等離子體發(fā)射光譜測試通過激光、電火花或微波等離子體等多種激發(fā)方式使樣品蒸發(fā)并形成高溫等離子體，其中原子或離子受激躍遷后發(fā)射出具有特征波長的光譜信號(hào)。光纖光譜儀采用模塊化設(shè)計(jì)，通過特殊優(yōu)化的光纖探頭高效收集這些光信號(hào)，經(jīng)高性能光柵分光系統(tǒng)處理后，由先進(jìn)的CCD或CMOS傳感器進(jìn)行精確檢測。

其技術(shù)具有以下幾個(gè)優(yōu)勢：

• 卓越的分析靈敏度：光纖光譜儀采用背照式CCD探測器與高效光路設(shè)計(jì)，配合先進(jìn)的制冷技術(shù)，顯著降低噪聲水平，檢測限低。

• 出色的實(shí)時(shí)監(jiān)測與快速響應(yīng)能力：得益于光纖傳輸?shù)募磿r(shí)性和光譜儀的高速采集特性，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間可達(dá)毫秒級。這一特點(diǎn)使其特別適合在線過程監(jiān)控，如半導(dǎo)體工藝氣體的實(shí)時(shí)成分分析、工業(yè)廢水排放的連續(xù)監(jiān)測等場景?？焖夙憫?yīng)能力確保了生產(chǎn)過程中的異常情況能夠被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，有效保障產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全。

• 強(qiáng)大的多元素同步檢測性能：寬光譜范圍，配合高分辨率光柵系統(tǒng)，可同時(shí)檢測數(shù)十種元素的光譜特征。這一優(yōu)勢在復(fù)雜樣品分析中尤為突出，如合金材料成分分析、環(huán)境樣品多元素篩查等應(yīng)用場景，顯著提高了分析效率，降低了單次檢測成本。

• 卓越的環(huán)境適應(yīng)性與系統(tǒng)集成靈活性：光纖光譜儀的模塊化設(shè)計(jì)使其能夠適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)現(xiàn)場，從固定安裝到移動(dòng)檢測，均能保持穩(wěn)定的分析性能。光纖傳輸?shù)奶匦赃€使得探測頭與主機(jī)可以分離布置，為特殊環(huán)境下的檢測應(yīng)用提供了極大便利。

• 晶圓制造純度管控：精準(zhǔn)檢測硅片、碳化硅片等晶圓表面及內(nèi)部的金屬雜質(zhì)（鐵、銅、鋁、鈣等）和非金屬雜質(zhì)（碳、氧、氮等）。

• 薄膜沉積實(shí)時(shí)監(jiān)測：在 CVD、PVD 等工藝中，通過追蹤靶材元素（鈦、鎢、氮化硅等）的光譜強(qiáng)度，動(dòng)態(tài)調(diào)控薄膜成分比例與沉積速率，保障互連層、絕緣層的均勻性與性能穩(wěn)定性。

• 等離子體刻蝕工藝優(yōu)化：實(shí)時(shí)分析反應(yīng)氣體與晶圓材料的光譜特征，反饋刻蝕速率與選擇性，及時(shí)調(diào)整射頻功率、氣體流量等參數(shù)，避免過刻蝕或欠刻蝕導(dǎo)致的器件失效。

• 材料與封裝質(zhì)量檢測：檢測高純硅料、濺射靶材中的痕量雜質(zhì)，以及封裝材料（引線框架、樹脂）的元素殘留，從源頭規(guī)避材料缺陷對芯片可靠性的影響。

• 化妝品與日化行業(yè)：針對防曬霜、護(hù)膚品中的無機(jī)功能成分（如 TiO?、ZnO）進(jìn)行快速定量，無需強(qiáng)酸消解，兼顧檢測效率與環(huán)保性，契合化妝品行業(yè)安全監(jiān)管需求。

• 環(huán)境監(jiān)測行業(yè)：現(xiàn)場篩查大氣、水體、土壤中的重金屬污染物（汞、鉛、鎘等），支持應(yīng)急監(jiān)測與污染溯源，為生態(tài)環(huán)境治理提供快速響應(yīng)技術(shù)。

• 食品安全行業(yè)：檢測食品原料、成品中的重金屬殘留與添加劑元素含量，助力農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量抽檢與食品安全生產(chǎn)管控。

• 冶金與材料行業(yè)：金屬冶煉過程中元素成分在線監(jiān)測、合金材料純度檢測、新材料研發(fā)中的元素分布表征，保障生產(chǎn)效率與產(chǎn)品性能。

