摘 要： 綜述了激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）成像技術(shù)的基礎(chǔ)原理以及在生物和醫(yī)學(xué)檢測中的技術(shù)發(fā)展，對比了不同數(shù)據(jù)處理方式的特點(diǎn)及應(yīng)用場景。在植物樣品元素成像領(lǐng)域，LIBS成像技術(shù)可用于研究金屬在植物各個組織或器官的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，為研究生物代謝過程與毒理學(xué)提供技術(shù)支撐；在動物樣品元素成像領(lǐng)域，LIBS成像技術(shù)可以實現(xiàn)空間分辨率為亞微米級別的金屬納米顆粒原位檢測，并可結(jié)合多元素的3D分布結(jié)果用于研究生物病理學(xué)規(guī)律；在人體相關(guān)的醫(yī)學(xué)研究中，LIBS成像技術(shù)可以用于個人生物信息識別以及改進(jìn)臨床診斷、識別癌癥細(xì)胞等方面。提出了LIBS在元素成像、原位檢測等應(yīng)用領(lǐng)域中所面臨的問題和挑戰(zhàn)，以期通過改進(jìn)數(shù)據(jù)處理方式、開發(fā)原位微區(qū)無標(biāo)準(zhǔn)樣品定量/半定量分析、與人工智能相結(jié)合等方式，使得LIBS在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中具有更廣泛的應(yīng)用前景。

 

關(guān)鍵詞： 激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀（LIBS）； 元素成像； 生物醫(yī)學(xué)； 定量分析； 應(yīng)用進(jìn)展

 

近年來，隨著激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)技術(shù)的發(fā)展，其檢測性能得到顯著提升，已廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)、材料分析等多個領(lǐng)域的微觀元素成像研究[1]。LIBS通過超短脈沖激光聚焦樣品表面，激發(fā)該區(qū)域原子或離子形成離子體，然后對等離子體發(fā)射光譜進(jìn)行分析可獲得樣品中元素的成分及含量[2]。該方法可以從單個激光脈沖中完成元素測量，脈沖通過激光燒蝕采樣的同時，還可以通過加熱等離子體使燒蝕的蒸氣原子化并激發(fā)。基于此特性，LIBS成像技術(shù)具有儀器簡單、檢測速度快(高達(dá)kHz)、兼容常規(guī)光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，并可與其他技術(shù)(如拉曼光譜等)進(jìn)行聯(lián)用[3]。LIBS成像還具有多元素同時檢測、可測量輕質(zhì)量元素、元素檢出限低(多數(shù)元素達(dá)μg/g量級)、空間分辨率高(微米級)等優(yōu)點(diǎn)。作為一種兼具元素高靈敏度和空間分辨力的檢測方法，LIBS成像可以與激光剝蝕-電感耦合等離子體質(zhì)譜(LA-ICP-MS)、同步輻射微區(qū)X射線熒光(μXRF)、電子探針(EPMA)等分析方法形成互補(bǔ)，開展聯(lián)合檢測的應(yīng)用研究[4]。

 

