近日，蘭州大學稀有同位素前沿科學中心、核科學與技術(shù)學院劉作業(yè)教授團隊在國際化學領(lǐng)域知名期刊《Journal of the American Chemical Society》（JACS）發(fā)表最新研究成果，提出“時空介質(zhì)協(xié)同調(diào)制激光誘導擊穿光譜（TSMM-LIBS）”創(chuàng)新方法，結(jié)合基質(zhì)稀釋策略，首次在激光誘導擊穿光譜（LIBS）中同時實現(xiàn)鋰雙線結(jié)構(gòu)及其同位素位移峰的完整分辨，破解了長期以來嚴重自吸收效應和等離子體展寬掩蓋微小同位素位移（~15 pm）的領(lǐng)域難題，為核聚變能源系統(tǒng)中氚增殖材料與核裂變反應堆冷卻劑的同位素高精度原位檢測提供了變革性技術(shù)路徑。

圖1:TSMM-LIBS 實驗裝置圖與基體稀釋處理流程圖

在全球應對氣候變化、實現(xiàn)能源系統(tǒng)深度脫碳的背景下，清潔核能技術(shù)正迎來跨越式發(fā)展。鋰同位素高精度分析技術(shù)對于保障核裂變系統(tǒng)安全運行、實現(xiàn)聚變?nèi)剂显辉鲋尘哂兄陵P(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的質(zhì)譜技術(shù)（如ICP-MS和TIMS）雖在地球化學等領(lǐng)域廣泛應用于同位素分析，但在核工業(yè)中面臨嚴峻挑戰(zhàn)。核材料往往具有高放射性，直接進樣會帶來儀器污染和人員輻射風險；且樣品基體效應復雜，分離純化困難；此外，嚴格的核保障制度極大地限制了敏感材料的取樣和離線分析。激光誘導擊穿光譜（LIBS）憑借其遠程檢測、實時在線監(jiān)測、強輻射環(huán)境適應性等獨特優(yōu)勢，成為核工業(yè)現(xiàn)場檢測的重要技術(shù)方向。然而，傳統(tǒng)LIBS技術(shù)中鋰特征譜線（670.776 nm）極易發(fā)生嚴重自吸收效應，導致譜線嚴重畸變，完全掩蓋了僅約15皮米的微小同位素位移，這一難題長期制約著LIBS在鋰同位素高精度分析領(lǐng)域的應用。盡管國際學界已開展大量研究，但迄今為止，尚未有研究能夠在LIBS中同時實現(xiàn)鋰D?（670.776 nm）和D?（670.791 nm）雙線結(jié)構(gòu)以及每條譜線內(nèi)部同位素分裂的完整分辨。

針對這一挑戰(zhàn)性科學問題，劉作業(yè)教授團隊創(chuàng)新性地提出時空介質(zhì)協(xié)同調(diào)制LIBS（TSMM-LIBS）技術(shù)方案。通過對時間、空間、介質(zhì)環(huán)境三個維度實驗參數(shù)的協(xié)同調(diào)控，實現(xiàn)對激光誘導產(chǎn)生的高溫稠密等離子體核心的主動調(diào)控，從根本上抑制自反轉(zhuǎn)效應的產(chǎn)生。研究團隊首次定義"自反轉(zhuǎn)指標（SRI）"用于定量表征譜線自反轉(zhuǎn)程度，并創(chuàng)新性提出翼側(cè)恢復算法結(jié)合比爾朗伯定律，成功將高度畸變的吸收凹陷反轉(zhuǎn)為有效發(fā)射峰，建立了從畸變信號中提取有效同位素信息的全新物理策略。

圖2:鋰同位素光譜分辨與光譜參數(shù)對比

作為核心突破，團隊首次在LIBS光譜中同時觀測到鋰同位素三重特征峰 ——670.776 nm（?Li D?線）、670.791 nm（?Li D?與?Li D?線）、670.807 nm（?Li D?線）。通過時空介質(zhì)協(xié)同調(diào)制與基質(zhì)稀釋策略的協(xié)同作用，光譜半高寬（FWHM）被顯著壓縮至25.65 pm，斯塔克展寬（ωStark）降至3.87 pm，成功實現(xiàn)亞多普勒光譜分辨率，激光誘導等離子體的發(fā)射源品質(zhì)接近空心陰極燈的本征發(fā)射水平。在定量分析方面，團隊基于洛馬金-謝弗公式和量子力學能級躍遷原理，建立了自吸收校正的有效濃度模型（ECM-SAC）。交叉驗證結(jié)果顯示，優(yōu)化的光譜強度比（670.776/670.807 nm）取得了優(yōu)異的定量性能，交叉驗證均方根誤差（RMSECV）低至0.041，性能偏差比（RPD）高達6.561，遠高于行業(yè)公認的優(yōu)秀預測性能標準（RPD>2.0）。該定量模型對固態(tài) Li?TiO?氚增殖陶瓷和液態(tài)鋰溶液樣品均表現(xiàn)出極佳的適應性，在寬廣的同位素豐度梯度范圍內(nèi)均實現(xiàn)了高精度分析。

該研究建立的遠程、原位、快速高精度鋰同位素分辨分析框架，對于核材料循環(huán)管理、聚變堆氚增殖材料實時監(jiān)測、核裂變反應堆冷卻劑安全控制具有重要的應用價值。這一技術(shù)突破不僅推動了激光光譜分析技術(shù)的發(fā)展，也為我國核聚變能源關(guān)鍵材料的在線檢測提供了核心技術(shù)支撐，對于保障未來先進核能源系統(tǒng)的安全高效運行具有重要戰(zhàn)略意義。

該研究成果以"Time-Space-Medium Collaboratively Modulated LIBS Combined with Matrix Dilution: From Self-Absorption to Isotope Discrimination of Lithium"為題發(fā)表于《Journal of the American Chemical Society》。蘭州大學核科學與技術(shù)學院工程碩博士專項博士生賴致杭為第一作者，劉作業(yè)教授為唯一通訊作者。蘭州大學核科學與技術(shù)學院博士研究生吳書佳、本科生徐程、高級工程師孫少華，中國科學院近代物理研究所博士研究生張昭、王紹偉、吳一繁、研究員錢東斌，以及中廣核研究院工程師孫兆軒、張勇等共同參與了本研究。研究得到國家自然科學基金、中核領(lǐng)創(chuàng)項目等資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c01769

原文鏈接：https://news.lzu.edu.cn/info/1051/1143935.htm

編輯：劉欣妍

責編：彭倩