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    門后即是春天,尋找LIBS成熟之門的“鑰匙”——訪清華大學王哲教授

    儀器信息網 2019/08/20 09:56:40 點擊 4345 次
    [導讀] 激光誘導擊穿光譜(LIBS)被稱為是“未來化學分析巨星”。近日,儀器信息網特別采訪到了中國LIBS領域的領軍人物、清華大學王哲教授,請他對自身科研經歷,LIBS的現狀、發展前景及未來市場等內容展開介紹。

    激光誘導擊穿光譜(以下簡稱為“LIBS”)曾隨“好奇號”探索火星,與“蛟龍號”揭秘深海,自1962年誕生以來,在世界范圍內受到了廣泛的重視,被稱為是“未來化學分析巨星”。與傳統的化學檢測方法相比,LIBS有不需直接接觸樣品、可實現遠程探測、樣品需求量低、損耗小、無需繁瑣的制備過程等優勢,可應用于以固、液、氣任一物態形式存在的樣品,在環境監測、食品安全、臨床診斷、深海探測、以及軍事太空等領域都有廣泛的應用前景。

    近10年,中國LIBS領域發展迅猛,已成為世界LIBS領域最有活力的一股力量。近日,儀器信息網特別采訪到了中國LIBS領域的領軍人物、清華大學王哲教授,請他對自身科研經歷,LIBS的現狀、發展前景及未來市場等內容展開介紹。

    王哲 人物專訪.jpg

    清華大學 王哲教授

    作為中國LIBS領域的領軍人物,王哲曾先后就讀于清華大學熱能工程系和美國賓州州立大學,目前為清華大學能源與動力工程系教授、中國激光誘導擊穿光譜專家委員會常務副主任兼秘書長、第8屆LIBS國際會議秘書長、第9,11屆LIBS國際會議副主席、亞洲LIBS國際會議發起人兼常務副主席。在LIBS領域,特別是在LIBS定量化方面,王哲擁有多年的研究經驗,目前已申請國家發明專利40多項,授權25項(含國際專利1項),并且已通過美國TSI公司、中國國電科學技術研究院等得到成果轉化,總專利成果轉讓費超過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仿真建模、燃燒等領域的研究,基本上都與煤的燃燒有關,因此對煤質在線分析的重要性深有體會。王哲介紹說:“通過對煤質的分析,可以對煤場燃料進行管理,這在節能減排過程中是重要的支撐工序。當時,該領域研究缺少適合對煤質實時分析的技術,原有的技術要么價格昂貴,要么準確度不夠,無法解決生產中的實際問題。”機緣巧合,王哲在美國曾短暫地接觸過LIBS,對是否可以使用LIBS技術對煤質進行分析抱有很大的希望。他說:“當時的想法很簡單,只是想開發出一個應用,找到一個可以用在煤質分析上的好工具,解決實際問題,并沒有想以LIBS研究為主,之后還要回到能源動力研究中。”隨后,王哲便搭建了他的第一臺LIBS裝置,檢測的效果令他吃驚,一塊含碳量70%的樣品,檢測的數據只有50%,這巨大的差距讓他深深的體會到:LIBS并不是一個成熟的工具。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技術的研究,從此也就開啟了他的LIBS科研之路。

    當提到為什么發現LIBS技術不成熟時,不是選擇放棄,嘗試尋找其他技術,而是繼續開發和研究這項技術時,王哲風趣的回答道:“因為比較‘傻’,比較執著,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。而實際上,在對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,這個技術會獲得成功。”

    對于LIBS,王哲最開始了解的相對較少,從能源動力學研究轉到光譜領域,他對基礎知識有所欠缺,相當于重新開始。但從另一方面來說,正是能源動力學研究的經驗,成就了他與同領域其他人思維上的不同。“我一直在思考,為什么我的研究方向永遠和別人不一樣?后來我發現,是我與其他人思考問題的角度不同。”他說:“在能動領域,傳熱傳質是最基本的概念,而光譜領域的科研工作者對這些概念的認知比較薄弱。雖然我到了這個領域,但我的思考中,天生帶著這個概念。”他憑借交叉領域的思維方式,發現了在LIBS測量中,不穩定性是不可避免的。王哲介紹說,由于等離子體和周圍環境氣體發生了激烈的傳熱傳質過程,某些相互作用過程導致了等離子體的形狀不可重復,這是測量不確定性的主要來源。雖然最開始對王哲來說LIBS的確是一個全新的領域,但是后來他發現原有的知識也起到了很大的作用。

