EcoChem激光光谱元素分析系统

技术背景：

当激光作用于样品表面时，在极短时间内诱导产生含有样品物质的等离子体，等离子体产生的过程中，发射出带有样品元素信息的发射光谱，通过检测这些发射光谱，得到样品的元素信息。这种技术被称为激光诱导击穿光谱技术LIBS（Laser Induced Breakdown Spectroscopy），俗称激光光谱元素分析技术，检测限可达ppm级。测量的元素可覆盖元素周期表中的大部分元素，高达100多种。

系统功能：

快速检测土壤、植物、中草药、刑侦材料（玻璃、油墨等）、矿石、合金、珠宝等样品中的
? 常量元素N, P, K, Ca, Mg
? 微量元素Fe, Cu, Mn, Zn, B, Mo, Ni, Cl
? 痕量元素：可检测化学周期表上大部分元素
? 其他：有机元素C、H、O和轻元素 
Li、Be、Na等（其他技术很难同时分析）

应用领域：

土壤、植物样品检测
中药元素分析
刑侦微量物证分析
农产品检测
地质矿物分析
煤粉组分检测
重金属污染检测
合金分析
宝石鉴定
材料分析等

工作原理：

EcoChem激光光谱元素分析系统的固体激光器产生激光作用于样品表面。当激光能量大于样品击穿门槛能量时，在样品表面形成等离子体。这些等离子体中受激光能量激发到达高能态的样品物质在迅速回迁至低能态的过程中，发射出带有样品元素种类、含量信息的发射光谱，这些发射光谱信号被智能信号收集系统收集并传输至光谱仪中进行分光，再由CCD检测器进行检测，得到元素信息。


系统特点：

●系统的硬件采用模块化设计，易于更新。激光器和光谱仪（检测器）可根据样品的种类及用户的研究目的进行升级，两者均不受外界环境温度影响，无需进行特殊的环境控制，使用寿命长。
●激光能量和激光光斑大小连续可调，激光脉冲能量稳定一致，可实现样品分层剥蚀、夹杂物和微光斑分析、元素分布制图、高精度定量等多种分析。
●系统剥蚀导航激光和样品高度自动调整传感器相结合，解决了样品表面凹凸不平导致剥蚀不均匀的问题；激光能量稳定确保到达样品表面的激光能量稳定一致
●系统配备3-D全自动操作台
●系统操作软件全中文界面，操作简单易用
●系统软件能实现对所有硬件组件的控制，能提供多种采样模式，包括直线、随机点、网格任意大小和自定义采样等，通过设置参数，可在无人值守的条件下自动进行大面积采样。
●系统内置中国常见土壤标准样品库及标准曲线，常见植物样品库及标准曲线
●系统内置的数据分析软件功能强大、分析速度快。能任意选取谱线及背景，自动计算谱线的净强度；计算两个波峰之比；自动计算所有波峰的标准偏差；同步分析所有文件夹及目录下的测量数据。多次采样时，软件自动统计监测LIBS的强度 ，监控信号质量，获得精确的定性和定量分析结果。
●系统数据分析软件内置PLS-DA、PCR等多参数线性回归化学统计分析功能，用于多元变量定量计算。多元变量标准曲线特别适合于分析基质较为复杂的样品，例如土壤、植物样品等，以减少基质中其它元素对目标元素的影响，提高分析准确性。
 
系统内置的多元变量定量计算模型

●系统还具备多种数据计算模型。如PCA、HCA等化学统计分析功能。可对样品进行快速分类鉴别，并可通过样品某一特定元素的二维或三维分布制图，形象展示样品元素的分布。


应用案例：

1， 元素识别及定性分析
系统可以轻松实现元素的识别并标记，内置数据库方便元素的查找。
 
 

2， 元素定量计算
系统可以很好的针对土壤和植物中的各种金属和非金属元素进行定量测量。
 
氮元素是自然界的元素之一，主要参与生物圈的氮循环。但是这一元素进入植物体后会在植物体内转化成为各种含氮的有机物。氮元素可以说是有机物的代表。随着科技的发展和人们的日益增长的物质需求，人类对氮元素的循环影响也越来越明显。随着以氮元素为主的化肥的使用，对农作物也有较大的作用，人们还需要更全面的了解氮元素及其相关产品以及在土壤中存在的形式和含量。
碳元素是植物必须的六种大量元素，是生命元素。具有非常重要的意义。如果土壤不能有效地向作物供给碳元素，农作物就会长期处于碳的病态。如果提高碳元素的含量可以使土壤中的微生物获得良好的繁殖条件。土壤中微生物的大量繁殖会进一步提高土壤的生物肥力和物理肥力，从而提高土壤中N,P,K等矿质营养元素的利用率，形成良性循环。由此可见，碳元素，磷元素是植物生长过程中必须的营养元素。更好的研究和测量它们的含量，以及测量手段的有效性就至关重要了。
  
金属元素的测量
     
碳元素的测量                       

磷元素的测量
 
氮元素的测量

 
定量计算的结果

3， 元素分布
元素的分布及含量多少对植物的生长具有重要意义。由于一些元素的缺乏，植物生长会受阻，会产生病症，不能完成其生活史。所以元素对于植物的生长有着至关重要的作用。同时，植物也会受到周围环境和土壤里元素变化的影响。
植物进行正常生命活动必需的矿质元素有氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁、铜、硼、锌、锰、钼、氯等。植物体内这些矿质元素都是可移动的。例如，镁元素是叶绿素的重要成分，缺少镁元素时，叶绿素和B类胡萝卜素含量下降，叶片退绿，对CO2同化能力下降，光合能力下降。铁元素也是植物体内必需的元素。它是植物体内铁氧还原蛋白的重要组分，参与植物光合作用、硝酸还原、生物固氮等电子传递。缺铁也会导致叶片失绿。
这些元素的移动规律，含量多少，分布情况和植物体的生长有着密切的关系。植物体对外界元素吸收和运移情况也直接影响着植物体的健康，我们有必要更好的了解植物叶片，根系体系中这些元素的迁移和转化规律。
 
上图反映了植物叶片表层对金属和非金属元素吸收的分布及迁移情况

4， 物质鉴别及分类溯源

1）取土壤样品，金属样品以及四种植物样品在一起做PCA主成分分析，从下图可以看出，不同类别的样品存在很大的差异。而近似的植物样品有着类似的成分分布，在图谱中位置也较为接近，如果继续细分，还可以进一步细分出类似的植物样品，也是存在一定的差异的。这种方法目前可用来进行物质鉴别及分类溯源。
 
土壤样品，金属样品以及四种植物样品分类
 
进一步细分植物样品


2）取7种相似样品山西北芪，安徽丹参，四川红丹参，安徽丹参，甘肃北芪，内蒙北芪和四川紫丹等中药材参进行主成分分析。

以四川红丹参为例分析其主要元素组成。
 

得到7种样品的快速分类：
 
每个样本有25个数据点。通过主成分分析，能够正确识别所有七个样本。