羅賢鋒，游利兵，徐 健，方曉東,4，羅 樂,*

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 智能制造研究院，合肥 230009；2.中國科學(xué)院 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所 安徽省光子器件與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031；3.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；4.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)

引 言

元素成像技術(shù)的發(fā)展，讓人們對(duì)微觀元素世界有了更深的了解。特定元素的原位可視化在生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、考古學(xué)等領(lǐng)域中扮演著重要角色。通過對(duì)元素及其化合物的空間分布探測(cè)，使得人們對(duì)物質(zhì)的演化過程有了更深層次的理解。

目前，應(yīng)用于元素檢測(cè)技術(shù)的方法有很多種[1],常用的元素成像技術(shù)主要依托于以下3種方法：(1)金屬探針方法，如電子探針顯微分析儀(electron probe micro-analyzer,EPMA)、二次離子質(zhì)譜(secondary ion mass spectroscopy,SIMS)探針等[2-3]；(2)質(zhì)譜檢測(cè)方法，如電感耦合等離子體質(zhì)譜(inductively coupled plasma-mass spectroscopy,ICP-MS)技術(shù)、激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜(laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectroscopy,LA-ICP-MS)法等[4]；(3)輻射方法，如同步輻射X射線熒光成像(synchrotron radiation X-ray fluorescence,SRXRF)技術(shù)、粒子誘導(dǎo)X射線發(fā)射(particle-induced X-ray emission,PIXE)、透射電鏡-能量彌散X射線(transmission electron microscope-energy dispersive X-ray,TEM-EDX)光譜等[5-8]。這些方法的空間分辨率都達(dá)到了微米級(jí)別，其中，TEM-EDX的空間分辨率更是達(dá)到納米級(jí)別。EPMA可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣分析，結(jié)合顯微鏡能夠?qū)崿F(xiàn)元素成像，但其耗時(shí)過長、檢測(cè)極限低，價(jià)格非常昂貴；TEM-EDX和PIXE有著較高的檢測(cè)極限，但是應(yīng)用范圍較窄，樣本制備過程繁瑣；SRXRF有著不錯(cuò)的分辨率及檢測(cè)極限，但是元素檢測(cè)的過程耗時(shí)過長，價(jià)格昂貴；LA-ICP-MS在應(yīng)用及元素檢測(cè)能力方面都有不錯(cuò)的表現(xiàn)，但是對(duì)生物樣本中的常見元素如碳(H)、氮(N)、氧(O)、氯(Cl)測(cè)量的精度不高，以及其需要嚴(yán)格的環(huán)境。

近些年，一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS)的元素成像技術(shù)倍受關(guān)注，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)樣品元素空間分布成像；且得益于LIBS在元素檢測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)，該成像技術(shù)無需復(fù)雜的樣本制備過程，樣本大小不受限制，空間分辨率高，可以達(dá)到10-6量級(jí)的靈敏度，分析速度能達(dá)到約100Hz，幾乎是其它分析技術(shù)的10倍～100倍，且對(duì)分析環(huán)境要求較低。得益于以上優(yōu)點(diǎn)，使它成為一種非常有應(yīng)用前景的檢測(cè)技術(shù)，在古氣候研究、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域都有不錯(cuò)的發(fā)展，尤其是藥物代謝及生物組織的病理分析等應(yīng)用。

1 激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)原理

激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)是一種原子發(fā)射光譜技術(shù)，是物質(zhì)分析領(lǐng)域中最便捷和快速的分析技術(shù)之一。高能脈沖激光光束聚焦于樣本表面，激發(fā)產(chǎn)生等離子體，等離子體在噴射過程中快速冷卻，處于激發(fā)態(tài)的原子或離子返回基態(tài)，最后發(fā)出特定光信號(hào)[9]。LIBS技術(shù)具有檢測(cè)迅速[10]、多元素定性定量分析[11-12]、樣本制備方便、樣本多態(tài)分析、原位監(jiān)測(cè)[13]等諸多優(yōu)點(diǎn)。LIBS技術(shù)廣泛應(yīng)用于不同的領(lǐng)域[14]，如工業(yè)生產(chǎn)、核聚變裝置監(jiān)測(cè)、地質(zhì)樣本檢測(cè)、環(huán)境污染檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)等[15-20]。

