LIBS成像技术在古气候研究中的应用

    古气候学研究对于气候变迁、自然演变发展、环境污染等有重要作用。通过气候研究代理物中的元素空间分布，让人们对过去、现在和未来的气候及其环境变化有了更加深入的理解。目前，应用于古气候研究的元素检测方法种类繁多。电子探针显微分析仪在矿物元素检测中应用最为广泛，前期样品制备简易、测定元素范围广，但耗费时间久、价格昂贵；ICP-AES能够快速、准确地测定大量金属元素，不足之处在于一般样本需要预先转化为溶液，并且成本较高；ICP-MS检测灵敏度高，测定元素范围广、速度快，但样本制备过程复杂，检测环境要求高。  

    对大面积复杂样本的迅速、准确分析，取得较长且连续的古气候数据，这一任务需要新的元素成像技术。激光诱导击穿光谱（LaserInducedBreakdownSpectroscopy）LIBS技术，是一种新兴的元素检测和分析技术。当激光作用于样品表面时，在极短的时间内诱导产生含有样品物质信息的等离子体。通过对等离子体发出的光谱进行收集分析，建立光谱与元素一一对应的关系。由此可以检测出元素周期表中的大部分元素。目前已应用于生态，地质，中药材，珠宝鉴定，材料检测等诸多领域。基于LIBS的元素成像技术因为其固有的优势：无需样品制备、快速分析、高空间分辨率、高灵敏度以及低成本投入等等，使得其在古气候研究中显现出巨大潜力。  

    已有报道基于LIBS的元素成像技术从碳酸盐、硅酸盐中提取Si,Al,Fe,Ca,Mg,Li,K等元素分布信息，成为研究元素沉积环境和沉积过程的证据；提取化石样本中P,Ca元素含量来确定灭绝物种的饮食与环境之间的相互作用；研究洞穴沉积物中Mg,Sr,Mn等元素解释了与植被和气候变化有关的层状结构；同时，利用海洋动物外壳中的微量元素为表征海洋温度、盐度和污染提供了非常有价值的数据。  

    针对洞穴沉积物样本剖面的二维元素分布，分析了样本所包含的Al,Mg,K,Si,Ca,Sr,Fe,Na等主、次以及微量元素的分布情况，分布情况清晰明确，颜色的深浅表达元素富集的多少。如      下图所示，其中i图为自然状态下的样品图。

    下图为针对珊瑚样本的多元素分布mapping的扫描结果，图中清楚地显示了年生长层的元素分布情况。 

    下图为贝壳样品的元素成分分布。此结果表明了元素分布与壳体的生长发育存在较强的相关性，不仅表现在水平方向上，同时表现在垂直方向上。 

    实验装置我们可以采用EcoChem激光光谱元素分析系统，该系统采用LIBS技术。激光能量200mJ@1064nm，能量输出0-100%可调；重现率20Hz；光斑大小20-200μm连续可调；检测器谱宽190-1040nm；三维全自动工作台；样品室可通入氦气或氩气。