植物样品的激光诱导击穿光谱(LIBS)分析

撰稿人: 日期:2014-12-30 点击次数:1740

前言

植物体元素组成的测量对于生态科学、环境科学、农业科学等领域具有重要的意义。植物体元素组成有助于了解植物从土壤中吸收养分的效率,这些信息可以帮助判断植物体内营养元素的亏缺状况,避免肥料的滥用,实现农业高产;也有助于揭示碳氮等元素在生态系统、生物圈的循环规律。

本案例关注植物样品的元素组成测定。当前,电感耦合等离子原子发射光谱(ICP-OES)、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)等技术能提供植物样品精确的定量分析结果,但这些分析方法需要通过强酸将样品消解为液态来进行分析,不仅污染环境,且酸解过程中容易引入误差,另外这些方法也不能完全测定所有感兴趣元素。X射线荧光法(XRF)可以用于植物样品的固体测量,但这种方法无法测量常量元素和微量元素中的轻元素部分。激光诱导击穿光谱技术(Laser Induced Breakdown Spectroscopy简称LIBS技术)是近年新兴的一种更为先进的元素分析技术。LIBS可直接测量植物固体样品,不需或仅需极少样品前处理过程,能实现元素周期表上所有元素的测量,且检测动态范围极大(ppm至wt. %)。

 
实验条件

采用美国应用光谱公司的LIBS设备——J200激光光谱元素分析仪(美国应用光谱公司即ASI公司,由美国劳伦斯伯克利国家实验室首席科学家 Dr. Rick Russo建立)——进行植物样品分析。

激光器:266nm Nd:YAG纳秒激光(掺钕钇铝石榴石激光)器

  • 宽频光谱仪和ASI公司的Axiom软件收集发射光谱
  • 样品室充入氦或氩保护气体
  • 植物样品仅进行压片的前处理
  • LIBS光谱数据的分析采用ASI专业的数据分析软件包

                           
样品分析

将不同来源的17个植物标准样品进行压片前处理。使用ASI公司的J200 LIBS设备进行检测分析。本案例的目的是验证J200对植物样品元素组成、样品类型判别的能力,并建立该组样品的分类图谱。图1为其中一个植物标准样品的LIBS原子发射光谱图,采用ASI公司专业的分析软件包对光谱图中的峰值进行了识别和标注。本案例关注的重点是植物样品中的常量元素(N、P、S、Ca、Mg、K)和微量元素(C、B、Cu、Fe、Mn、Mo、Zn)。
每个植物标准样品上的激光烧蚀采样点均为5×5的网格(即
25个采样点)。采用分析软件包中自带的主成分分析功能(PCA)进行分析,以评价J200用于判定不同植物样品类别的能力。图
2为基于17个标准样品主成分分析结果的三维图。通过主成分1、2和4,17个样品的分析结果在三维图上有着良好的分离状况,这表明分析结果能良好的判断出17个样品为不同类型(来源)植物样品。
 
由于植物样品基体的异质性,标准曲线的建立需要细致而周密的方法。ASI的分析软件包能提供多变量标准曲线建立的功能。图3为采用ASI分析软件包,通过植物标准样品建立的Mg、Mn、P的多变量标准曲线。
                             
大蒜植物标准样品用于检测多变量标准曲线的准确度和精度(被检测标准样品没有用于建立标准曲线)。表1为大蒜标准样品Mg、Mn、P结果的准确度和精度。
                                 


          表2为大蒜样品元素的检测绝对质量及检测限(LODs)。不同元素绝对质量量检测值范围为0.16-647 ng。C元素检测限无法得到,这是因为没有此标准样品C元素浓度的报道。在得到的整个发射光谱中,N和S的特征峰的强度没有其它元素的强烈,这是造成这两种元素有较高检出限的原因。如果给本实验的J200 LIBS设备增加一个附加的ICCD检测器(如果配置将宽频光谱仪更换为ICCD,则是J200系列中的另一型号LIBS设备),就能得这些元素更好的检出限。


结论


ASI的J200 提供了一种全新的植物样品分析方法,此方法仅需极少样品前处理,不会产生有害环境的废弃物,并能提供较为精确的定量分析结果。采用ASI的数据分析软件包,能轻易辨识、标注激光采样产生的原子或离子发射光谱,软件的PCA分析及三维图像显示展示了强大的样品分类、样品来源判别功能,采用多变量标准曲线,可建立植物样品的所有元素的数据库,ASI公司的J200激光光谱元素分析仪是植物样品定性分析、定量分析、类型/来源判别的有力工具。



 

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