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LIBS成像技术在古气候研究中的应用

更新时间:2022-11-22      点击次数:421

    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。1.png  

    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。

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    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。 

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    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。 

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    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。  

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