LIBS技術(shù)測量骨骼的光譜
PART01 實驗背景
人體整個骨骼系統(tǒng)主要分為兩類：密質(zhì)骨和松質(zhì)骨，密質(zhì)骨約占全部骨骼的75%，耐壓性較大，位于骨的表面。松質(zhì)骨約占25%，呈海綿狀，由相互交織的骨小梁排列而成，能承受較大的重量，位于于骨的內(nèi)部。這兩類骨的結(jié)構(gòu)和功能不同，但成分卻幾乎相同，主要由磷酸鈣、膠原蛋白、水和一些微量元素組成，而兩者的主要區(qū)別在于鈣的含量，其中松質(zhì)骨的鈣含量較低。 本次實驗使用激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)技術(shù)測量兩種骨樣品：對比測量結(jié)果得到的元素峰與骨樣品元素峰，以此區(qū)分密質(zhì)骨和松質(zhì)骨。
PART02 激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS） 激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）是一種原子發(fā)射光譜，它使用脈沖激光器作為激發(fā)源。激光脈沖聚焦到被測物體的表面，使被測材料表面的激光功率密度升高至一定程度。在如此之高的激光功率密度作用下，被測材料表面會有幾微克的物質(zhì)噴射出來，同時材料表面還會產(chǎn)生壽命很短但亮度很高的等離子體，其瞬間溫度可達10,000 攝氏度 。冷卻過程中，處于激發(fā)態(tài)的原子和離子從高能態(tài)躍遷至低能態(tài)，此時不同元素會發(fā)射出其特定波長的光，在光譜圖中可以直接觀測到代表各元素波長的峰，從而揭示了樣品的組成。
PART03 實驗系統(tǒng) 圖1：(A)本實驗所用的骨樣品：寵物店售賣的火腿骨樣品，將其鋸成兩塊。(B)：密質(zhì)骨測量樣品：沿徑向橫截面測量 (C)：松質(zhì)骨樣本：在球關(guān)節(jié)處測量 圖1：實驗用骨樣品 骨樣品測量實驗系統(tǒng)（圖2）中使用一分二光纖，一端對準(zhǔn)激光光源，另一端同時連接2臺Avantes全新迷你型光譜儀：AvaSpec-PCT2048CL，其中一臺覆蓋波長范圍為190-430 nm，另一臺覆蓋波長范圍為360-960 nm。中間放置一個控制器，為激光器供電并同步激光脈沖和光譜儀測量。 圖2：骨樣品測量實驗系統(tǒng) 本次實驗，我們使用AvaSoft中的Scope-Minus-Dark即S-d模式（去除暗噪聲模式），分別測量密質(zhì)骨樣品和松質(zhì)骨樣品，這是LIBS測量的常用模式，將積分時間設(shè)為10ms，平均次數(shù)設(shè)為1。
PART04 實驗結(jié)果 實驗所得光譜圖如下圖所示 圖3：密質(zhì)骨樣品的LIBS光譜 圖4：松質(zhì)骨樣品的LIBS光譜 圖5：密質(zhì)骨和松質(zhì)骨樣品的LIBS光譜對比圖 密質(zhì)骨樣品（圖3）在315.78 nm, 317.95 nm, 393.18 nm和396.75 nm處出現(xiàn)特征元素峰(圖3)，這些波長的峰為鈣元素峰。其他元素相關(guān)峰包括其他的鈣峰(370.52 nm、373.64 nm、854.62 nm和866.61 nm)、磷峰(213.51 nm、214.95 nm、253.40 nm和255.37 nm)、氧峰(645.43 nm和777.80 nm)、氫峰(410.15 nm和656.83 nm)、氮峰(818.69 nm、819.97 nm、821.88 nm和868.50 nm)、碳峰(192.99 nm和247.75 nm)、鎂峰(279.42 nm和285.10 nm)和鉀峰(766.76 nm和770.33 nm)。鈣、磷、氧和氫峰對應(yīng)骨骼的主要成分磷酸鈣。除了氫和氧，碳和氮峰對應(yīng)骨骼中的膠原蛋白。鎂和鉀峰對應(yīng)骨骼生長和發(fā)育中的微量元素。 相比之下，松質(zhì)骨樣本(圖4)顯示出與密質(zhì)骨相同的特征元素峰，但強度都較低。 對比密質(zhì)骨和松質(zhì)骨樣品，發(fā)現(xiàn)兩者峰的大小有著顯著區(qū)別 (圖5)。在密質(zhì)骨樣品中，最強的鈣元素峰（強度值：21398）明顯強于最強的磷元素峰(強度值：6865)。而在松質(zhì)骨樣品中，鈣元素峰（強度值：3052）與磷元素峰（強度值：3050）強度接近?？梢缘贸?，與密質(zhì)骨相比，松質(zhì)骨中的鈣含量較低。 結(jié)論：本實驗使用了Avantes的光譜儀利用LIBS測量技術(shù)分析了骨樣品的元素組成，并通過比較鈣元素峰和磷元素峰有效地區(qū)分了密質(zhì)骨和松質(zhì)骨。