近幾十年，LIBS技術(shù)的發(fā)展主要集中在光譜信號(hào)的提升、元素分析方法改進(jìn)、應(yīng)用的拓展等方面。維持穩(wěn)定且強(qiáng)度較高的光譜信號(hào)對(duì)微量元素的光譜信息提取是至關(guān)重要的，相應(yīng)的方法如信號(hào)探測(cè)器的升級(jí)、環(huán)境氣體的改變、穩(wěn)定磁場(chǎng)的加入等方法。常用的LIBS光譜分析方法包括定性與定量分析。光譜強(qiáng)度的對(duì)比是一種普遍的定性分析方式，在多數(shù)實(shí)踐中，對(duì)譜線的相似及不同之處進(jìn)行比較的應(yīng)用場(chǎng)景包括：(1)監(jiān)測(cè)樣本頻譜的差異性；(2)樣本的分類；(3)通過數(shù)據(jù)庫識(shí)別樣本等。常見的定性分析方法有主成分分析(principal component analysis,PCA)[21]、偏最小二乘法判別分析(partial least squares-discrimination analysis,PLS-DA)[22]。常見的定量分析方法有多元線性回歸(multi-liner regression，MLR)、偏最小二乘法(partial least squares,PLS)。另外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural network,ANN)也適用于定性與定量分析[23]。

2 激光誘導(dǎo)擊穿光譜成像技術(shù)

LIBS成像技術(shù)是基于LIBS技術(shù)獲取樣本表面不同位置的主要(微量)元素的光譜強(qiáng)度數(shù)據(jù)，然后結(jié)合不同波長的光譜強(qiáng)度信息以及對(duì)應(yīng)的位置信息進(jìn)行定性定量分析，最后通過偽彩圖呈現(xiàn)出區(qū)域間元素分布的差異性。該成像技術(shù)的前端光路工作原理與LIBS相似，都是聚焦光束轟擊目標(biāo)樣本表面并采集光譜，而LIBS成像技術(shù)的特點(diǎn)是：(1)激光器、光譜儀、電動(dòng)位移裝置之間高速協(xié)同工作，該成像技術(shù)需要三者按時(shí)序協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)且對(duì)三者運(yùn)行的速度要求較高，頻率一般在10Hz～100Hz之間；(2)空間分辨率高，該成像技術(shù)對(duì)分辨率的要求較高，而空間分辨率的提高需要更小的聚焦光斑尺寸，一般小于50μm；(3)數(shù)據(jù)快速存取技術(shù)，由于每幅光譜所含的數(shù)據(jù)較多，且采集頻率較高，需要更快的數(shù)據(jù)存取技術(shù)將采集的數(shù)據(jù)保存并分析；(4)元素光譜數(shù)據(jù)可視化，該技術(shù)通過偽彩圖的方式呈現(xiàn)出樣本表面元素分布情況。

傳統(tǒng)LIBS技術(shù)對(duì)采集光譜的數(shù)量要求較少、采集速度要求較低、且需要分析的樣本表面分布較均勻以減少測(cè)量誤差，而LIBS成像技術(shù)則是需要檢測(cè)出樣本中元素分布的差異性。如果說傳統(tǒng)的LIBS技術(shù)分析的是“點(diǎn)”；那么，LIBS成像技術(shù)分析的則是“面”。與其它成像技術(shù)相比，LIBS成像技術(shù)在采集速度、工作環(huán)境的需求、樣本制備、應(yīng)用范圍方面都有一定的優(yōu)勢(shì)。

3 激光誘導(dǎo)擊穿光譜元素成像系統(tǒng)