關(guān)于LIBS相關(guān)技術(shù)的報道始于20世紀(jì)60年代初期，當(dāng)時對LIBS的研究主要集中在微量元素定量分析領(lǐng)域[5]。隨著性能更強(qiáng)的激光器及矩陣探測器的出現(xiàn)，該技術(shù)大量應(yīng)用于樣品微觀尺度分析中，如陶瓷樣品中鈰的分布、以kHz的工作速率研究鋼材中多種雜質(zhì)元素分布、大尺度樣品表面分析及元素的三維成像分析等[6]。之后隨著增強(qiáng)電荷耦合探測器(ICCD)的面世，LIBS元素成像技術(shù)的檢測速度更快、靈敏度更高。由于生物醫(yī)學(xué)樣品具有采樣量少且難以獲取重復(fù)樣品、基體復(fù)雜、干擾因素多、待測元素濃度波動范圍大、樣品制備過程復(fù)雜等特性，相較于其他成像設(shè)備，高速、高靈敏度、高分辨率的LIBS元素成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)組織成像領(lǐng)域開拓了新的應(yīng)用方向。伴隨著超高分辨率(百萬級像素)圖像的技術(shù)突破，LIBS元素成像已成為在生物醫(yī)學(xué)前沿研究中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一[7]。近年來，LIBS儀器開發(fā)研究主要集中于光譜采集的后期數(shù)據(jù)處理技術(shù)。由于LIBS成像在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用需要處理大量數(shù)據(jù)，而該類樣品中主要化合物、次要化合物和痕量元素的光譜數(shù)量存在顯著差異及干擾，所以優(yōu)化數(shù)據(jù)處理方法(如化學(xué)計量學(xué)的應(yīng)用)將成為LIBS技術(shù)未來的發(fā)展方向與挑戰(zhàn)。筆者主要概述了LIBS成像技術(shù)在生物及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展與應(yīng)用研究，同時對LIBS成像數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了簡要探討。

 

1 LIBS成像技術(shù)簡介

1.1 LIBS成像原理

LIBS成像的原理是將高能量脈沖激光聚焦在目標(biāo)區(qū)域樣品上，以燒蝕少量樣品表面(樣品量通常為微克或更少)并激發(fā)燒蝕的樣品產(chǎn)生一系列等離子體，激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體壽命約幾微秒，溫度為10 000 K左右，該類方式可以激發(fā)絕大多數(shù)元素。然后，不同元素通過發(fā)射自身獨(dú)有光譜特征譜線返回基態(tài)，包含特征元素的等離子體發(fā)射的光被不同的光學(xué)元件(如透鏡、聚焦鏡或光纖等)收集，隨后采用光譜儀對不同光譜的波長和強(qiáng)度進(jìn)行分析處理[8]，識別檢測到特定元素的特征發(fā)射譜線，從而構(gòu)建相應(yīng)的元素分布圖像[9]。在發(fā)射光譜上觀察到的譜線(原子、離子或分子)的強(qiáng)度與樣品的元素組成直接相關(guān)。在樣品測定過程中，樣品通常放置在可編程的電動XY載物臺上，載物臺移動的步長(即連續(xù)激光照射之間的距離)決定了元素圖像最終的分辨率[10]。通常，最小分辨率由激光剝蝕坑大小決定，一般情況下不會在連續(xù)的激光照射之間獲取樣品重疊區(qū)域的譜線，因為該操作會導(dǎo)致測量重復(fù)性降低[11]。在大多數(shù)情況下，光譜儀更容易收集固定位置等離子體發(fā)射的光，因此LIBS成像儀器大多采用樣品移動的方式，而不是用可移動的激光束進(jìn)行掃描[12]。然而，對于需要對大型樣品表面進(jìn)行高頻率掃描的特定應(yīng)用場景(如樣品的在線控制)，也可以同時使激光束與光譜采集系統(tǒng)連續(xù)移動[13]。

