LIBS技术应用于扇贝壳中金属元素的含量分布实验研究

摘要

在扇贝的养殖培育过程中,扇贝壳是扇贝分泌的保护扇贝不受外界破坏的钙化物,扇贝壳中的微量金属元素是扇贝壳基底元素 Ca的同象取代物,微量元素在扇贝壳中含量的变化可以反映扇贝当时生活的水体环境,分析扇贝壳中微量元素的种类以及含量的变化具有十分重要的意义。激光诱导击穿光谱技术(Laser Induced Breakdown Spectroscopy,简称 LIBS)是通过分析样品的等离子体特征光谱识别样品的组成成分,通过元素特征光谱的强度定量分析该元素在样品中的含量,可进行原位、实时、无损检测,并能实现对样品中的多元素同时探测,为扇贝壳中的元素探测分析提供了新的检测手段。本论文作为快速分析扇贝壳中微量金属元素的预研工作,采用 LIBS技术探测扇贝壳不同生长阶段的 LIBS光谱,分析不同生长阶段微量元素的含量,以期为反演扇贝培育的水体环境提供有价值的数据。
　　论文第一章从选题背景和意义出发,对扇贝壳元素分析的方法以及国内外研究进展进行了综述,介绍了目前对扇贝壳中元素的含量分布检测研究进展。第二章从激光诱导击穿光谱技术的原理出发,介绍了等离子体光谱的辐射原理以及对微量元素等离子体特征光谱的增强方法,并介绍了对样品中元素定量分析的方法及国内外研究进展。
　　论文的主要工作包括第三章、第四章和第五章。第三章从实验平台搭建出发,介绍了本论文实验中用到的实验仪器及实验样品,利用实验室搭建的平台探测扇贝壳样品的 LIBS光谱。对 LIBS技术探测的扇贝壳 LIBS光谱进行谱线归属,分析利用 LIBS技术可探测到的元素种类为 Ca、Sr、Mg、Na,探讨可作为扇贝壳生长周期内示踪元素的 Sr元素适合用于定量分析的特征谱线。
　　第四章是对扇贝壳溶解液的LIBS光谱增强实验研究。考虑到扇贝壳中Ca元素是主要元素,Sr元素含量低并且特征谱线微弱,为了分析扇贝壳中Sr元素的含量分布,减小实验条件波动、自吸收效应等对待测元素特征谱线强度的影响,实验采用内标法定量分析扇贝壳中Sr元素的含量分布。实验样品是将不同生长阶段的等量扇贝壳粉使用盐酸溶解添加等量MnCl2配置成溶液,考虑到液体中微量元素的LIBS信号探测困难的因素,实验采用石墨作为液体元素的富集基底探测扇贝壳溶液样品的LIBS光谱。本文分析了在石墨增强基底下LIBS技术对Sr元素在低浓度区间和高浓度区间的定量分析效果,为反演扇贝壳溶液中Sr元素的含量分布提供了依据,对比直接探测Sr元素溶解液的LIBS光谱,在石墨基底富集增强下LIBS光谱信号增强107倍。本文对扇贝不同生长阶段的贝壳溶液样品进行探测分析,研究结果表明,在扇贝的不同生长阶段内,Sr元素的含量呈现周期性变化,Ca元素的含量是相对稳定,可以作为LIBS技术直接探测分析扇贝壳中微量元素Sr的含量分布时的内标元素。
　　在第四章的基础上,第五章直接探测分析了多个扇贝壳中微量元素 Sr与主要元素Ca的相对含量分布规律。本文利用 LIBS技术直接探测扇贝壳不同生长时期多个位置处的 LIBS光谱,利用微量元素 Sr的特征谱线强度与主要元素 Ca的特征谱线强度比值分析扇贝壳中 Sr元素与 Ca元素的相对含量分布规律。为对比分析处于不同培育时间段内的扇贝壳中 Sr元素与 Ca元素的相对含量分布规律,实验探测了两对2007~2010年间培育的扇贝壳 LIBS光谱和两对2009~2012年间培育的扇贝壳的 LIBS光谱,对比分析了 Sr元素与 Ca元素的相对含量分布曲线规律。实验研究结果表明,处于相同时间段内培育的扇贝壳中 Sr元素与 Ca元素的相对含量变化较小;不同时间段内培育的扇贝壳中Sr元素与 Ca元素的相对含量由于培育时间、培育环境等因素的不同具有一定的差别,这为分析扇贝生长环境的变化以及扇贝育种提供了依据。
　　第六章是对论文工作的总结与展望,提出了论文工作中的不足和下一步工作的方向。

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1 引 言

1.1 研究背景及意义

1.2 扇贝壳元素检测研究进展

1.3 本论文的主要工作和安排

2 激光诱导基击穿光谱技术原理及光谱增强分析方法

2.1 LIBS 技术理论基础

2.2 LIBS 信号增强方法及研究现状

2.3 应用于 LIBS 的定量分析方法及研究现状

2.4 本章小结

3 扇贝壳 LIBS 光谱探测及谱线分析

3.1 实验系统

3.2 实验样品

3.3 扇贝壳样品 LIBS 谱线分析

3.4 本章小结

4 扇贝壳溶解液的 LIBS 光谱增强实验研究

4.1 样品制备

4.2 扇贝壳溶解液光谱探测分析

4.3 微量元素 Sr 特征光谱增强方法研究

4.4 采用石墨基底增强的 Sr 元素定量分析

4.5 扇贝壳溶解液 Ca、Sr 元素的定量分析

4.6 本章小结

5 扇贝壳中 Sr 元素的相对含量直接探测分析

5.1 2007～2010 年间培育虾夷扇贝贝壳直接探测分析

5.2 2009～2012 年间培育虾夷扇贝贝壳直接探测分析

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 下一步论文工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参加的工作

个人简历

学术论文情况