基于LIBS的元素成像技術(shù)在古氣候研究中的應(yīng)用

王 琪，游利兵，王宏偉，張艷琳,4，胡澤雄,5，范 軍,4,方曉東，羅 樂,6

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，合肥 230009；2.中國科學(xué)院 安徽光學(xué)精密機械研究所 安徽省光子器件與材料重點實驗室，合肥 230031；3.深圳技術(shù)大學(xué) 新能源與新材料學(xué)院,深圳 518118；4.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 科學(xué)島分院，合肥 230026；5.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院，合肥 230026；6.合肥工業(yè)大學(xué) 智能制造研究院，合肥 230009)

引 言

古氣候?qū)W研究對于氣候變遷、自然演變發(fā)展、環(huán)境污染等有重要作用。通過氣候研究代理物中的元素空間分布，讓人們對過去、現(xiàn)在和未來的氣候及其環(huán)境變化有了更加深入的理解。

目前，應(yīng)用于古氣候研究的元素檢測方法種類繁多。根據(jù)已報道的文獻，常用的元素檢測技術(shù)主要有以下幾種：同位素分析法[1]、電子探針顯微分析儀(electron probe micro-analyzer,EPMA)、電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜法(inductively coupled plasma- atomic emission spectroscopy,ICP-AES)[2]、電感耦合等離子體質(zhì)譜(inductively coupled plasma-mass spectroscopy,ICP-MS)、原子吸收光譜(atomic absorption spectroscopy,AAS)、X射線熒光分析法(X-ray fluorescence,XRF)、二次離子質(zhì)譜儀(secondary ion mass spectroscopy,SIMS)[3]等。以上這些技術(shù)的空間分辨率都達到了微米級別。EPMA在礦物元素檢測中應(yīng)用最為廣泛，前期樣品制備簡易、測定元素范圍廣，但耗費時間久、價格昂貴；ICP-AES能夠快速、準(zhǔn)確地測定大量金屬元素，不足之處在于一般樣本需要預(yù)先轉(zhuǎn)化為溶液，并且成本較高；ICP-MS檢測靈敏度高，測定元素范圍廣、速度快，但樣本制備過程復(fù)雜，檢測環(huán)境要求高。

在合理成本和簡單樣本制備的情況下，對大面積復(fù)雜樣本的迅速、準(zhǔn)確分析，取得較長且連續(xù)的古氣候數(shù)據(jù)，這一任務(wù)需要新的元素成像技術(shù)。近年來，基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)的元素成像技術(shù)備受關(guān)注。基于LIBS的元素成像技術(shù)因為其固有優(yōu)勢：少量甚至無需樣品制備、快速分析、高空間分辨率、高靈敏度以及低成本投入，使得在古氣候研究中顯現(xiàn)出巨大潛力。已有報道基于LIBS的元素成像技術(shù)從碳酸鹽、硅酸鹽中提取Si,Al,Fe,Ca,Mg,Li,K等元素分布信息，成為研究元素沉積環(huán)境和沉積過程的證據(jù)；提取化石樣本中P,Ca元素含量來確定滅絕物種的飲食與環(huán)境之間的相互作用；研究洞穴沉積物中Mg,Sr,Mn等元素解釋了與植被和氣候變化有關(guān)的層狀結(jié)構(gòu)；同時，利用海洋動物外殼中的微量元素為表征海洋溫度、鹽度和污染提供了非常有價值的數(shù)據(jù)。

1 基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的成像技術(shù)

LIBS也稱為激光誘導(dǎo)等離子體光譜(laser-induced plasma spectroscopy,LIPS)或激光誘導(dǎo)等離子體發(fā)射光譜(laser-induced plasma-optical emission spectroscopy,LIP-OES)，是一種原子發(fā)射光譜技術(shù)。激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)，是高能量的脈沖激光光束聚焦于樣品表面，擊穿樣品表面并產(chǎn)生等離子體，等離子體在膨脹的過程中快速冷卻，處于激發(fā)態(tài)的粒子回到基態(tài)，會釋放出光子，光信號經(jīng)透鏡收集耦合到光纖，傳輸?shù)焦庾V儀中進行光譜檢測[4]。根據(jù)發(fā)射光譜特征波長及其強度，可以定性或定量分析樣本材料。