1.2 LIBS成像儀器配置

LIBS成像的儀器配置受多個因素的影響，主要包括激光聚焦系統(tǒng)、激光源、檢測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理等因素[14]。激光聚焦系統(tǒng)決定了LIBS成像結(jié)果最終的分辨率，焦距越短，工作距離越小，剝蝕尺寸越小，分辨率越高；在剝蝕區(qū)域通入流動的氬氣，可提高該剝蝕區(qū)域內(nèi)等離子體的隔熱性和準(zhǔn)直性[15]。為提升LIBS成像檢測質(zhì)量，通?？梢酝ㄟ^拋光實現(xiàn)樣品表面的干凈與平整，以保證整個成像過程中光學(xué)系統(tǒng)焦平面的定位[16]。LIBS激光源的輸出能量、脈沖時間及激發(fā)方向等方面的穩(wěn)定性直接影響作用于樣品上剝蝕等離子體及檢測信號收集產(chǎn)生的波動效應(yīng)，在LIBS成像檢測均勻樣品的微量分析中，激光的單點(diǎn)發(fā)射穩(wěn)定性更為關(guān)鍵[17]。LIBS檢測系統(tǒng)包括光譜儀和探測器，需綜合考慮光譜分辨率、光譜測量范圍(多元素檢測能力)、光譜儀亮度(測量靈敏度)、運(yùn)行速度及成本等參數(shù)的影響[18]；當(dāng)激光發(fā)射頻率超過一定閾值(通常大于200 Hz)時，傳統(tǒng)耦合矩陣探測器的響應(yīng)速度可能無法匹配激光發(fā)射頻率，因此需要采用響應(yīng)速度更快的傳感器(如更快感光材料)，以提高檢測靈敏度[19]。LIBS成像的數(shù)據(jù)處理主要是提取光譜數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為具有特定元素空間分布的圖像形式[20]，其中需要考慮樣品基質(zhì)效應(yīng)、光譜干擾、譜線自吸收現(xiàn)象等的影響[21]。

 

2 LIBS成像技術(shù)應(yīng)用

LIBS成像具有微米級分辨率、檢出限低至μg/g量級、檢測速度快(高達(dá)kHz)等獨(dú)特的優(yōu)勢，其在應(yīng)用研究中可與其他光譜成像技術(shù)(如LA-ICP-MS、微區(qū)XRF等)形成互補(bǔ)。近年來，LIBS成像在生物或醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有更為廣泛的應(yīng)用，例如在植物、動物、人體組織樣品中的內(nèi)源性化學(xué)元素直接成像方面，為研究生物器官的病理生理狀態(tài)提供了更全面的技術(shù)支撐。生物醫(yī)學(xué)樣本通常在細(xì)胞含量方面具有高度異質(zhì)性，同時不同生物體(例如植物、動物、人體)組織中的細(xì)胞與病理生理細(xì)胞化學(xué)成分也存在多樣性，而LIBS的元素成像可在樣本沒有預(yù)處理的前提下，為臨床研究人員收集樣品表面完整的光譜化學(xué)信息，例如在微米級的給定組織區(qū)域中，LIBS成像可以通過肌肉細(xì)胞周圍的上皮細(xì)胞以及含有血細(xì)胞的鄰近血管確定骨組織。在生物醫(yī)學(xué)中，除了血液或其他體液的分析，生物組織元素LIBS成像技術(shù)比其他微量分析技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢[22]。

