激光誘導(dǎo)擊穿光譜（以下簡稱為“LIBS”）曾隨“好奇號(hào)”探索火星，與“蛟龍?zhí)枴苯颐厣詈?，?962年誕生以來，在世界范圍內(nèi)受到了廣泛的重視，被稱為是“未來化學(xué)分析巨星”。與傳統(tǒng)的化學(xué)檢測(cè)方法相比，LIBS有不需直接接觸樣品、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程探測(cè)、樣品需求量低、損耗小、無需繁瑣的制備過程等優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于以固、液、氣任一物態(tài)形式存在的樣品，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全、臨床診斷、深海探測(cè)、以及軍事太空等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。

近10年，中國LIBS領(lǐng)域發(fā)展迅猛，已成為世界LIBS領(lǐng)域最有活力的一股力量。近日，91儀器信息網(wǎng)特別采訪到了中國LIBS領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物、清華大學(xué)王哲教授，請(qǐng)他對(duì)自身科研經(jīng)歷，LIBS的現(xiàn)狀、發(fā)展前景及未來市場(chǎng)等內(nèi)容展開介紹。

清華大學(xué) 王哲教授

作為中國LIBS領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，王哲曾先后就讀于清華大學(xué)熱能工程系和美國賓州州立大學(xué)，目前為清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系教授、中國激光誘導(dǎo)擊穿光譜專家委員會(huì)常務(wù)副主任兼秘書長、第8屆LIBS國際會(huì)議秘書長、第9，11屆LIBS國際會(huì)議副主席、亞洲LIBS國際會(huì)議發(fā)起人兼常務(wù)副主席。在LIBS領(lǐng)域，特別是在LIBS定量化方面，王哲擁有多年的研究經(jīng)驗(yàn)，目前已申請(qǐng)國家發(fā)明專利40多項(xiàng)，授權(quán)25項(xiàng)（含國際專利1項(xiàng)），并且已通過美國TSI公司、中國國電科學(xué)技術(shù)研究院等得到成果轉(zhuǎn)化，總專利成果轉(zhuǎn)讓費(fèi)超過1500多萬元。

好奇心開啟LIBS研究之路 

王哲在碩士及博士階段一直從事電力系統(tǒng)仿真建模、燃燒等領(lǐng)域的研究，基本上都與煤的燃燒有關(guān),因此對(duì)煤質(zhì)在線分析的重要性深有體會(huì)。王哲介紹說：“通過對(duì)煤質(zhì)的分析，可以對(duì)煤場(chǎng)燃料進(jìn)行管理，這在節(jié)能減排過程中是重要的支撐工序。當(dāng)時(shí)，該領(lǐng)域研究缺少適合對(duì)煤質(zhì)實(shí)時(shí)分析的技術(shù)，原有的技術(shù)要么價(jià)格昂貴，要么準(zhǔn)確度不夠，無法解決生產(chǎn)中的實(shí)際問題?！睓C(jī)緣巧合，王哲在美國曾短暫地接觸過LIBS，對(duì)是否可以使用LIBS技術(shù)對(duì)煤質(zhì)進(jìn)行分析抱有很大的希望。他說：“當(dāng)時(shí)的想法很簡單，只是想開發(fā)出一個(gè)應(yīng)用，找到一個(gè)可以用在煤質(zhì)分析上的好工具，解決實(shí)際問題，并沒有想以LIBS研究為主，之后還要回到能源動(dòng)力研究中?！彪S后，王哲便搭建了他的第一臺(tái)LIBS裝置，檢測(cè)的效果令他吃驚，一塊含碳量70%的樣品，檢測(cè)的數(shù)據(jù)只有50%，這巨大的差距讓他深深的體會(huì)到：LIBS并不是一個(gè)成熟的工具。于是，從2010年開始，王哲便放下原來的課題，全心全意開始了LIBS技術(shù)的研究，從此也就開啟了他的LIBS科研之路。

當(dāng)提到為什么發(fā)現(xiàn)LIBS技術(shù)不成熟時(shí)，不是選擇放棄，嘗試尋找其他技術(shù)，而是繼續(xù)開發(fā)和研究這項(xiàng)技術(shù)時(shí)，王哲風(fēng)趣的回答道：“因?yàn)楸容^‘傻’，比較執(zhí)著，感覺這很好‘玩’，還有很多不知道的東西可以探索，我想做一些新的事情。而實(shí)際上，在對(duì)LIBS的研究中也找到了樂趣，它變成了我的新追求。我一直相信，這個(gè)技術(shù)會(huì)獲得成功?！?/p>

