—來(lái)自美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的綠色化學(xué)分析技術(shù)

技術(shù)背景
 當(dāng)激光作用于樣品表面時(shí)，在極短時(shí)間內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生含有樣品物質(zhì)的等離子體，等離子體產(chǎn)生的過(guò)程中，發(fā)射出帶有樣品元素信息的發(fā)射光譜，通過(guò)檢測(cè)這些發(fā)射光譜，得到樣品的元素信息。這種技術(shù)被稱為激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)LIBS（Laser Induced Breakdown Spectroscopy），俗稱激光光譜元素分析技術(shù)，檢測(cè)限可達(dá)ppm級(jí)；隨著等離子的冷卻，凝結(jié)的樣品顆粒可輸送到ICP-MS，可測(cè)量樣品中的微量、痕量元素或同位素，檢測(cè)限可達(dá)ppb級(jí)。 測(cè)量的元素可覆蓋元素周期表中的大部分元素，高達(dá)100多種。
激光光譜元素分析系統(tǒng)是美國(guó)應(yīng)用光譜公司APPLIED SPECTRA（ASI公司）融會(huì)美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory）30多年激光化學(xué)分析基礎(chǔ)理論研究成果推出的產(chǎn)品。ASI公司由美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家 Dr. Rick Russo及其團(tuán)隊(duì)成立。Russo博士研究領(lǐng)域包括：激光加熱和激光剝蝕過(guò)程的機(jī)理研究；飛秒激光進(jìn)樣系統(tǒng)；利用激光剝蝕技術(shù)提高LIBS及ICP-MS 的化學(xué)分析精度；激光超聲的無(wú)損檢測(cè)和評(píng)估等。Russo 博士共發(fā)表學(xué)術(shù)論文300 多篇，22 項(xiàng)。ASI公司在激光應(yīng)用領(lǐng)域具有的技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)。

系統(tǒng)介紹
激光光譜元素分析系統(tǒng)創(chuàng)造了激光等離子光譜化學(xué)分析技術(shù)的新時(shí)代，將LIBS技術(shù)和ICP-MS結(jié)合，將檢測(cè)限提高到ppb級(jí)，并可得到樣品元素的空間分布圖（elements mapping)。目前已廣泛用于國(guó)際和實(shí)驗(yàn)室，如美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)大克拉曼多實(shí)驗(yàn)室 、巴西圣保羅大學(xué)、 美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等眾多機(jī)構(gòu)。

J200激光光譜元素分析系統(tǒng)基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從氫元素到钚元素幾乎全元素的測(cè)量，包括H、N、O等輕元素以及鹵族等其他傳統(tǒng)方法（包括ICP-MS）不能測(cè)量的元素。此外，J200激光光譜元素分析系統(tǒng)還可升級(jí)為激光質(zhì)譜聯(lián)用元素分析系統(tǒng)，將剝蝕出的納米級(jí)固體樣品微粒直接送入ICP-MS進(jìn)行更精確的分析，有效避免酸溶、消解等復(fù)雜樣品前處理帶來(lái)的二次污染和可能的誤差引入，同時(shí)還可以大大提升元素檢測(cè)限，實(shí)現(xiàn)了ppb以下到99%的寬范圍測(cè)量，還可在分析同位素的同時(shí)進(jìn)行主量元素的分析。

功能
快速檢測(cè)土壤、植物、中草藥、刑偵材料（玻璃、油墨等）、礦石、合金等樣品中的：
? 常量元素N, P, K, Ca, Mg, S

工作原理
激光光譜元素分析系統(tǒng)的固體激光器產(chǎn)生激光作用于樣品表面。當(dāng)激光能量大于樣品擊穿門檻能量時(shí)，在樣品表面形成等離子體。這些等離子體中受激光能量激發(fā)到達(dá)高能態(tài)的樣品物質(zhì)在迅速回遷至低能態(tài)的過(guò)程中，發(fā)射出帶有樣品元素種類、含量信息的發(fā)射光譜，這些發(fā)射光譜信號(hào)被智能信號(hào)收集系統(tǒng)收集并傳輸至光譜儀中進(jìn)行分光，再由CCD檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，得到元素信息。

硬件特點(diǎn)
激光光譜元素分析系統(tǒng)可對(duì)樣品進(jìn)行全元素快速檢測(cè)，同時(shí)可將固體樣品的剝蝕顆粒直接送入ICP-MS系統(tǒng)，
實(shí)現(xiàn)ppb級(jí)精確分析。彌補(bǔ)了ICP-MS不能測(cè)量部分輕元素的缺憾，也有效避免了ICP-MS分析中繁雜的樣品前處理
過(guò)程及可能引入的二次污染。
激光光譜元素分析系統(tǒng)可與市面上絕大多數(shù)主流品牌ICP-MS的聯(lián)用。
激光光譜元素分析系統(tǒng)配備有固體樣品室，還可根據(jù)用戶需求同時(shí)配置氣體、液體樣品室，并通過(guò)設(shè)置可自動(dòng)
切換的光路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)固、液、氣體樣品室在同一系統(tǒng)中的自動(dòng)化切換，無(wú)需人為拆卸。
激光光譜元素分析系統(tǒng)的硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，易于更新。激光器和光譜儀（檢測(cè)器）可根據(jù)樣品的種類及用
戶的研究目的進(jìn)行升級(jí)，兩者均不受外界環(huán)境溫度影響，無(wú)需進(jìn)行特殊的環(huán)境控制，使用壽命長(zhǎng)。
的激光能量和激光光斑大小連續(xù)可調(diào)，激光脈沖能量穩(wěn)定一致，可實(shí)現(xiàn)樣品分層剝蝕、夾雜物和微光斑分析
（直徑最小可達(dá)5μm）、元素分布制圖、高精度定量等多種分析。
激光光譜元素分析系統(tǒng)采用ASI技術(shù)：剝蝕導(dǎo)航激光和樣品高度自動(dòng)調(diào)整傳感器相結(jié)合，解決了樣品表面
凹凸不平導(dǎo)致剝蝕不均勻的問(wèn)題；激光能量穩(wěn)定閥確保到達(dá)樣品表面的激光能量穩(wěn)定一致；3-D全自動(dòng)操作臺(tái)。
具備雙攝像系統(tǒng)，分別用于廣角成像和放大觀察某一樣品區(qū)域。