在較高的空間分辨率下的LIBS成像技術(shù)需要完成約10000組左右的光譜數(shù)據(jù)采集，因此需要縮短采集的周期。該過程的實(shí)現(xiàn)需要激光器、光譜儀、電動(dòng)位移裝置及光譜數(shù)據(jù)處理軟件之間高速協(xié)同運(yùn)行，因此，對(duì)整體硬件的要求相對(duì)較高，同時(shí)硬件間協(xié)同運(yùn)行需要軟件的開發(fā)，多數(shù)研究人員采用LabVIEW開發(fā)相應(yīng)的軟件控制整套系統(tǒng)去實(shí)現(xiàn)樣本按照規(guī)劃路線快速的運(yùn)動(dòng)，以及激光器和光譜儀的時(shí)序同步。

激光源的大小目前應(yīng)用于元素成像系統(tǒng)的激光器多為紅外(紫外)固體激光器、準(zhǔn)分子激光器。雖然在相同激光功率密度下，波長越長，其電子溫度及電子強(qiáng)度越強(qiáng)，光譜強(qiáng)度相對(duì)較高，有利于微量元素信號(hào)的檢測(cè)，但是，紅外光源對(duì)等離子體的激發(fā)多由于光熱作用，對(duì)于生物組織，熱效應(yīng)會(huì)損害光束轟擊區(qū)域周邊的細(xì)胞活性，因此，對(duì)生物組織的檢測(cè)主要是利用紫外波段光源。相同條件下，波長越短，空間分辨率越高。另外，有實(shí)驗(yàn)室利用飛秒激光器應(yīng)用于特定樣本分析，如BELLO等人利用飛秒脈沖激光檢測(cè)牙齒中汞合金的擴(kuò)散深度[24]。

LIBS成像技術(shù)空間分辨率的提高同樣依賴于光路聚焦系統(tǒng)。研究者大多采用15倍聚焦透鏡，高倍聚焦鏡頭有助于提高空間分辨率，已報(bào)道的光斑直徑在7μm～50μm范圍內(nèi)，空間分辨率控制在10μm～100μm之間。而且，LIBS成像技術(shù)對(duì)光譜信號(hào)的要求也高。惰性氣體的加入有助于提高減少光路中激光能量的損耗和光譜信號(hào)的穩(wěn)定性，絕大多數(shù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)中都會(huì)用到氬氣(Ar)、氦氣(He)等穩(wěn)定性氣體，法國里昂大學(xué)的SANCEY實(shí)驗(yàn)小組對(duì)聚焦光路及樣本臺(tái)中通入Ar，有效地提高了譜線信噪比[25]。

光譜儀的3個(gè)重要參量是：譜線范圍、分辨率、積分時(shí)間。譜線范圍定義了LIBS檢測(cè)的度量能力，LIBS分析的主要元素相關(guān)的原子發(fā)射光譜范圍在190nm～850nm。分辨率決定了光譜圖分析電磁波譜中的特征，分辨能力R=λ/Δλ(λ為波長，Δλ為λ處的線寬)，LIBS成像系統(tǒng)常用的光譜儀為Paschen-Runge光譜儀、Czerny-Turner光譜儀，并且配備增強(qiáng)型電荷耦合器件(intensified charge coupled device, ICCD)，對(duì)檢測(cè)極限的提高及高速掃描都有一定的作用。

對(duì)于面積較大的地質(zhì)樣本，維持每個(gè)像素點(diǎn)的激光能量的一致性是必要的，西班牙馬德里孔普魯頓大學(xué)的CACERES研究小組通過自動(dòng)聚焦系統(tǒng)維持聚焦鏡頭與樣本表面每個(gè)像素點(diǎn)的恒定距離[26]。

在LIBS成像技術(shù)中，激光源(波長、脈沖能量、穩(wěn)定性)、光路系統(tǒng)及光譜儀對(duì)空間分辨率和檢測(cè)靈敏度都有重要影響 ，考慮到樣本類型、掃描區(qū)域的大小、成像的空間分辨率、檢測(cè)的靈敏度以及時(shí)間等因素，研究人員可以結(jié)合各儀器以滿足實(shí)驗(yàn)需要。表1中回顧了幾種常見的激光器、聚焦光路、光譜儀等類型及空間分辨率和檢測(cè)限。