基于LIBS技術(shù)的元素成像，是在樣本表面的不同位置上，激光誘導(dǎo)等離子體以預(yù)定的順序產(chǎn)生，獲得目標(biāo)元素的光譜強度，根據(jù)目標(biāo)元素的光譜強度數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的位置信息進行定性或定量分析，構(gòu)建偽彩圖以獲得相應(yīng)的元素分布圖像。

自從該技術(shù)于1962年首次用于元素分析以來，LIBS技術(shù)及其分析方法在這些年里取得了巨大進步。例如，雙脈沖LIBS的引入[5]、手持式LIBS系統(tǒng)的商業(yè)化[6]、納米粒子增強的LIBS(nanoparticle enhanced laser-induced breakdown spectroscopy,NELIBS)系統(tǒng)[7-8]以及自由標(biāo)定程序[9]、化學(xué)計量學(xué)的使用[10]，促使LIBS技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、古氣候研究、礦物材料、工業(yè)生產(chǎn)、考古和環(huán)境檢測方面取得很好的發(fā)展。

2 激光誘導(dǎo)擊穿光譜元素成像系統(tǒng)

基于LIBS的元素成像系統(tǒng)，需要保持較高空間分辨率的同時實現(xiàn)大面積復(fù)雜樣本的快速元素檢測，因此需要激光器、電動位移臺、光譜儀以及光譜數(shù)據(jù)處理軟件之間高速協(xié)同運作。基于LIBS的元素成像系統(tǒng)裝置圖如圖1所示。系統(tǒng)主要分為4個部分：激光光源、聚焦系統(tǒng)、光譜檢測系統(tǒng)以及成像系統(tǒng)。激光光源提供的高能量的脈沖激光束，通過光路整形擴束后利用光闌進行截取，得到的圓形光斑經(jīng)過聚焦系統(tǒng)后轟擊樣本表面，激光束與樣本相互作用，樣本表面發(fā)生快速的熔化和蒸發(fā)，材料在這個過程中被激發(fā)電離產(chǎn)生等離子體，等離子體冷卻過程中發(fā)出特定元素的輻射光子，被光譜檢測系統(tǒng)收集并檢測，通過光譜數(shù)據(jù)處理軟件分析特征波長以及對應(yīng)的光譜強度，繪制元素分布圖。成像系統(tǒng)則可以實現(xiàn)對樣本表面、剝蝕位置和剝蝕狀態(tài)進行實時成像觀察。

圖1 基于LIBS的元素成像系統(tǒng)裝置圖

2.1 激光光源

在LIBS元素成像系統(tǒng)中，激光光源是十分重要的部分。在等離子體產(chǎn)生的過程中，不同的激光具有不同的吸收特性；不同激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體狀態(tài)也不同。因此，等離子體的激發(fā)主要取決于脈沖激光的物理參量：波長、脈沖持續(xù)時間、脈沖能量、光束質(zhì)量等。

目前，在LIBS元素成像技術(shù)中，應(yīng)用比較廣泛的是固體激光器、氣體激光器以及準(zhǔn)分子激光器。準(zhǔn)分子激光是紫外波段光源，相比于紅外激光，紫外激光作為光源，具有空間分辨率高、分餾效應(yīng)小、屏蔽效應(yīng)少等優(yōu)點，因此，對生物組織的檢測主要是利用紫外波段光源。此外，一些研究小組將飛秒激光光源應(yīng)用于成像技術(shù)中，如ZORBA等人驗證了使用頻率加倍的Ti∶sapphire激光器發(fā)射100個飛秒量級脈沖到樣本表面上，達到亞微米空間分辨率的可能性[11]。飛秒激光的脈沖持續(xù)時間從幾十飛秒到幾百飛秒不等，由于這種非常窄的脈沖持續(xù)時間，能量沉積率非常高，導(dǎo)致與樣本的相互作用與納秒激光有很大的不同。表1中是幾種常見的激光光源及其參量。如表1所示，利用非線性頻率變換技術(shù)，可以將Nd∶YAG激光器的基本波長(1064nm)轉(zhuǎn)換為短波長(2次諧波532nm、3次諧波355nm和4次諧波266nm)，拓寬了Nd∶YAG激光器的應(yīng)用領(lǐng)域。

表1 常見的激光光源及其參量

2.2 聚焦系統(tǒng)

