LIBS元素分析技術(shù)的應(yīng)用方案和案例

1、生命科學(xué)應(yīng)用方案與案例

CEITEC／AtomTrace LIBS研究團隊很早就關(guān)注到LIBS技術(shù)在生命科學(xué)包括生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

2005年，Jozef Kaiser博士（Atomtrace 公司科學(xué)主任、布爾諾大學(xué)教授、激光光譜學(xué)研究室負(fù)責(zé)人、CEITEC物質(zhì)特性與表面科學(xué)研 究部主任）等在 European Physical Journal 上發(fā)表了“Mapping of the metal intake in plants by large-field X-ray microradiography and preliminary feasibility studies in microtomography ”(Eur.Phys.J. D 32, 113-118)；2006年又利用LIBS飛秒激光光譜分析技術(shù)研究分析了植物樣品鐵、錳元素的分布并首次作出完整葉片鐵元素的二維分布圖，并發(fā)表了“Femtosecond laser spectrochemical analysis of plant samples”（Laser Phys.Lett.3, No.1, 21-25, 2006）

2007年至2010年，以Kaiser博士為代表的研究團隊利用μCT與飛秒激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)（LIBS）及LA-LCP-MS等技術(shù)，對向日葵等植物組織中重金屬元素吸收積累進行了研究分析。CEITEC/Atomtrace LIBS研究團隊還最早利用LIBS技術(shù)與顯微CT（µCT）相結(jié)合進行三維化學(xué)成像構(gòu)建。上述研究成果奠定了以Kaiser博士等為代表的激光光譜學(xué)實驗室LIBS技術(shù)在全球生命與環(huán)境科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

2010年，以Kaiser為代表的激光光譜學(xué)實驗室利用LIBS技術(shù)結(jié)合µCT技術(shù)，對蛇的畸形性骨炎脊椎骨元素包括Ca、Al、P、Na 等分布進行了研究分析，并發(fā)表了“Investigation of the osteitis deformans phases in snake vertebrae by double-pulse laser-induced breakdown spectroscopy”（Anal. Bioanal. Chem. 398:1095-1107, 2010）

實驗室研究團隊還對LIBS技術(shù)在古生物學(xué)、考古學(xué)方面的應(yīng)用進行了研究，下面為史前動物牙齒研究分析結(jié)果（參見論文：Multielemental analysis of prehistoric animal teeth by laser-induced breakdown spectroscopy and laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry. Applied Optics 49 No.13:191-199, 2010），該研究對于年輪元素分布與環(huán)境變遷研究同樣具有重要意義。

2012 年，Kaiser博士等根據(jù)多年的研究成果和同行研究情況，撰寫發(fā)表了綜述性文章“Trace elemental analysis by Laser-induced breakdown spectroscopy---biological applications” (Surface Science Report 67:233-243, 2012) 實驗室還應(yīng)用 LIBS 技術(shù)對藻類進行了大量研究（參見后面“液體 LIBS 元素分析應(yīng)用案例和方案”），并于 2014 年發(fā)表了綜述性文章“Algal biomass analysis by laser-based analytical techniques---a review”（Sensor 14:17725-17752, 2014）

2、地質(zhì)礦產(chǎn)應(yīng)用

CEITEC/Atomtrace激光光譜學(xué)實驗室對LIBS在地質(zhì)礦產(chǎn)方面的應(yīng)用進行了大量研究，在2014年發(fā)表的“Two dimensional elemental mapping by laser-induced breakdown spectroscopy”(Spectroscopy Europe 26 No.6:6-10, 2014)學(xué)術(shù)論文中，對砷鉑礦、黃銅礦Pt、Pb、Ni 等的表面元素分布進行了2D甚至結(jié)合µCT進行了三維構(gòu)建。

鈾是人類最有前景的能量來源，原位檢測鈾的存在與否極為重要，鈾礦檢測的主要挑戰(zhàn)是其復(fù)雜的光譜發(fā)射和高密度光譜曲線——甚至超出了一般的光譜儀檢測能力。CEITEC 激光光譜學(xué)實驗室利用LIBS技術(shù)，通過ANN（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）信息處理技術(shù)和PCA（主成 分分析），對沙巖鈾礦進行了測量分析。

3、液體（水懸浮液）LIBS元素分析

早在2000年，布爾諾科技大學(xué)激光光譜學(xué)實驗室 Ota Samek 及 Jozef Kaiser博士等即發(fā)表了“Application of laser-induced breakdown spectroscopy to in situ analysis of liquid samples”（Opt.Eng. 39(8) 2248-2262, 2000）。2012年，CEITEC激光光譜學(xué)實驗室研究團隊與PSI公司合作，在《Spectrochimica Acta Part B》發(fā)表了“Application of laser-induced breakdown spectroscopy to the analysis of algal biomass for induxrial biotechnology”，該研究利用LIBS技術(shù)和特制液體樣品激光作用室，分析了鉀、 鎂、鈣、鈉等與藻類至關(guān)重要的元素及銅等毒性重金屬元素積累。實驗設(shè)計方案為兩種，一種為利用真空樣品激光作用室對藻類生物膜進行測量分析，另一種利用特制液體樣品激光作用室分析液體中的微藻目標(biāo)元素（參見下圖）

近幾年來，CEITEC激光光譜學(xué)實驗室研究人員對液體元素分析進行了系列研究，在LIBS液體（包括水懸浮液）元素分析領(lǐng)域處于國際最前沿，可以提供各種最佳解決方案。下圖為分析水中重金屬元素（銅）的方案圖：

4、納米材料

納米技術(shù)是當(dāng)今材料技術(shù)的熱點，其中量子點（Quantum dots，QDs）及其應(yīng)用（如作為生命科學(xué)量子點標(biāo)記、癌細(xì) 胞成像等）被認(rèn)為是最有前景的納米顆粒。而在這些應(yīng)用中，必須精確檢測QDs并定性定量測量其空間分布，目前檢測方 法復(fù)雜、耗時且昂貴，CEINEC/Atomtrace激光光譜學(xué)實驗室利用LIBS技術(shù)，將不同劑量、不同PH值鎘（Cd）QDs溶液注射到濾紙上，測量分析了QDs的空間分布，為利用LIBS技術(shù)進行QDs快速檢測提供了重要的技術(shù)應(yīng)用方案。