表1 常用的LIBS掃描成像儀器類型

4 激光誘導(dǎo)擊穿光譜成像技術(shù)的主要應(yīng)用

雖然LIBS技術(shù)已經(jīng)發(fā)展多年，但是LIBS掃描成像技術(shù)的應(yīng)用時(shí)間較短，憑借其諸多優(yōu)勢(shì)，在古氣候研究、人體病理研究、藥物代謝研究、植物組織研究等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

4.1 古氣候研究

LIBS技術(shù)很早就應(yīng)用于地質(zhì)樣本的考古研究中，但是，對(duì)于樣本的區(qū)域性元素分析報(bào)道較少。為了研究古代氣候的變化，如降水情況、地球重大氣候變化、生物生長過程變化等，已有報(bào)道基于元素分布成像技術(shù)從化石樣本中提取到有參考性的古氣候數(shù)據(jù)。

海洋軟體動(dòng)物外殼中的碳酸鈣及微量元素為海洋地表溫度、鹽度及污染等環(huán)境分析提供了非常有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息。環(huán)境變化與元素變化有著高度相關(guān)性，并且依賴當(dāng)?shù)丨h(huán)境和內(nèi)生機(jī)制，通過基于穩(wěn)定同位素(13C,15N,18O)的碳酸鈣或者微量元素鎂鈣比(Mg/Ca)、鍶鈣比(Sr/Ca)、鍶鎂比(Sr/Mg)分析軟體生物的生長情況。貝殼和珊瑚石是研究海洋氣候中的代表生物。2017年，英國約克大學(xué)的HANSMANN研究小組利用元素成像技術(shù)快速分析3種不同貝殼外殼樣本中的Mg/Ca光譜強(qiáng)度比值[30]。3種不同樣本分別取自歐洲牡蠣(Ostrea edulis，1758年)、突畸心蛤(Anomalocardia flexuosa，1767年)、鳳凰螺(Conomurex fasciatus，1778年)生長方向上部分位置，通過環(huán)氧樹脂對(duì)樣本進(jìn)行固定，用低速切割機(jī)對(duì)表面進(jìn)行拋光處理。掃描的空間分辨率較高，為90μm左右，每小時(shí)采集光譜數(shù)據(jù)20000組。該實(shí)驗(yàn)小組對(duì)3組樣本同時(shí)采用了面掃描及線掃描(沿著生長方向)兩種方法，圖1a、圖1c、圖1e是該實(shí)驗(yàn)的偽彩圖，圖1b、圖1d、圖1f為生長方向上線掃描的Mg/Ca變化。從圖中可以看出,3種不同生物都有非常明顯的層狀分布現(xiàn)象，這些是由于季節(jié)性環(huán)境變化導(dǎo)致的。通過對(duì)Mg/Ca等光譜強(qiáng)度比值IMg/ICa的分析，能夠了解貝殼所處環(huán)境的季節(jié)變化。

圖1 3種不同海洋軟體動(dòng)物的Mg/Ca光譜強(qiáng)度比值偽彩圖及生長方向線掃描Mg/Ca變化趨勢(shì)

從面積約為10mm2的大型地質(zhì)樣本表面提取百萬級(jí)像素的元素?cái)?shù)據(jù)一直是分析技術(shù)領(lǐng)域的難題。2017年，西班牙馬德里孔普魯頓大學(xué)的CACERES研究小組實(shí)現(xiàn)了對(duì)大面積珊瑚石樣本的元素掃描[26]。該研究小組在分辨率、檢測(cè)靈敏度和運(yùn)行速度上有顯著提升，將樣本的空間分辨率提升至10μm；檢測(cè)靈敏度為10-6；且擁有100Hz的掃描速度，是其它元素成像技術(shù)的10倍左右，同時(shí)將大型地質(zhì)樣本的元素成像技術(shù)首次提升至百萬級(jí)像素。文中指出影響分析速度的主要因素主要有以下兩點(diǎn)：(1)激光器的重頻；(2)探測(cè)器的采集速率。目前，固體激光器的長脈沖可以實(shí)現(xiàn)MHz的頻率，并且有報(bào)道探測(cè)器的采集速率能達(dá)到1kHz，這些優(yōu)勢(shì)賦予LIBS掃描技術(shù)在宏觀樣本上分析微觀元素的能力。圖2是珊瑚石中元素在不同部位的分布圖。高濃度的Mg、Sr元素多分布于珊瑚石的邊緣及分支，而Na元素多分布于珊瑚石的軀干中心部分，且樹狀珊瑚石的根部元素濃度高于頂部。

