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AZ-E1000生態(tài)地球化學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)

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詳細(xì)介紹

1引言

生態(tài)地球化學(xué)觀測(cè)的重點(diǎn)是水、土、氣、生物中主要元素的成因來源、遷移轉(zhuǎn)化、生態(tài)效應(yīng)、變化趨勢(shì)等過程，而所有過程的分析都基于研究材料中元素的種類及含量檢測(cè)。傳統(tǒng)的地球化學(xué)元素檢測(cè)多采用等離子體發(fā)射光譜法，但此法的樣品預(yù)處理過程耗時(shí)，需要的樣品量也較大。

AZ-E0100生態(tài)地球化學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)基于激光光譜法，在樣品表面形成等離子體，光譜檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)等離子體光譜進(jìn)行分析，得到元素的種類及含量。無需樣品制備，對(duì)樣品幾乎無損傷、靈敏度高、檢測(cè)限低，多元素同時(shí)分析，數(shù)秒內(nèi)得到分析結(jié)果，是地球化學(xué)分析領(lǐng)域的一次變革。

2觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 目標(biāo)

AZ-E0100生態(tài)地球化學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)土壤、巖層、礦石、植物等材料中的元素進(jìn)行定性和定量分析，得到材料中元素的組分和含量信息，用于研究地球化學(xué)元素富集遷移、地質(zhì)變遷、地質(zhì)年代分析，評(píng)估礦質(zhì)資源分布等。

2.2 采樣及測(cè)量

根據(jù)研究的需要，選擇具有代表性的巖層樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室，需經(jīng)過多次環(huán)氧樹脂浸泡和切割，再經(jīng)研磨、拋光、清洗涼干后，得到紋理清晰的的縱向切片，用透明的環(huán)氧樹脂粘附在玻璃載片上備用。

將樣品置于樣品室內(nèi)，根據(jù)需要依結(jié)殼層不同生長(zhǎng)環(huán)帶順序或其他順序，進(jìn)行采樣。激光剝蝕采樣步驟為:一次標(biāo)準(zhǔn)樣品，多個(gè)樣品點(diǎn);每次樣品測(cè)定先采集氣體空白，之后激光剝蝕樣品，采集幾個(gè)樣品數(shù)據(jù)，激光停止后繼續(xù)采集空白數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件在信號(hào)采集時(shí)同時(shí)進(jìn)行光譜強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析，將結(jié)果用于優(yōu)化采樣方法。系統(tǒng)在測(cè)量過程中利用標(biāo)準(zhǔn)物對(duì)測(cè)量過程進(jìn)行標(biāo)定。

測(cè)量結(jié)果可通過多種數(shù)據(jù)格式保存，并隨時(shí)調(diào)用進(jìn)行比較分析；系統(tǒng)軟件提供多種數(shù)據(jù)分析工具，如：PCA、PLS、多參數(shù)線性回歸、化學(xué)統(tǒng)計(jì)分析等，并將隨機(jī)樣品的譜線與光譜數(shù)據(jù)庫(kù)中的譜線進(jìn)行比較分析。

2.3 觀測(cè)內(nèi)容

可檢測(cè)70多種地球化學(xué)元素的含量，檢測(cè)限達(dá)ppm級(jí)，具體包括：

¨ 常量元素C，N， P， K， Ca， Mg， S

¨ 微量元素Fe， Cu， Mn， Zn， B.， Mo， Ni， Cl

¨ 痕量元素，可檢測(cè)化學(xué)周期表上幾乎所有元素

2.4 系統(tǒng)組成及裝置

系統(tǒng)主要由激光發(fā)射器及控制裝置、光譜檢測(cè)器、樣品室、電腦主機(jī)和分析軟件等組成。系統(tǒng)激光光源為Nd：YAG激光器，激光脈寬小于5ns，激光能量可控，輸出波長(zhǎng)為670nm。樣品置于樣品室內(nèi)，光束垂直入射到樣品表面上，聚焦點(diǎn)尺寸5-500微米可選；CCD檢測(cè)器可檢測(cè)的光譜范圍為190nm-1000nm。

3數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合分析軟件可得：

1）樣品中所含元素種類的鑒定；

2）樣品中元素的含量及不同樣品不同區(qū)域元素種類及含量的比較；

3）可在同一光譜圖疊加不同樣品的元素光譜特征曲線，使得樣品特征的比較更加直觀；

4）可定位放大特定光譜波段，對(duì)特定元素做進(jìn)一步的研究；

4應(yīng)用案例

4.1礦石的檢測(cè)

將硼礦石和硅礦石樣品分區(qū)，然后分析不同礦石樣品不同區(qū)域的元素組成特點(diǎn)，如下圖所示，從光譜圖中可以看出，硅礦石棕色區(qū)域、白色區(qū)域及硼礦石的Mg的含量依次降低；而對(duì)于元素Si，硅礦石的棕色區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于白色區(qū)域。系統(tǒng)軟件還可進(jìn)一步分析出以上元素的具體含量。

4.2植物葉片和土壤樣品檢測(cè)

本觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)某蘋果葉子、面粉、西紅柿葉、松樹葉、粘土、壤土、沙土樣品進(jìn)行分析，其中，各樣品中C、K、Ca、Mn、Al等元素的光譜曲線疊加圖如下，通過光譜強(qiáng)度的比較，可以清晰的看出不同樣品不同元素含量的比較：

4.3 土壤碳檢測(cè)

在美國(guó)北部某一農(nóng)場(chǎng)采集土壤樣品，使用本系統(tǒng)和常規(guī)分析法分別進(jìn)行土壤碳的檢測(cè)，并將所測(cè)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，其分析結(jié)果如下，從中可以看出本系統(tǒng)所測(cè)247.85nm處光譜峰強(qiáng)度的大小與常規(guī)法所測(cè)碳含量呈直線相關(guān)。

5參考文獻(xiàn)

Baudelet， M.， M. Boueri， S. Mao， X. Mao， and R.E. Russo. Laser ablation of organic materials for discrimination of bacteria in an inorganic background. SPIE 7214(2009). 72140J-1-72140-10.

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Brostoff， L.B.， J. Gonzalez， P. Jett， and R.E. Russo. Trace element fingerprinting of ancient Chinese gold with femtosecond laser ablation-inductively coupled mass spectrometry. Journal ofArcheological Science 36(2009). 461-466.

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