LIBS元素成像技術(shù)中，為了增加與樣品相互作用處的輻照度，激光輻射通常通過光學(xué)系統(tǒng)聚焦到一個非常小的點上，該光學(xué)系統(tǒng)就稱為聚焦系統(tǒng)。聚焦系統(tǒng)的特性對空間分辨率的提高至關(guān)重要，使用焦距為幾個毫米、放大倍數(shù)大于5倍的物鏡來聚焦光束，達到幾個微米的空間分辨率[20]。此外，在聚焦系統(tǒng)中通入惰性氣體，有利于提高光譜信號的穩(wěn)定性，減少光路中激光能量的損耗，大多數(shù)實驗中用到的惰性氣體為氬氣(Ar)、氦氣(He)以及氬氣和氦氣的混合氣體[21-22]。例如，美國QUARLES實驗小組對聚焦光路以及樣本臺中通入氦氣，使得地質(zhì)樣本中氟元素的檢測限增加了幾個數(shù)量級[23]；法國DARWICHE等人研究了混合氣體對信背比的影響，最后得出結(jié)論：在氣壓6000Pa下，氬氣和氦氣體積比為85∶15時，使得譜線信背比達到最大[24]。

2.3 光譜檢測系統(tǒng)

LIBS成像技術(shù)中另一個關(guān)鍵部分是光譜檢測系統(tǒng)，由光譜儀和探測器組成。光譜儀的重要參量有：譜線范圍、分辨率、靈敏度、采集速度，這些直接決定了光譜檢測系統(tǒng)的性能。基于已發(fā)表的文獻，使用較廣泛的是Echelle型光譜儀和Czerny-Turner型光譜儀，Paschen-Runge型光譜儀使用較少。Echelle光譜儀具有光譜范圍廣的優(yōu)點，特別適用于多元素探測(一般從紫外到近紅外)，但與其它光譜儀相比，Echelle光譜儀的入射狹縫比較窄(通常約為50μm)，這會減少有效到達衍射光柵的光量并限制其靈敏度。此外，Echelle光譜儀需要讀取整個電荷耦合器件圖像來獲得光譜，這導(dǎo)致了讀出時間的增加，并將采集速率和運行速度降低到只有幾赫茲。由于入口狹縫較大，Czerny-Turner光譜儀具有更高的靈敏度，當(dāng)與電荷耦合器件結(jié)合使用時，采集速率也更快。然而，Czerny-Turner型光譜儀有一個主要的缺點：檢測的光譜范圍有限。有研究小組提出在測量過程中使用多個Czerny-Turner光譜儀[25-27]，然而這一想法導(dǎo)致了系統(tǒng)成本的顯著提高。

2.4 兼容技術(shù)

LIBS成像系統(tǒng)為全光學(xué)系統(tǒng)，并且儀器相當(dāng)簡單，使其易于與其它兼容技術(shù)直接耦合。喇曼光譜技術(shù)與LIBS成像技術(shù)結(jié)合，兩種基于激光的分析技術(shù)共享部分儀器，可以集合在一起研究樣本表面的分子和元素，提供較全面的樣品信息。HOESHE等人已經(jīng)證明了這種結(jié)合在成像研究中的可行性，他們提出使用配備了雙Echelle型光譜儀的雙激光LIBS-Raman自動化微分析系統(tǒng)來表征鐵礦石樣品[28]。此外，LIBS元素成像技術(shù)與激光誘導(dǎo)熒光(laser-induced fluorescence,LIF)相結(jié)合，是一種增強光譜信號強度、減少背景干擾、提高信背比的很有效的方法。LI等人研究這種組合，通過分析在等離子體的不同位置激發(fā)熒光光譜，發(fā)現(xiàn)在等離子體的中心和外圍，基質(zhì)和目標(biāo)元素的激發(fā)效率存在很大差異[29]。LIBS元素成像技術(shù)還與諸如激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry,LA-ICP-MS)這類不完全基于光學(xué)的技術(shù)相結(jié)合，RUSSO團隊開發(fā)并研究了串聯(lián)式LA-LIBS儀器，并將其應(yīng)用于各種領(lǐng)域[30-31]。

3 激光誘導(dǎo)擊穿光譜成像技術(shù)在古氣候研究的應(yīng)用

在時間或空間尺度上重建過去的氣候變化已經(jīng)成為理解當(dāng)今和未來氣候的一個關(guān)鍵任務(wù)。因為儀器數(shù)據(jù)僅限于過去的幾十年或幾個世紀(jì)，重建必須依賴于氣候檔案代理物，大致可分為兩類：洞穴沉積物和海洋動物外殼。

