利泓科技LIBS技術特別報導 從行星科技到工業應用都正夯的分析技術-LIBS 前言 正在火星上服役的好奇號，帶著最新的技術與設備進行探勘工作，而其中一項叫做LIBS的分析技術，就像一個優秀的實力派歌手一般，當我們因為選秀節目而認識這位爆紅的新星時，其足跡早已踏遍各大校園、大小餐廳；你或許因為火星任務才知道LIBS，但它的身影也出現在各大工業界，舉凡鋰電池電極材料開發、超合金與高熵合金設計、植物微量元素分析、環境廢棄物有害物質分析到珠寶鑑定、刑事鑑定、藝術品與古物鑑定，究竟LIBS是什麼樣的分析技術，又如何實際的應用於工業中呢？ What is LIBS? 雷射誘導破裂光譜，全名Laser-induced breakdown spectroscopy，是一種透過雷射光將物質激發為電漿態後進行元素分析的技術。 與傳統的分析方式相比，這樣的技術優勢在於： ●樣品不需製備：在分析前不需經過繁雜的前處理程序 ●分析快速：單點的測量時間只需幾秒就可完成 ●寬廣的元素量測範圍：包含更輕的元素：H、Be、Li、C、N、O、Mg等等。 行星探測 在2012年8月順利登陸火星的好奇號，為了探勘工作配備了許多的先進儀器，其中最受關注的其中一項設備，被設計用來尋找輕元素，例如碳、氧、氮等，這些都是構成生命的基本要素，使用的技術就是LIBS。[1] 在火星上以雷射的高能量使岩石離子化，轉成發光的電漿後再透過光譜儀分析成分，而被影響的分析區域只有火星表面的1mm不到。 透過LIBS這樣的分析技術，在陸續檢驗了一些岩石後，過了兩個月便檢測到了之前在火星上從未發現過的新型岩石。[2] 圖一：好奇號使用雷射光對岩石表面進行分析[3] 像LIBS這樣的技術能在火星探測中大放異彩，有以下幾項原因： ●樣品無製備：通常在進行分析實驗前，樣品都要經過複雜又仔細的處理程序，取樣範圍也必須謹慎挑選；在火星上我們可能需要透過宇宙聯合人力銀行聘雇外星人來磨試片，但聽起來這方法可能不太可行，所以幸虧有LIBS這樣的技術免去樣品前處理程序，替NASA節省了尋找合適外星人力的時間。 ●分析時間快速：外星環境瞬息萬變，一樣的結果數據能夠花越少時間得到越好，除了分析不易被中斷外，也可提高分析樣品數量，畢竟我們不知道好奇號什麼時候會被外星人劫持或是被流星砸到對吧？ ●樣品取樣影響小：我們的目的是希望分析結果準確可靠，但分析過後最好也不要留下任何的化學廢物或副產品，我們送核廢料到蘭嶼他們會抗議，工廠排廢水居民會抗議，如果我們分析過後留下汙染或影響火星人可能也會跑出來抗議，但是使用LIBS分析時影響的範圍只是火星表面的1mm不到，就算火星人沒近視也肯定完全不會發現。[4] 圖二：在火星上被發現的新型岩石The Jake Matijevic rock。[5] LIBS這項分析技術為NASA帶回豐富的研究數據， 而且到目前為止都還沒有接到任何宇宙聯合組織或任何外星人的抗議或建議，因此2014年在NASA的宣布事項中提到，將持續發展LIBS技術，做為2020年火星任務探測器上配置的分析技術之一。[6] 看完了以上LIBS技術於火星探勘的應用，我們再來看看在地球上幾個產業的應用，分別為材料檢測、藝術品鑑定及薄膜的分析研發。 金屬材料檢測 由於LIBS可以不經前處理就對樣品直接分析檢測，而且透過雷射的高能量，即使是堅硬、難消化或溶解的固體樣品都能輕易的離子化，因此如超合金、陶瓷或超導體等樣品都相當適用。在金屬分析領域，Orzi和Bilmes [7] 透過控制雷射能量，LIBS即時監控製程，可有效去除鋼板上的灰塵而不破壞鋼板表面，達到控制生產品質的目地，而Cavatchi [8]等人透過LIBS測定鋁合金的成分組成，結果與X-ray一致，但大幅縮短分析時間與處理程序。 藝術品鑑定 在火星探勘的時候我們有提過，由於取樣過程對樣品的影響非常的小，小到沒近視的火星人都不一定看得到，就可以達到定量的分析結果，因此在珠寶、藝術品甚至是考古的分析鑑定中都大獲好評；而在珠寶鑑定的領域中， LIBS與原本使用的SIMS相比成本大大降低，卻可快速檢測並不破壞樣品，目前已是鑑定證書中的主流分析方法。[9] 圖三：珠寶鑑定示意圖[10] 薄膜分析檢測 在半導體產業中，金屬、合金被做成各種元件連接訊號的傳輸，而各個元件的組成都非常複雜，為了達到高性能與低成本的要求，各種薄膜被大量的應用在元件中，但如何對這些薄膜的成分進行分析、在退火的程序後各層的組成又有什麼樣的變化呢？ 這時候一樣要請出我們的LIBS分析大神，透過控制雷射能量、剝蝕深度，便能夠以nm的等級進行逐層分析，而除了半導體，這樣的分析工具也可以應用在鋰電池的研發，一樣透過逐層分析的方式研究材料，比起傳統的方式分析，可大幅縮短研發時程。[11] 圖四：鋰電池示意圖[12] 透過以上的應用案例可知，LIBS與傳統分析方式相比，可得到相同、準確、更加全面的分析結果，但大幅縮短分析與樣品前處理所需時間，是未來研究分析方法的主流趨勢。 看完以上的報導後對LIBS是不是更加瞭解了呢？ 如果想對LIBS有深入的瞭解，我們絕對沒有控八控控可以讓你打，我們要舉辦一個研討會讓大家能夠近一點、再近一點得靠過來，不是因為我們很認真工作每天都只睡3小時，而是我們邀請到LIBS的國際資深研究學者Dr. Jhanis Gonzalez與國內LIBS主要研究學者靜宜大學理學院蔡素珍院長、清華生醫環科系王竹方教授與清華化工王潔助理教授，讓大家可以得到關於LIBS更專業的原理介紹及LIBS於各產業應用的第一手資訊！ 研討會將於2015年06月05日星期五在清華大學舉辦，詳情請上： http://ppt.cc/GWZqm 什麼？等不及要參加這麼專業又有深度的研討會？ 趕快找好朋友一起報名，網路報名倒數計時中！ http://ppt.cc/ySuep 參考文獻      [1]「好奇號」即將展開火星陸地探索，(August 18, 2012) ，取自BBC中文網：http://www.bbc.co.uk/zhongwen/trad/science/2012/08/120818_nasa_curiosity_movement.shtml [2] Nasa’s Curiosity rover finds “unusual rock’ (October 12, 2012) From BBC NEWS: http://www.bbc.com/news/science-environment-19923118 [3] Curiosity at Work on Mars. From: https://www.flickr.com/photos/gsfc/6385411977/in/photostream/ [4] LIBS Invades Mars! (August 2012) From Applied Spectra: http://www.appliedspectra.com/news/news-2012-8-LIBS-invades-mars.html [5] Roca Jake Matijevic. From: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Jake_Matijevic_Rock.jpg [6] L’instrument SuperCam sélectionné par la NASA pour la mission Mars 2020. (July 31, 2014) From 法國太空總署CNES: http://www.cnes.fr/web/CNES-fr/6115-communiques-de-presse.php?item=8944 [7] D.J.O. Orzi, G.M. Bilmes, “Identificaton and measurement of dirt composition of manufactured steel plates using laser-induced breakdown spectroscopy”, Appl. Spectrosc., 2004, 58, 1475. [8] .I.V. Cravetchi, M. Taschuk, Y.Y. Tsui, R. Fedosejevs, “Scanning microanalysis of Al alloys by laser-induced breakdown spectroscopy”, Spectrochim. Acta, 2004, 59B, 1439. [9] LIBS – A new beryllium testing method. (Aparil 29, 2004) From 國際珠寶開發商 palagems.com: http://www.palagems.com/beryllium_libs_testing.htm [10] Ceylon Sapphire ring. From: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ceylon_Sapphire_ring.jpg [11] AH Galmed, AK Kassem, H Von Bergmann, MA Harith ,” A study of using femtosecond LIBS in analyzing metallic thin film–semiconductor interface”, Applied Physics B, 2011 [12] Lithium Ionen Accumulator. From: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Lithium-Ionen-Accumulator.jpg 圖片版權： 圖一，出自附註[3]網頁：https://www.flickr.com/photos/gsfc/6385411977/in/photostream/ 於”保留部分權利”點入後，版權說明：https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/ 圖二，出自附註[5]網頁：https://www.flickr.com/photos/23925401@N06/8089704136/ 於”保留部分權利”點入後，版權說明：https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/ 圖三，出自附註[10]網頁：http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ceylon_Sapphire_ring.jpg 版權說明：This file is licensed under the Creative Commons Attribution 2.0 Generic license. Creative Commons Attribution 2.0 Generic：http://creativecommons.org/licenses/by/2.0/deed.en 圖四，出自附註[12]網頁：http://en.wikipedia.org/wiki/File:Lithium-Ionen-Accumulator.jpg 版權說明：This file is licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International, 3.0 Unported, 2.5 Generic, 2.0 Generic and 1.0 Generic license. www.rightek.com.tw

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