件系统组成。硬件系统包括适配模块、雾化模块和光学模块。适配模块负责电源管理与设备通信，雾化模块用于样品雾化，光学模块则用于等离子体激发和光谱信号采集。雾化模块中的核心组件是一个特制的采样室，包含一个超声振动换能器板，可将液体样品转化为微米级液滴组成的气溶胶。气溶胶经过缓冲区后进入密封的击穿室，在此通过聚焦激光脉冲激发等离子体，并通过光纤收集等离子体发射光谱。软件系统基于LabVIEW开发，具备通信控制、数据采集与处理、定量分析等功能。系统采用三泵结构，分别用于抽取现场海水、标准样品和去离子水。
实验验证
实验分为实验室测试和海上现场测试两部分。实验室测试中，使用含Na、Mg、Ca、K、Sr和Li六种元素的标准溶液作为目标样品，其浓度与标准海水一致。海上现场测试则在青岛近海的船甲板上进行，使用潜水泵从海面下两米处抽取真实海水样品。实验中优化了激光能量（58.5 mJ）、延迟时间（460 ns）和积分次数（30次）等参数。
数据分析
数据分析包括稳定性评估、检出限计算、定量分析能力和在线校准方法验证。通过对低浓度范围内的标准样品进行零点线性拟合，获得各元素的检出限（LOD）。定量分析能力通过实验室和现场测试中的浓度估算误差评估。在线校准方法通过检测标准样品计算校正因子，用于实时修正定量反演公式。
主要结果
1. 系统性能
在连续在线检测状态下，OUN-LIBS传感器对六种目标元素的检出限均低于1 ppm，Ca元素的光谱线强度稳定性低于0.38%。这表明传感器具有极高的灵敏度和稳定性。
定量分析能力
实验室测试中，传感器对四种不同浓度样品的定量估算误差基本小于6.33%，最小误差仅为0.55%。现场测试中，经过在线标准样品校准后，Mg和Ca元素的最大偏差分别从70.81%和18.90%降至9.59%和9.21%，平均偏差分别降至1.01%和2.74%。这表明传感器在复杂环境下仍能保持较高的定量分析精度。
在线校准方法
在线校准方法显著提高了传感器在现场环境中的定量分析能力。校准后，传感器对三种不同浓度实验室样品的浓度估算偏差均小于4.95%。长时间运行测试中，传感器在12小时内的13轮检测中表现出良好的稳定性，每轮检测的相对标准偏差（RSD）均小于或等于2.50%。
结论与意义
本研究开发了一种新型的在线超声雾化辅助激光诱导击穿光谱（OUN-LIBS）传感器，用于海水金属元素分析。该传感器具有高灵敏度、高稳定性和快速在线检测能力，适用于海洋环境监测和科学研究。其创新之处在于结合了超声雾化技术和LIBS技术，实现了液体样品的连续雾化和在线检测。此外，在线标准样品校准方法进一步提高了传感器在现场环境中的定量分析精度。该技术在海洋科学研究和环境监测领域具有广阔的应用前景。
研究亮点
1. 开发了一种新型的OUN-LIBS传感器，解决了传统LIBS技术在水中应用时信号稳定性差的问题。 2. 采用在线标准样品校准方法，显著提高了传感器在现场环境中的定量分析能力。 3. 系统设计紧凑，功耗低（<580 W），适合长时间无人值守运行。 4. 对六种目标元素的检出限均低于1 ppm，表现出极高的灵敏度。
其他有价值内容
本研究得到了中国国家重点研发计划（编号2016YFC0302101）和山东省自然科学基金项目（编号ZR201910290171）的支持。研究成果不仅为海水金属元素分析提供了新工具，也为其他领域的液体样品分析提供了参考。