對(duì)于LIBS，王哲最開始了解的相對(duì)較少，從能源動(dòng)力學(xué)研究轉(zhuǎn)到光譜領(lǐng)域，他對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)有所欠缺，相當(dāng)于重新開始。但從另一方面來說，正是能源動(dòng)力學(xué)研究的經(jīng)驗(yàn)，成就了他與同領(lǐng)域其他人思維上的不同?！拔乙恢痹谒伎?，為什么我的研究方向永遠(yuǎn)和別人不一樣？后來我發(fā)現(xiàn)，是我與其他人思考問題的角度不同。”他說：“在能動(dòng)領(lǐng)域，傳熱傳質(zhì)是最基本的概念，而光譜領(lǐng)域的科研工作者對(duì)這些概念的認(rèn)知比較薄弱。雖然我到了這個(gè)領(lǐng)域，但我的思考中，天生帶著這個(gè)概念?！彼麘{借交叉領(lǐng)域的思維方式，發(fā)現(xiàn)了在LIBS測(cè)量中，不穩(wěn)定性是不可避免的。王哲介紹說，由于等離子體和周圍環(huán)境氣體發(fā)生了激烈的傳熱傳質(zhì)過程，某些相互作用過程導(dǎo)致了等離子體的形狀不可重復(fù)，這是測(cè)量不確定性的主要來源。雖然最開始對(duì)王哲來說LIBS的確是一個(gè)全新的領(lǐng)域，但是后來他發(fā)現(xiàn)原有的知識(shí)也起到了很大的作用。

2014年，王哲將LIBS技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)中，通過將煤炭壓成餅，再用LIBS技術(shù)對(duì)其進(jìn)行離線分析，取得了很好的測(cè)量結(jié)果。王哲說：“當(dāng)時(shí)就感覺，完成了這步，距離在線監(jiān)測(cè)也就是一步之遙了。”但事實(shí)上，這條路一走就又是5年。9年的研究中，王哲遇到了很多困難，當(dāng)問到是什么信念讓他堅(jiān)持著LIBS的研究時(shí)，他說：“1979年，科學(xué)家Marvin Margoshes曾提出，理想的分析設(shè)備應(yīng)該具有的功能包括遠(yuǎn)程檢測(cè)、不接觸樣品、微損、快速等特點(diǎn)，而LIBS技術(shù)完全符合這些特點(diǎn)。”他相信，LIBS有非常大的潛力，將會(huì)是真正的“化學(xué)分析巨星”。

多方法結(jié)合實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，成果轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)專利輸出

王哲通過數(shù)學(xué)方法，將收集到數(shù)據(jù)加工整理，他推測(cè)影響LIBS等離子體不確定性的原因是總粒子數(shù)的波動(dòng)。后期他又將數(shù)據(jù)與圖像結(jié)合分析，發(fā)現(xiàn)可能是等離子體形狀的波動(dòng)導(dǎo)致觀測(cè)到的總粒子數(shù)不同，本質(zhì)原因在于當(dāng)激波脫離等離子體時(shí)，激波反作用力使得等離子體上部物質(zhì)向下運(yùn)動(dòng)，而下部物質(zhì)碰撞，這個(gè)碰撞過程非常激烈，導(dǎo)致了之后的等離子體形狀不穩(wěn)定?！霸诤蛨D像對(duì)比之前就猜測(cè)有一個(gè)過程導(dǎo)致等離子體千變?nèi)f化，找到這個(gè)過程后，原理就會(huì)變得很簡單，但是找到這個(gè)過程很難。為了找到這個(gè)過程，我們拍了無數(shù)張圖片，當(dāng)你有幾幅圖片的時(shí)候，對(duì)比起來很容易，但是當(dāng)你有幾千幅圖片的時(shí)候你就完全不知道從何下手了。當(dāng)時(shí)拼了命的來來回回去設(shè)想，去尋找，終于找到了這個(gè)過程，這也是需要運(yùn)氣的?！闭业綄?dǎo)致等離子體變化的主導(dǎo)過程后，他提出了很多種方法，如通過等離子體調(diào)制使產(chǎn)生的等離子體更加穩(wěn)定，讓觀測(cè)到的待測(cè)元素總粒子數(shù)保持穩(wěn)定。

由于目前只能通過等離子體調(diào)制方法一定程度地提高等離子體的穩(wěn)定性，每次測(cè)量仍具有很大的不確定性，王哲提出一種假設(shè)，利用特定的LIBS系統(tǒng)，對(duì)每一類樣品，存在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，通過建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化模型，把每次測(cè)得的光譜強(qiáng)度值折合成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的值，從而大幅降低了測(cè)量的不確定性、提高了準(zhǔn)確度。另外，對(duì)LIBS定標(biāo)模型來收，傳統(tǒng)物理模型基于物理規(guī)律，因此模型具有很好的普適性，但是只用到了其中幾條譜線的信息；而目前常用的偏最小二乘多變量模型利用了全譜線信息，所以定標(biāo)效果相對(duì)傳統(tǒng)物理模型好很多，但是本質(zhì)是基于線性相關(guān)的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型。為了解決這個(gè)問題，王哲將數(shù)學(xué)中的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法與物理方法結(jié)合起來，大大的提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度。