3.1 洞穴沉積物

洞穴沉積物，如石筍、鐘乳石和流石，是洞穴中形成的次生礦床，是陸相古氣候信息的豐富記錄者。在沉積過程中，微量元素Mg,Ba,Sr,Na,Zn等微量元素與Ga結(jié)合，形成彩色層狀結(jié)構(gòu)，其對季節(jié)性的降雨、植被變化十分敏感。

2010年，法國里昂大學(xué)的MA研究小組實現(xiàn)了對洞穴沉積物樣本剖面的2維元素映射[32]，分析了樣本所包含的主、次以及微量元素的分布。圖2是不同元素的質(zhì)量分數(shù)相對變化的2維映射圖。其中圖2i是自然光下的樣本圖。對于某些元素，如Al,Si,Fe,K的質(zhì)量分數(shù)的相對變化非常明顯，達到250%以上的水平，而對于Na,Mg,Sr等元素，質(zhì)量分數(shù)的相對變化較小，在80%～120%之間。值得注意的是，所觀察到的元素質(zhì)量分數(shù)的相對變化的空間特征與自然光照片中可見的彩色層流結(jié)構(gòu)非常吻合，揭示了沉積物中元素質(zhì)量分數(shù)的相對變化與生長環(huán)境的季節(jié)性變化存在一定的關(guān)聯(lián)性。

圖2 a～h—不同元素質(zhì)量分數(shù)相對變化的2維映射圖 i—自然光下的樣本圖

2018年，西安交通大學(xué)全球環(huán)境變化研究小組利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)技術(shù)分析了石筍作為古氣候研究代理物的元素分布[33]，在國內(nèi)開創(chuàng)先例。石筍樣本(KS08-2)來自中國新疆科桑洞，已經(jīng)利用LA-ICP-MS定量測量了石筍中Ba,Sr,Mg等微量元素。將LIBS測量的元素光譜強度比與LA-ICP-MS測量的元素質(zhì)量分數(shù)相比較，如圖3所示。從圖中可以看出，LIBS測量的Ba/Ga,Mg/Ga和Sr/Ga光譜強度比值與LA-ICP-MS測量的Ba,Mg,Sr質(zhì)量分數(shù)變化趨勢一致，數(shù)值圖像基本重合。

圖3 LA-ICP-MS與LIBS的測量結(jié)果

3.2 海洋動物外殼

海洋動物外殼是記錄礦床生長和海洋生態(tài)系統(tǒng)進化的生物礦化產(chǎn)物，被廣泛用作海洋地表溫度、海洋酸化、海洋污染等環(huán)境研究的代理物。外殼中的元素含量波動與周圍環(huán)境變化息息相關(guān)，因此，通過外殼中的微量元素(Mg,Sr,Ba等)可以分析海洋動物的生長發(fā)育情況以及周圍環(huán)境的氣候變化。

3.2.1 珊瑚 2017年，西班牙馬德里孔普魯頓大學(xué)的CACERES研究小組實現(xiàn)了對大面積洞穴沉積物和珊瑚樣本的多元素掃描[25]。該實驗小組基于雙光譜儀系統(tǒng)、高速度掃描系統(tǒng)、新型自動對焦系統(tǒng)以及快速分析數(shù)據(jù)的LabVIEW軟件，將樣本的空間分辨率提升至10μm，掃描頻率100Hz，檢測靈敏度用溶液質(zhì)量分數(shù)來表示。同時，將大規(guī)模地質(zhì)樣本的元素成像技術(shù)首次提升至百萬級像素。文中指出，對大規(guī)模地質(zhì)樣本進行元素成像的關(guān)鍵在于激光聚焦的精準(zhǔn)控制，要求聚焦物鏡和樣本表面之間保持恒定距離。在這項實驗中，提出了適用于任何LIBS元素成像實驗的新型對焦系統(tǒng)，它依賴于測量和控制等離子體發(fā)射的垂直高度，新型自動對焦系統(tǒng)的提出，賦予LIBS技術(shù)分析復(fù)雜樣本的能力。圖4是洞穴沉積物中不同位置上的元素分布偽彩圖，圖中清楚地顯示了年生長層。

圖4 洞穴沉積物中不同位置上的Sr/Ga,Mg/Ga比值偽彩圖

圖5為不同元素在珊瑚石剖面中不同位置的分布圖。從圖中看出，沿著珊瑚石生長軸，元素濃度降低，高濃度的Sr,Mg元素集中于珊瑚石分支及邊緣，而Na元素分布于珊瑚石的根部及軀干，這可能是由于氣候和環(huán)境特征所引起的。