• 生物醫(yī)藥行業(yè)：藥物中金屬催化劑殘留檢測、生物樣本中微量元素分析、醫(yī)用材料純度管控，支撐藥物質(zhì)量與醫(yī)療安全。

基于光纖光譜儀的防曬霜中 Ti/Zn 元素檢測

以下基于文獻(xiàn)《Simultaneous detection of Ti/Zn content in sunscreens using calcination-assisted fiber laser induced breakdown spectroscopy》的研究成果，詳細(xì)展示光纖光譜儀在化妝品成分分析中的具體應(yīng)用。

TiO?與ZnO作為物理防曬劑，其含量控制關(guān)乎產(chǎn)品功效與安全性監(jiān)管。傳統(tǒng)濕化學(xué)法分析周期長、試劑消耗大。LIBS技術(shù)通過聚焦脈沖激光在樣品表面產(chǎn)生高溫等離子體，采集其冷卻過程中的特征發(fā)射光譜實(shí)現(xiàn)元素識(shí)別與定量，全流程無需化學(xué)試劑，樣品經(jīng)簡單固型處理即可分析。

本系統(tǒng)采用如海光電四通道光纖光譜儀，檢測范圍153-562nm，分辨率約0.15nm，通過石英光纖探頭以側(cè)向采集方式接收等離子體輻射，門控延遲1μs濾除韌致輻射背景，積分時(shí)間1ms。

上海如海光電四通道光纖光譜儀（檢測范圍 153-562 nm，光譜分辨率約 0.15 nm，狹縫 10 μm），配套光纖（芯徑 600 μm，數(shù)值孔徑 0.22），用于采集等離子體發(fā)射光譜信號(hào)；低輻照度光纖激光器（1064 nm，輻照度 0.15 GW/cm2），作為等離子體激發(fā)源。

激光脈沖經(jīng)反射鏡與聚焦透鏡聚焦于樣品表面，激發(fā)產(chǎn)生等離子體；光纖光譜儀在 1μs 門延遲、1 ms 積分時(shí)間下采集等離子體發(fā)射光譜；通過基線校正（移動(dòng)最小值法）、特征峰識(shí)別（Ti I 368.6 nm、Zn I 330.3 nm 等），結(jié)合普通校準(zhǔn)曲線法與改良單點(diǎn)多線校準(zhǔn)（OP-MLC）法進(jìn)行定量分析。

圖1 搭建場景示意圖

經(jīng)基線校正后，光譜中 Ti 元素發(fā)射線密集且強(qiáng)度高，Zn 元素發(fā)射線特征顯著（如圖2）；通過 Stark 展寬法與 Saha-Boltzmann 圖法計(jì)算，等離子體電子密度為（3.27±0.35）×101? cm?3（Ti）與（4.54±0.36）×101? cm?3（Zn），等離子體溫度為（4480±256）K（Ti）與（5450±207）K（Zn），滿足局部熱平衡（LTE）與光學(xué)薄條件，保障光譜定量可靠性。。

圖2 基線校正示意圖。(a)從含50% TiO?和50% ZnO的標(biāo)準(zhǔn)樣品獲取的原始光譜及估計(jì)的基線；(b) 相應(yīng)的基線校正后光譜

普通 LIBS 法下，Ti 的 LOD 為 0.046 mg/g，Zn 的 LOD 為 0.473 mg/g（基于 3σ 規(guī)則計(jì)算），優(yōu)于 XRF 技術(shù)的 Ti 檢出限（0.3-6.4 mg/g），與傳統(tǒng) ICP-AES/ICP-MS 的檢出限（亞 ppm 級）接近，但無需酸消解，更適合化妝品快速檢測。

圖3 50% TiO的Ti和Zn的OP-MLC鋅標(biāo)準(zhǔn)。（a）原始的OP-MLC方法（未校正）;（b）修改后的OP-MLC方法（已修正）。

基于上海如海光電光纖光譜儀，結(jié)合煅燒輔助樣品前處理與改良 OP-MLC 定量方法，實(shí)現(xiàn)了防曬霜中 Ti/Zn 元素的快速、酸 - free 檢測。該系統(tǒng)的核心優(yōu)勢體現(xiàn)在：檢出限滿足化妝品檢測需求，檢測流程簡便（樣品制備僅需煅燒、壓片），分析速度快（單次檢測 50 個(gè)重復(fù)測量），且精度與準(zhǔn)確性優(yōu)于傳統(tǒng) LIBS 方法。