據(jù)王哲介紹，這一系列的方法，與當(dāng)時(shí)國外的理念幾乎是截然不同，因此論文投稿過程也相當(dāng)不易，被拒絕了5次，但他沒有放棄，而是不斷與審稿人溝通交流。也正是這一系列調(diào)制等離子體的方法，讓人們漸漸注意到了他的工作，也讓他自己感覺到LIBS中無限的樂趣。

終于在2017年，其課題組研制的“激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）定量化技術(shù)”項(xiàng)目榮獲了2017年度中國儀器儀表學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。為了驗(yàn)證這項(xiàng)技術(shù)，儀器儀表學(xué)會(huì)特別組織了一場(chǎng)鑒定會(huì)，由學(xué)會(huì)科儀委主任燕澤程主持，金國藩院士、張玉奎院士、尤政院士、顧大釗院士等專家出席。“鑒定會(huì)前一天晚上十點(diǎn)鐘才通知要提供一臺(tái)樣機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)以檢驗(yàn)儀器的重復(fù)性和準(zhǔn)確性?！蓖跽芑貞浀溃骸拔疫B夜準(zhǔn)備，但是鑒定會(huì)現(xiàn)場(chǎng)看到樣品我當(dāng)時(shí)就急了，樣品上面銹跡斑斑，現(xiàn)場(chǎng)也沒砂紙，只能用紙巾擦?！辈贿^，雖然樣品完全未知，客觀條件也不好，不光滑又生銹，但檢測(cè)的四塊樣品其數(shù)據(jù)結(jié)果非常不錯(cuò)，評(píng)委全票通過給予了國際領(lǐng)先的評(píng)價(jià)。 

獲得學(xué)術(shù)界的認(rèn)可后，便有很多企業(yè)找到了王哲，想與他合作將LIBS定量化技術(shù)轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品。談到他印象最深的合作案例，王哲說：“我們與TSI把設(shè)備分別放在4家不同的電站中對(duì)煤質(zhì)進(jìn)行分析，模型建好后每天檢測(cè)一次，TSI再用其他方法對(duì)比，連續(xù)對(duì)比一個(gè)月到一個(gè)半月，我們的儀器效果非常好?！蓖ㄟ^這個(gè)對(duì)比，王哲的設(shè)備從性能上得到了多家國外領(lǐng)頭企業(yè)的認(rèn)可，紛紛向他提出了合作意向。目前，王哲與美國TSI、必達(dá)泰克都有過合作，據(jù)悉這也是LIBS領(lǐng)域國內(nèi)首次向發(fā)達(dá)國家領(lǐng)頭企業(yè)輸出專利技術(shù)。不過，王哲也強(qiáng)調(diào)，他的心愿一直是與中國企業(yè)合作，將技術(shù)國產(chǎn)化，降低成本，為國家和社會(huì)做出一份貢獻(xiàn)。

不僅如此，王哲還將這項(xiàng)技術(shù)推向了實(shí)際應(yīng)用，截止目前，他已經(jīng)將LIBS技術(shù)應(yīng)用于煤質(zhì)離線分析、金屬在線分析等。其中煤質(zhì)分析半在線設(shè)備（自動(dòng)化壓餅—檢測(cè)）已經(jīng)收到了很好的效果，金屬在線分析也減輕了工人的負(fù)擔(dān)。從技術(shù)上王哲已經(jīng)證明了LIBS應(yīng)用于工業(yè)的可行性，但同時(shí)他也指出，LIBS技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中還存在一些問題，例如在弧形材料表面檢測(cè)的欠缺，需要開發(fā)一些配件等。

基礎(chǔ)理論是研究重點(diǎn)，亟待尋找“用武之地”

對(duì)于國內(nèi)LIBS技術(shù)現(xiàn)今的發(fā)展?fàn)顩r，王哲認(rèn)為，LIBS現(xiàn)在需要突破的三大瓶頸分別是：測(cè)量的可重復(fù)性、測(cè)量的準(zhǔn)確性、以及檢出限。同時(shí)他也強(qiáng)調(diào)，儀器技術(shù)的進(jìn)步是要建立在理論研究基礎(chǔ)上的，對(duì)基礎(chǔ)研究的認(rèn)識(shí)，中國人花的時(shí)間還不夠多?，F(xiàn)今國內(nèi)的LIBS研究人員多以應(yīng)用研究為主，研究基礎(chǔ)理論的人員相對(duì)較少。王哲坦言，LIBS 在基礎(chǔ)研究中，還有很多問題尚未解決?！翱芍貜?fù)性的來龍去脈還沒搞明白，哪個(gè)因素、過程決定了這個(gè)問題？是怎么干擾這個(gè)過程的？如何讓可重復(fù)性變得更好？這些問題學(xué)術(shù)界還不太清楚，我們也一直在探索。也許這條路最后很簡單，一旦有人發(fā)現(xiàn)了，也就是個(gè)‘開關(guān)’的問題，但在沒有發(fā)現(xiàn)之前對(duì)大家來說都很難，這種狀態(tài)會(huì)一直到我們找到那把‘鑰匙’為止。當(dāng)然，如果可以吸納國外先進(jìn)的理論，把關(guān)鍵的東西提煉出來，應(yīng)該可以少走不少‘彎路’?！?/p>