圖5 不同元素在珊瑚石剖面中的分布偽彩圖

3.2.2 貝殼 2015年，中國海洋大學(xué)光學(xué)與光電實驗室將LIBS與喇曼光譜相結(jié)合的方法引入到扇貝貝殼的成分分析中[34]。在表面不進行任何預(yù)處理的情況下，在樣本上進行點對點的LIBS-Raman測量，每個采樣位置進行5次。圖6是平均5次激光照射后的樣本成分分布偽彩圖。白色虛線表示貝殼的2個年輪，從底部到頂部將貝殼分為3個連續(xù)的生長期。從圖7中看出，在貝殼的前兩個生長周期中積累了大量的元素；元素Mg,K,Li主要集中在第1個生長期；元素Sr和Ca在第2生長期較為豐富；而在第3個生長時期，殼層的元素分布較少。此結(jié)果表明了元素分布與殼體的生長發(fā)育存在較強的相關(guān)性，不僅表現(xiàn)在水平方向上，同時表現(xiàn)在垂直方向上。

圖6 平均5次激光照射后的樣本成分分布偽彩圖

圖7 3種樣本面掃描的偽彩圖以及沿生長方向上線掃描的Mg/Ga光譜強度比值

2017年，英國約克大學(xué)考古專業(yè)的HANSMANN研究小組快速分析了3種軟體動物外殼生長方向上的Mg/Ga光譜強度比值[35]。3種軟體動物的外殼分別取自黑線鳳凰螺(1778年，乃樣本存在年份，下同)、歐洲牡蠣(1758年)和突畸心蛤(1767年)，通過環(huán)氧樹脂固定后，用低速切割機沿生長軸方向切開并用砂紙打磨拋光切面。實驗小組采用了面掃描和線掃描兩種掃描模式，圖7a、圖7b和圖7c是樣本面掃描的偽彩圖，圖7b、圖7e和圖7f是沿生長方向上線掃描的Mg/Ga光譜強度比值。圖中黑色箭頭表示生長方向，黑色虛線箭頭表示線掃描的采樣路徑。從圖中可以看出,兩種掃描方式下光譜強度比值變化趨勢是一致的，同時3種軟體動物外殼上都存在明顯的分層現(xiàn)象，這是由于環(huán)境季節(jié)性變化導(dǎo)致的。

2019年，HANSMANN研究小組進一步研究軟體動物貝殼中微量元素與環(huán)境季節(jié)性變化之間的聯(lián)系[36]，采用線掃描模式獲得4個樣本中的Mg/Ga光譜強度比值，并與海表溫度對比。圖8為4個樣本中Mg/Ga光譜強度比值與海表溫度的年相關(guān)性。從圖中可以看出，Mg/Ga光譜強度比值與海表溫度成正比，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.97,0.87,0.83和0.81，這種相關(guān)性表明了微量元素摻入生物碳酸鹽中很大程度上受溫度影響，也就是環(huán)境季節(jié)性變化。圖中p表示顯著水平，ISTPC，MO31A和MP67A為樣本編號簡稱。

圖8 4個樣本中Mg/Ga光譜強度比與海表溫度的年相關(guān)性

4 結(jié)束語

近些年來，LIBS元素成像技術(shù)在儀器配置和古氣候元素檢測方面都取得了顯著的發(fā)展。與傳統(tǒng)的成像技術(shù)相比，LIBS成像技術(shù)成本低、樣本制備簡單、自動化程度高、檢測速度快以及極小的樣本損耗等優(yōu)點，使其在古氣候元素成像等研究領(lǐng)域展現(xiàn)巨大的潛力。然而，在實現(xiàn)大面積復(fù)雜樣本(即由幾種基質(zhì)組成)掃描成像、平衡空間分辨率和檢測靈敏度間的關(guān)系、快速采集和保存光譜數(shù)據(jù)、定量分析等方面上，仍然存在一些技術(shù)障礙需要克服。未來，自由標(biāo)定、化學(xué)計量等方法的引入，以及與Raman、ICP-MS等技術(shù)相結(jié)合，將會使得LIBS成像技術(shù)在古氣候研究方面邁進一個新的階段。與國外相比，國內(nèi)利用LIBS成像技術(shù)探究古氣候的研究處于起步階段，已有報道相對較少，且數(shù)據(jù)采集速度慢，成像分辨率低。因此，基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的元素成像技術(shù)在古氣候中的研究應(yīng)用就顯得尤為重要。