    2014年,王哲將LIBS技術應用到生產中,通過將煤炭壓成餅,再用LIBS技術對其進行離線分析,取得了很好的測量結果。王哲說:“當時就感覺,完成了這步,距離在線監測也就是一步之遙了。”但事實上,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,當問到是什么信念讓他堅持著LIBS的研究時,他說:“1979年,科學家Marvin Margoshes曾提出,理想的分析設備應該具有的功能包括遠程檢測、不接觸樣品、微損、快速等特點,而LIBS技術完全符合這些特點。”他相信,LIBS有非常大的潛力,將會是真正的“化學分析巨星”。

    多方法結合實現技術突破,成果轉化實現專利輸出

    王哲通過數學方法,將收集到數據加工整理,他推測影響LIBS等離子體不確定性的原因是總粒子數的波動。后期他又將數據與圖像結合分析,發現可能是等離子體形狀的波動導致觀測到的總粒子數不同,本質原因在于當激波脫離等離子體時,激波反作用力使得等離子體上部物質向下運動,而下部物質碰撞,這個碰撞過程非常激烈,導致了之后的等離子體形狀不穩定。“在和圖像對比之前就猜測有一個過程導致等離子體千變萬化,找到這個過程后,原理就會變得很簡單,但是找到這個過程很難。為了找到這個過程,我們拍了無數張圖片,當你有幾幅圖片的時候,對比起來很容易,但是當你有幾千幅圖片的時候你就完全不知道從何下手了。當時拼了命的來來回回去設想,去尋找,終于找到了這個過程,這也是需要運氣的。”找到導致等離子體變化的主導過程后,他提出了很多種方法,如通過等離子體調制使產生的等離子體更加穩定,讓觀測到的待測元素總粒子數保持穩定。

    由于目前只能通過等離子體調制方法一定程度地提高等離子體的穩定性,每次測量仍具有很大的不確定性,王哲提出一種假設,利用特定的LIBS系統,對每一類樣品,存在一個標準狀態,通過建立一個標準化模型,把每次測得的光譜強度值折合成標準狀態的值,從而大幅降低了測量的不確定性、提高了準確度。另外,對LIBS定標模型來收,傳統物理模型基于物理規律,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,所以定標效果相對傳統物理模型好很多,但是本質是基于線性相關的統計學模型。為了解決這個問題,王哲將數學中的統計學方法與物理方法結合起來,大大的提高了測量的準確度。

    據王哲介紹,這一系列的方法,與當時國外的理念幾乎是截然不同,因此論文投稿過程也相當不易,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“激光誘導擊穿光譜(LIBS)定量化技術”項目榮獲了2017年度中國儀器儀表學會科學技術獎一等獎。為了驗證這項技術,儀器儀表學會特別組織了一場鑒定會,由學會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。“鑒定會前一天晚上十點鐘才通知要提供一臺樣機,現場對樣品進行檢測以檢驗儀器的重復性和準確性。”王哲回憶道:“我連夜準備,但是鑒定會現場看到樣品我當時就急了,樣品上面銹跡斑斑,現場也沒砂紙,只能用紙巾擦。”不過,雖然樣品完全未知,客觀條件也不好,不光滑又生銹,但檢測的四塊樣品其數據結果非常不錯,評委全票通過給予了國際領先的評價。 

    獲得學術界的認可后,便有很多企業找到了王哲,想與他合作將LIBS定量化技術轉化成產品。談到他印象最深的合作案例,王哲說:“我們與TSI把設備分別放在4家不同的電站中對煤質進行分析,模型建好后每天檢測一次,TSI再用其他方法對比,連續對比一個月到一個半月,我們的儀器效果非常好。”通過這個對比,王哲的設備從性能上得到了多家國外領頭企業的認可,紛紛向他提出了合作意向。目前,王哲與美國TSI、必達泰克都有過合作,據悉這也是LIBS領域國內首次向發達國家領頭企業輸出專利技術。不過,王哲也強調,他的心愿一直是與中國企業合作,將技術國產化,降低成本,為國家和社會做出一份貢獻。