從儀器發(fā)展的角度，王哲表示：中國的LIBS還處在“搭建狀態(tài)”，核心元件還是需要進(jìn)口，國內(nèi)只是組裝，這也是分析儀器行業(yè)的弊病。但如果不了解其中的特性，即使組裝也不能得到合適的效果，用的是同樣的光譜儀，但是整體儀器效果卻比不上國外廠商，其中有很多技術(shù)知識(shí)?！肮庾V儀怎樣與前端配合才是最穩(wěn)定的？光路應(yīng)該怎樣設(shè)計(jì)，秘訣在哪里？國外在這條路走了很長時(shí)間，在穩(wěn)定性及搭配上做的比國內(nèi)要強(qiáng)，如果不經(jīng)過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，很難一下子了解這些技術(shù)的?！?/p>

王哲指出，LIBS在搭建中有幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，問題不大，但是很重要，國外也是通過很多年的摸索，經(jīng)過了很多次的失敗后才成功的?！皣鴥?nèi)現(xiàn)在很多人說要彎道超車，哪有那么多的彎道超車？尤其是工程化上很難實(shí)現(xiàn)彎道超車。”

對(duì)于目前中國LIBS發(fā)展中亟待解決的問題，王哲認(rèn)為主要有兩方面：一是需要研究出整套的關(guān)于LIBS不確定性產(chǎn)生原因的理論，再從理論出發(fā)，找出哪些是制約的關(guān)鍵過程、關(guān)鍵因素，進(jìn)而將它抵消，這樣可以讓LIBS定量化性能更好，可應(yīng)用的場(chǎng)景也會(huì)更多；另一方面，LIBS現(xiàn)在已經(jīng)可以解決一定問題，但依然需要尋找一個(gè)既有比較大的需求，現(xiàn)有技術(shù)又可以勝任的應(yīng)用市場(chǎng)。王哲強(qiáng)調(diào)說?！斑@樣的市場(chǎng)沒有么？我相信肯定有，如果這樣的市場(chǎng)找到了，LIBS的春天就來了?！?nbsp;

目前LIBS儀器主要以定制化為主，民用極少，主要需求在工業(yè)生產(chǎn)以及高?？蒲?，沒有集中的市場(chǎng)，且需求量較少，價(jià)格偏貴?！皣鴥?nèi)市場(chǎng)還在等待著LIBS技術(shù)的成熟?！蓖跽苷f：“LIBS技術(shù)一旦成熟了，在流程工業(yè)，特別是煤炭利用、水泥制造、礦產(chǎn)生產(chǎn)（比如磷礦選礦）等行業(yè)將會(huì)有很大的市場(chǎng)。”他表示，現(xiàn)在國外LIBS企業(yè)在遴礦中有不錯(cuò)的表現(xiàn)，選礦效果好。同時(shí)他也提出，在一些領(lǐng)域中，目前LIBS最大的競爭對(duì)手是XRF，XRF技術(shù)現(xiàn)在相對(duì)成熟，也有較好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，LIBS還有較大的提升空間，需要打敗XRF才會(huì)有更大的市場(chǎng)。

在整個(gè)采訪過程中，王哲不斷強(qiáng)調(diào)，目前LIBS技術(shù)距離成熟真的只差一點(diǎn)點(diǎn)，需要一把“鑰匙”，找到了這把“鑰匙”，以后的發(fā)展將一馬平川，他堅(jiān)信這天很快就會(huì)到來，他自己也將繼續(xù)鉆研下去，為了LIBS的春天盡快到來發(fā)揮自己的力量。

采訪編輯：吳優(yōu)

后記

王哲在LIBS領(lǐng)域鉆研多年，同時(shí)他也很注重培養(yǎng)年輕的LIBS研究人員和學(xué)生，他建議在科研中要時(shí)刻保持一顆好奇心。他說：“許多學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中，看到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)計(jì)不同，第一反應(yīng)就是很沮喪，他們應(yīng)該感覺興奮才對(duì)。如果看到的都一樣，那這個(gè)技術(shù)早就成熟了?？吹搅似渲械牟煌艜?huì)找到突破口?！?nbsp;