圖2 不同元素在珊瑚石中不同部位的偽彩圖

4.2 人體病理研究

元素在生物組織內(nèi)的分布情況是病理診斷及治療的重要信息來源。金屬元素的遷移、儲(chǔ)存及分配等生物機(jī)制的檢測(cè)是疾病快速識(shí)別與診斷的重要手段。細(xì)胞中化學(xué)元素的失調(diào)可能導(dǎo)致一系列的疾病發(fā)生。針對(duì)人體病理分析，LIBS成像技術(shù)在該領(lǐng)域也能充分展現(xiàn)其快速的病理(尤其是癌癥)診斷能力，展示了巨大的應(yīng)用前景。

2017年，法國里昂大學(xué)的MONCAYO等人利用LIBS成像系統(tǒng)分析石蠟嵌入的人體皮膚活檢，包括健康的皮膚，帶有黑色素瘤、默克爾細(xì)胞癌和鱗狀細(xì)胞癌的病態(tài)皮膚[32]。通過實(shí)驗(yàn)，分別檢測(cè)了金屬及非金屬元素，發(fā)現(xiàn)了不同腫瘤皮膚下元素空間分布的差異性及強(qiáng)弱分布情況，并且利用蘇木精伊紅藏紅染色劑(hematoxylin-eosin staining,HES)對(duì)4種不同的皮膚進(jìn)行染色處理以便與LIBS成像技術(shù)比較，兩者共同呈現(xiàn)了組織中癌變區(qū)域與健康區(qū)域之間的明顯界限。該實(shí)驗(yàn)小組實(shí)現(xiàn)了對(duì)皮膚組織3個(gè)生理層(表皮、真皮、皮下組織等)的元素識(shí)別及可視化，并與HES染色的皮膚組織進(jìn)行對(duì)比分析，如圖3a所示。結(jié)果表明，腫瘤與周圍非腫瘤區(qū)域之間，鈉(Na)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鋅(Zn)等元素的分布和含量都不同，在與病理相關(guān)的生理區(qū)域內(nèi)，部分元素的存在與缺失帶來了超越視覺的組織病理學(xué)信息。

圖3 a—3種不同癌癥細(xì)胞組織的成像圖 b—腫瘤細(xì)胞中C,H,O元素的成像圖(LIBS)

2017年，法國高等生物科學(xué)研究所的BUSSER等人通過LIBS成像技術(shù)研究了對(duì)皮膚、淋巴、肺部組織中由于術(shù)后操作不規(guī)范導(dǎo)致的外源性物質(zhì)的分析檢測(cè)[33]。該實(shí)驗(yàn)小組采用了淋巴細(xì)胞或者含有顆粒等皮膚組織的炎癥細(xì)胞，定位識(shí)別分析了如皮膚肉芽腫瘤和皮膚假性淋巴癌中的鋁、鈦、銅和鎢等外生元素。2016年，奧地利維也納化學(xué)技術(shù)與分析研究所的BONTA等人利用LIBS成像技術(shù)對(duì)人體腫瘤組織中主要成分元素碳(C)、氫(H)、氧(O)、鈉(Na)、鉀(K)的分布情況進(jìn)行了研究[28]，如圖3b所示，通過微量元素(如P與O的分布對(duì)比)，發(fā)現(xiàn)了如磷酸鹽等化合物的高濃度區(qū)域，對(duì)抗癌藥物的開發(fā)及療效驗(yàn)證有很大的幫助。