軟件特點(diǎn)
系統(tǒng)軟件能實(shí)現(xiàn)對(duì)所有硬件組件的控制，能提供多種采樣模式，包括直線、曲線、隨機(jī)點(diǎn)、網(wǎng)格任意大小和自定義采樣等，通過(guò)設(shè)置參數(shù)，可在無(wú)人值守的條件下自動(dòng)進(jìn)行大面積采樣。

內(nèi)置的數(shù)據(jù)分析軟件功能強(qiáng)大、分析速度快。能任意選取譜線及背景，自動(dòng)計(jì)算譜線的凈強(qiáng)度；計(jì)算兩個(gè)波峰之比；自動(dòng)計(jì)算所有波峰的標(biāo)準(zhǔn)偏差；同步分析所有文件夾及目錄下的測(cè)量數(shù)據(jù)。多次采樣時(shí)，軟件自動(dòng)統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)LIBS的強(qiáng)度 ，監(jiān)控信號(hào)質(zhì)量，獲得精確的定性和定量分析結(jié)果。

數(shù)據(jù)分析軟件具有單變量和多變量校準(zhǔn)曲線制定功能，易于完成高精度定量分析。單變量標(biāo)定曲線對(duì)于基質(zhì)較為簡(jiǎn)單的樣品分析效果較好。多變量標(biāo)準(zhǔn)曲線用于分析基質(zhì)較為復(fù)雜的樣品，例如土壤、植物樣品等，以減少基質(zhì)中其它元素對(duì)目標(biāo)元素的影響，提高分析準(zhǔn)確性。

此外，數(shù)據(jù)分析軟件還具有PCA、PLS-DA、多參數(shù)線性回歸等多種化學(xué)統(tǒng)計(jì)分析功能。可對(duì)樣品進(jìn)行快速分類鑒別，并可通過(guò)樣品某一特定元素的二維或三維分布制圖，形象展示樣品元素的分布。

應(yīng)用案例

將不同來(lái)源的9個(gè)土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品壓片處理，使用ASI公司的J200激光光譜元素分析系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，并采用J200內(nèi)置的專業(yè)分析軟件對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析。并對(duì)分析結(jié)果的精確度和分類鑒別能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖1為9個(gè)土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品的PCA三維分析結(jié)果圖。這表示分析結(jié)果能良好的判斷出這9個(gè)樣品為不同類型的土壤。采用建立的標(biāo)準(zhǔn)曲線檢測(cè)21號(hào)土壤標(biāo)準(zhǔn)物樣品，以此來(lái)評(píng)價(jià)分析的準(zhǔn)確度和精度（表1）。

2、植物樣品表層及深層元素分布
將植物葉片置于金屬元素溶液中至24小時(shí)，使用J200激光光譜元素分析系統(tǒng)對(duì)葉片進(jìn)行掃描，可見(jiàn)植物葉片對(duì)重金屬元素吸收分布的情況。其中常量元素由LIBS系統(tǒng)直接測(cè)出，重金屬元素由LA-ICP-MS進(jìn)行測(cè)量。

采用飛秒LA-ICP-MS系統(tǒng)還可以對(duì)植物葉片進(jìn)行深度的剖析。測(cè)量葉片內(nèi)部不同部位的元素變化情況以及特定元素的分布情況。實(shí)驗(yàn)使用飛秒激光器，10個(gè)脈沖，脈沖1至脈沖10表示葉片的表層至內(nèi)部。

3、大米和糙米樣品外殼及內(nèi)部砷元素的分布圖譜
大米是中國(guó)、韓國(guó)和日本等東亞諸國(guó)的主要農(nóng)作物，大米中砷元素含量超標(biāo)引發(fā)了很多食品安全問(wèn)題。國(guó)際食品法典委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)中也明確規(guī)定鉛含量不得大于0.2mg/kg ，鎘含量不得大于0.1mg/kg，但仍然對(duì)砷元素含量無(wú)規(guī)定。為了建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院搜集了韓國(guó)市場(chǎng)上常見(jiàn)的100種大米和糙米樣品，分析其中砷元素的含量及分布作為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定的科學(xué)依據(jù)。研究結(jié)果表明，砷元素主要分布在糙米和大米樣品的表面，并存在砷元素含量明顯的向中心遞減趨勢(shì)。結(jié)論：砷元素主要分布在大米和糙米的表面，打磨是降低砷元素含量的主要手段。

部分文獻(xiàn) 歡迎來(lái)電索取文獻(xiàn)目錄
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