    不僅如此,王哲還將這項技術推向了實際應用,截止目前,他已經將LIBS技術應用于煤質離線分析、金屬在線分析等。其中煤質分析半在線設備(自動化壓餅—檢測)已經收到了很好的效果,金屬在線分析也減輕了工人的負擔。從技術上王哲已經證明了LIBS應用于工業的可行性,但同時他也指出,LIBS技術在工業應用中還存在一些問題,例如在弧形材料表面檢測的欠缺,需要開發一些配件等。

    基礎理論是研究重點,亟待尋找“用武之地”

    對于國內LIBS技術現今的發展狀況,王哲認為,LIBS現在需要突破的三大瓶頸分別是:測量的可重復性、測量的準確性、以及檢出限。同時他也強調,儀器技術的進步是要建立在理論研究基礎上的,對基礎研究的認識,中國人花的時間還不夠多。現今國內的LIBS研究人員多以應用研究為主,研究基礎理論的人員相對較少。王哲坦言,LIBS 在基礎研究中,還有很多問題尚未解決。“可重復性的來龍去脈還沒搞明白,哪個因素、過程決定了這個問題?是怎么干擾這個過程的?如何讓可重復性變得更好?這些問題學術界還不太清楚,我們也一直在探索。也許這條路最后很簡單,一旦有人發現了,也就是個‘開關’的問題,但在沒有發現之前對大家來說都很難,這種狀態會一直到我們找到那把‘鑰匙’為止。當然,如果可以吸納國外先進的理論,把關鍵的東西提煉出來,應該可以少走不少‘彎路’。”

    從儀器發展的角度,王哲表示:中國的LIBS還處在“搭建狀態”,核心元件還是需要進口,國內只是組裝,這也是分析儀器行業的弊病。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,其中有很多技術知識。“光譜儀怎樣與前端配合才是最穩定的?光路應該怎樣設計,秘訣在哪里?國外在這條路走了很長時間,在穩定性及搭配上做的比國內要強,如果不經過系統的實驗,很難一下子了解這些技術的。”

    王哲指出,LIBS在搭建中有幾個關鍵環節,問題不大,但是很重要,國外也是通過很多年的摸索,經過了很多次的失敗后才成功的。“國內現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現彎道超車。”

    對于目前中國LIBS發展中亟待解決的問題,王哲認為主要有兩方面:一是需要研究出整套的關于LIBS不確定性產生原因的理論,再從理論出發,找出哪些是制約的關鍵過程、關鍵因素,進而將它抵消,這樣可以讓LIBS定量化性能更好,可應用的場景也會更多;另一方面,LIBS現在已經可以解決一定問題,但依然需要尋找一個既有比較大的需求,現有技術又可以勝任的應用市場。王哲強調說。“這樣的市場沒有么?我相信肯定有,如果這樣的市場找到了,LIBS的春天就來了。” 

    目前LIBS儀器主要以定制化為主,民用極少,主要需求在工業生產以及高校科研,沒有集中的市場,且需求量較少,價格偏貴。“國內市場還在等待著LIBS技術的成熟。”王哲說:“LIBS技術一旦成熟了,在流程工業,特別是煤炭利用、水泥制造、礦產生產(比如磷礦選礦)等行業將會有很大的市場。”他表示,現在國外LIBS企業在遴礦中有不錯的表現,選礦效果好。同時他也提出,在一些領域中,目前LIBS最大的競爭對手是XRF,XRF技術現在相對成熟,也有較好的重復性和穩定性,LIBS還有較大的提升空間,需要打敗XRF才會有更大的市場。

    在整個采訪過程中,王哲不斷強調,目前LIBS技術距離成熟真的只差一點點,需要一把“鑰匙”,找到了這把“鑰匙”,以后的發展將一馬平川,他堅信這天很快就會到來,他自己也將繼續鉆研下去,為了LIBS的春天盡快到來發揮自己的力量。


    采訪編輯:吳優

    后記

    王哲在LIBS領域鉆研多年,同時他也很注重培養年輕的LIBS研究人員和學生,他建議在科研中要時刻保持一顆好奇心。他說:“許多學生在實驗中,看到的實驗結果與預計不同,第一反應就是很沮喪,他們應該感覺興奮才對。如果看到的都一樣,那這個技術早就成熟了。看到了其中的不同,才會找到突破口。” 


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