4.3 藥物代謝研究

納米藥物的發(fā)展在藥物代謝領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的潛力，包括器官成像技術(shù)、藥物治療等，納米技術(shù)有望徹底解決診斷、基因治療、藥物運(yùn)輸?shù)燃夹g(shù)難題，因此，研究它們?cè)谄鞴僦械奈占按x特性十分重要，但是由于其體積較小，常規(guī)的標(biāo)記檢測(cè)方式如熒光標(biāo)記等，可能會(huì)改變它們的形狀，大小及電荷分布，甚至改變它們的生物特性，且熒光標(biāo)記技術(shù)不穩(wěn)定，容易丟失部分粒子的分布，導(dǎo)致不能真實(shí)顯示器官中納米粒子的分布。目前，越來越多的研究人員利用LIBS成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)器官中不同時(shí)間段內(nèi)的納米材料的空間分布呈現(xiàn)。

2014年，法國里昂大學(xué)的SANCEY等人利用基于鎘(Gd)和硅(Si)元素的納米材料注入實(shí)驗(yàn)小鼠體內(nèi)[25]，如圖4所示，并且通過LIBS成像技術(shù)分析了不同時(shí)間段的小鼠腎臟內(nèi)部平面上納米材料Gd,Si及腎臟內(nèi)含元素鐵(Fe)、鈉(Na)的分布成像，空間分辨率為10μm。圖5展示了利用TCP-MS輔助驗(yàn)證LIBS成像技術(shù)結(jié)果。從圖5中可以看出，納米材料所含元素在腎臟中的含量呈現(xiàn)先增后減的過程(4h時(shí)Gd,Si信號(hào)最強(qiáng))該實(shí)驗(yàn)小組通過LIBS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了納米材料在載體中的成像分析，并且能夠?qū)崟r(shí)跟蹤目標(biāo)元素的代謝過程和動(dòng)力學(xué)分析，為納米藥物的臨床分析提供了可靠的數(shù)據(jù)分析。2016年，GIMENEZ等人首次利用兩種互補(bǔ)的成像方法共同實(shí)現(xiàn)了小鼠腎臟內(nèi)納米材料的3維無標(biāo)簽成像，彌補(bǔ)了器官中元素2維成像的縱向解析不足等缺點(diǎn)[34]。該實(shí)驗(yàn)方法1如圖6所示：將小鼠腎臟器官縱向切片(厚度200μm左右)多組，并分析每組切片雙面元素分布，然后將LIBS圖像疊加在3維圖像中，為Gd,Na,Ca構(gòu)建覆蓋整個(gè)器官的3維模型圖，通過這些模型繪制出了任何深度及橫向方向上的3維圖(空間分辨率為35μm)。實(shí)驗(yàn)方法2如圖7所示：通過同一區(qū)域內(nèi)激光多次剝蝕，剝蝕深度總共為500μm(空間分辨率為10μm左右)。由兩種方法的互補(bǔ)效應(yīng)更加精準(zhǔn)地從3維分析小鼠腎臟中納米材料的代謝過程，特別是在腎髓中對(duì)納米材料的深度分析。

圖4 小鼠腎臟實(shí)驗(yàn)圖

圖5 小鼠腎臟橫截面中Gd和Na元素分布圖

圖6 小鼠腎臟縱向切片中Gd,Ca,Na元素分布圖

圖7 小鼠腎臟中Gd,Ca元素的深度分布圖

4.4 植物組織研究

LIBS成像技術(shù)也能監(jiān)測(cè)植物樣本所處的環(huán)境及生長情況，包括檢測(cè)相關(guān)元素(這些元素包括營養(yǎng)元素、有毒元素)的攝取、運(yùn)輸和積累等分布情況，對(duì)了解植物樣本的生長情況、所處環(huán)境的優(yōu)劣、植物與環(huán)境之間的相互作用，都是非常有意義的。

