利用 J200Tandem LA-LIBS 分析被污染的植物叶片

撰稿人: 日期:2016-5-30 点击次数:1404

1、背景介绍
 
植物从生长环境(土壤、水、气)中汲取养分;必需元素或有毒元素在植物体内的分布提供了金属元素的吸收和富集的信息。对植物组织中的元素的空间分布分析可以判断必需元素和有毒元素的吸收对植物体内有效的营养含量和潜在的健康影响,还可推断由于气候变化和环境污染对植物组织内元素分布的影响。
 
美国 ASI 公司生产的 J200 Tandem LA-LIBS 系统提供了一种测量植物整体组织内所有元素分布的独特的能力,这套系统综合了LA-ICP-MS 和 LIBS 的分析优势。
 
LIBS 用于分析常量元素和非金属元素(例如:H,N,O 和卤素)。当结合了 ICP-MS  后, J200  TandemLA-LIBS 系统可以同时测量痕量元素和同位素的组成比例。结合 ICP-MS 拓宽了可测元素的范围,分析的动态范围从 ppb 水平到%水平,可以测量周期表中的每种元素。利用该系统结合我们强大的数据分析软件,做到无缝获取元素分布图。在这个报告里阐述了分析和产生元素图谱的过程,有助于我们理解元素在植物叶片中的吸收和积累。

 
2、工作参数
 
使用的仪器是 ASI 公司的 J200 Tandem LA-LIBS 系统:

l 266nmNd:YAG 激光器宽波段 CCD 检测器
l 系统 Axiom 软件
l Flex 可通氦气和氩气的样品室
l 样品:浸泡在 Pb 或 As 溶液中的植物叶片
l 利用 ASI 的数据分析软件进行数据分析并转化成图像在植物叶片上打样利用 LIBS 和 ICP-MS 同时
分析,在样品室中充氦气净化。
 
3、样品分析
 
利用 J200Tandem LA-LIBS 系统结合 ICP-MS
 
分析被污染的植物叶片。图 1 是样品叶片的结构图。把叶片的叶柄浸入浓度为 500ppm 的 Pb(铅)或 As(砷)溶液中,浸泡的时间是从 0 到 24h。剥蚀利用 150um 的光斑。也可用更小或更大的光斑,这取决于用户需要的空间分辨率。所有分析的叶片均为同一种植物,并且叶片的大小尽可能一致。39 K + , 63 Cu + , 88 Sr + , 75 As +  208 Pb +.
被选做利用 LA-ICP-MS 监测的元素。K,Cu 和 Sr(锶)是自然出现的元素,而检测 As 和 Pb 是为了评估每个叶片受污染的程度。图 2 显示的分别是对照、浸泡 3h 和浸泡 12h 的叶片的光学图像。对比每张图像的化学影像发现,对照叶片中没有出现自然 Pb 的积累,而浸泡在 Pb 溶液中的叶片出现了明显地 Pb 吸收。叶片通过毛细作用吸收 Pb 溶液,检测到主要出现在叶柄、中脉和叶脉区域。预期 Pb 将通过阳离子的路径(类似于 Ca2+)运移,该结果表明 Pb 的吸收取代了自然出现地 K,Cu 和 Sr。
 
 
 
第二个实验是把叶片浸泡在 As 溶液中,图 3 显示的分别是对照、 浸泡 6h 和浸泡 24h 的叶片的照片和元素分布影像。可以看出对照的叶片中没有出现 As 的富集。浸泡 6h 和 24h 的叶片则出现了污染。而 As 的运移路径与 Pb 相比是不可预期的。贯穿整个叶片的吸收暗示 As 是沿着磷酸盐的运输途径。同样出现了和上面 Pb 研究中相似的自然元素(K、Mg 和 Ca)被取代。
 
另外使用ICP-MS 测量元素,LIBS同时分析了叶片中 Ca,Mg、C、H 和 O 的空间分布。选择 190-1040nm 的波段检测叶片中的每种元素,图 4 显示了 LIBS 用 CCD 检测器测量出的 C、 H 和 O 的元素分布图。可以看出叶片中出现了 C、H 和 O 的损耗,表明 As
损坏了叶片的自然结构。
 
LIBS 也测量了两种对植物生命至关重要的必需元素 Ca 和 Mg。对于 LIBS 而言 Ca 的敏
感性是非常好的,但对于 ICP-MS 是低的,因为 Ca 的主同位素是 Ar 的主同位素。Ca 同位素(42Ca、43Ca 和 44Ca)能利用 ICP-MS 分析,基本无干扰。这个例子非常好的说明了 LIBS 和 LA-ICP-MS 是怎样互补的,并且是怎样同时分析样品在每个空间位置上的所有元素的。
 
4、结论
 
用 ASI 公司的 J200 Tandem LA-LIBS 系统结合 LA-ICP-MS 和 LIBS 提供了一种创新的和独特的能力,可以用一个系统同时分析样品中每种元素的含量及其分布图。没有设备可以同时分析 H 和 O,正如重同位素通常用 ICP-MS 测定。通过该研究,我们展示了 LA-ICP-MS 怎样利用 LIBS 技术同时测量叶片的每个空间位置的 Ca、Mg、C、H 和 O 伴随 As、Pb、K、Cu和 Sr。元素分布图展示了 Pb 和 As 沿着不同的路径吸收。在检测被污染叶片中 C、H 和 O 的损耗同时把这种损耗与 Pb 和 As 的富集联系起来方面 LIBS 提供了更多的优势。同步元素 mapping 可以应用到任何样品上,包括生物组织、合金和电池等,都有同样的成效。这些测量的优势是分析样品上每个空间位置的每种元素,Tandem 使其成为可能。ASI 提供数据分析软件使数据处理((LIBS and LA-ICP-MS)和生成元素 map 变得容易和快捷。
 

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