2016年，中國國家農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心的ZHAO等人研制出能夠在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)活體植物和土壤中多元素分布的元素映射系統(tǒng)[35],如圖8所示。該系統(tǒng)可以研究植物中營養(yǎng)成分和有害元素的分布，以及植物與環(huán)境之間的相互作用。該系統(tǒng)的空間分辨率為200μm，且可以通過數(shù)據(jù)處理軟件能夠得到植物中農(nóng)藥的存在與濃度信息。2017年，捷克Masaryk大學(xué)的KRAJCAROVA等人通過LIBS成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了蠶豆根部中金屬離子和納米材料的分布成像[29]。該實(shí)驗(yàn)配置了雙脈沖激光(266nm，1064nm激光器，激光正交)。蠶豆根部被置于10μmol/L的硫酸銅/硝酸銀溶液(CuSO4/AgNO3)或銀納米晶溶液(AgNPs)中后，并對(duì)根部固化切片處理(約40μm)。該實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了植物根部對(duì)金屬元素的吸收特性,并為LIBS成像技術(shù)在植物學(xué)和生態(tài)毒理學(xué)中的發(fā)展提供了可靠的信息。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)活體植物設(shè)備圖

4.5 其它應(yīng)用

2017年，奧地利開普勒大學(xué)的AHAMER等人首次利用飛秒脈沖激光實(shí)現(xiàn)了薄膜的LIBS掃描成像[27]。該實(shí)驗(yàn)小組分別用了銅(Cu)膜和釔鋇銅氧(yttrium barium copper oxide,YBCO)薄膜，兩種薄膜的厚度分別在5nm～500nm和200nm～1000nm范圍內(nèi)。該實(shí)驗(yàn)中將薄膜成像的空間分辨率提升至6μm，且將LIBS成像的應(yīng)用拓展至納米級(jí)厚度薄膜。2017年，法國里昂大學(xué)的TRICHARD等人實(shí)現(xiàn)了礦物質(zhì)中在真空紫外波段(150nm～200nm)的硫(S)等15種元素的LIBS成像，為礦物質(zhì)樣本的元素識(shí)別及特征提取提供了重要的途徑[31]。2017年，捷克中歐技術(shù)學(xué)院的SKARKOVA等人通過對(duì)量子點(diǎn)的2維LIBS成像，避免了部分因?qū)嶒?yàn)環(huán)境(如pH值等)造成的不發(fā)光量子點(diǎn)的遺漏，展現(xiàn)了LIBS成像技術(shù)成為一種新型熒光檢測(cè)方法的巨大潛力[36]。

5 結(jié)束語

LIBS成像技術(shù)是一種具有廣泛應(yīng)用前景的元素分析技術(shù)，且LIBS成像技術(shù)在古氣候研究、生物醫(yī)學(xué)、臨床等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景。LIBS成像技術(shù)能夠現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、原位檢測(cè)、3維空間檢測(cè)，且樣本制備相對(duì)簡(jiǎn)易，對(duì)柔軟的生物樣本只需通過固化等處理，與一般的生物制樣方法無多大差別。目前，LIBS成像技術(shù)的自動(dòng)化程度相對(duì)較高，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)微區(qū)及大面積尺寸的樣本掃描成像。實(shí)現(xiàn)LIBS成像需要維持空間分辨率和檢測(cè)靈敏度及檢測(cè)限之間的平衡關(guān)系和提高掃描及光譜采集與存儲(chǔ)的速度。未來應(yīng)該增加定量分析的方法，如利用自由定標(biāo)法，以及與ICP-MS/OES、光學(xué)顯微鏡的聯(lián)用等。該技術(shù)目前正在進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代，越來越多的實(shí)驗(yàn)室將其作為一種新型檢測(cè)技術(shù)。目前LIBS成像儀器處于研究階段，相信隨著科技的發(fā)展，該技術(shù)未來一定會(huì)往商業(yè)化方向發(fā)展，且能夠擴(kuò)展更多的應(yīng)用。但是，不可否認(rèn)的是，其對(duì)樣本的侵入性會(huì)限制它在諸如人體等活體中的檢測(cè)。國外在LIBS成像領(lǐng)域取得不錯(cuò)的研究成果，而國內(nèi)LIBS成像技術(shù)的報(bào)道較少，且成像的空間分辨率相對(duì)較低，在100μm～500μm左右。