2.1 LIBS成像技術(shù)在植物組織中的應(yīng)用

LIBS成像技術(shù)可針對植物不同的部位(如根、莖、花或果實)進(jìn)行掃描，獲得的元素分布信息有助于了解植物潛在的營養(yǎng)(鈉、鉀、磷等)失調(diào)過程，營養(yǎng)失調(diào)過程的研究可應(yīng)用于植物的健康、疾病、營養(yǎng)攝入不足，或受到污染的大氣、水、土壤的溯源工作中[23]。為了研究植物根際養(yǎng)分交換的空間控制，LIBS元素成像可用于對根際土壤系統(tǒng)中有機(jī)物含量和無機(jī)成分成像研究，該研究實現(xiàn)了在長度約1 mm的柳枝草根小樣本上，獲得了分辨率約為100 μm的17種常量營養(yǎng)元素、微量營養(yǎng)元素和基質(zhì)元素的分布圖像及精細(xì)的化學(xué)梯度分布規(guī)律。該研究表明，LIBS成像技術(shù)適合作為一種有效的空間分辨技術(shù)用于微小樣品，如復(fù)雜土壤基質(zhì)和植物根際的快速、高靈敏度多元素同時采集分布研究[24]。LIBS元素生物成像也可用于測量富硒對可食用蘑菇中可擴(kuò)散內(nèi)源性陽離子分布的影響，研究發(fā)現(xiàn)，富硒改變了鉀和鎂的分布，增加了蘑菇下部鈣的生物累積，由此可以推斷，硒改變了鈣、鉀和鎂的運(yùn)輸和區(qū)室化過程，從而影響其生物代謝過程[25]。LIBS成像還可用于分析輕質(zhì)元素，例如分析斑點(diǎn)羅漢果葉片中鋰的分布[26]；采用雙脈沖方式還可用于研究水稻葉片中鉻的分布規(guī)律[27]。LIBS成像技術(shù)可用來輔助檢測白芥作物(Sinapis alba L.)中鎘的分布，通過將LIBS成像與微區(qū)LIBS相結(jié)合，分別實現(xiàn)了100 μm和25 μm的橫向分辨率，由此檢測到暴露于氯化鎘溶液或碲化鎘量子點(diǎn)的植物根部中鎘的不同空間分布規(guī)律[28]。使用納米粒子增強(qiáng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜(NELIBS)，可顯著提高檢測植物中有害化學(xué)物質(zhì)的靈敏度，通過空間分辨的方式分析鎘等有毒物質(zhì)在生菜葉片和莖中的分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，重金屬在可食用植物葉片中分布不均勻，葉脈中的濃度高于葉肉。該研究表明相比于傳統(tǒng)LIBS技術(shù)，NELIBS的靈敏度可提高2個數(shù)量級[29]。

2.2 LIBS成像技術(shù)在動物組織中的應(yīng)用

儀器分析技術(shù)的選擇對于生物組織中金屬納米化合物的成像至關(guān)重要[30]，檢測生物組織元素成像技術(shù)主要包含粒子激發(fā)X射線熒光分析(PIXE)、X射線熒光顯微技術(shù)(XFM)、二次離子質(zhì)譜(SIMS)和LA-ICP-MS等，幾乎所有的元素成像技術(shù)都被用于直接檢測腦組織內(nèi)的可擴(kuò)散離子(如Na+、Mg2+、Ca2+、K+和Cl-等)[31]。而微區(qū)LIBS成像針對納米醫(yī)學(xué)和神經(jīng)學(xué)有獨(dú)特的優(yōu)勢，例如在腦元素成像領(lǐng)域中可使用LIBS實現(xiàn)內(nèi)源性化學(xué)元素(如P、Mg、Ca、Na、Cu和Fe)的可視化[32]。LIBS成像技術(shù)是研究整體器官尺度上重金屬穩(wěn)態(tài)時空調(diào)節(jié)的最可靠工具，例如利用LIBS對大腦中的Zn、Ca、Mg、Na、Cu和P等分布進(jìn)行成像和定量分析。LIBS成像技術(shù)結(jié)合3D成像模型有助于研究胚胎發(fā)育過程，可用于研究大腦結(jié)構(gòu)發(fā)育和成熟過程中Zn的分布和時間調(diào)控規(guī)律[33]。LIBS成像技術(shù)同樣適合對動物器官中金屬納米顆粒(NP)進(jìn)行檢測，用以研究治療劑的藥物代謝動力學(xué)或生物組織中內(nèi)源性元素的病理生理過程。LIBS與X射線熒光相結(jié)合，用于納米簇的超小發(fā)光金(Au)顆粒在動物的器官和皮下移植腫瘤中的分布研究，通過LIBS成像可發(fā)現(xiàn)腎臟中Au NP的高積累，而在肝臟和脾臟中幾乎沒有檢測到Au NP，該結(jié)果可用于評估金屬NP在生物體內(nèi)的藥物代謝動力學(xué)過程，表明該創(chuàng)新化合物在非?？斓臅r間尺度上優(yōu)先通過尿液排出。該研究表明LIBS成像可在動物組織尺度與亞細(xì)胞尺度的元素成像積累分布規(guī)律研究中發(fā)揮重要作用[34]。金屬NP生物成像方面最顯著的進(jìn)步之一是利用雙脈沖LIBS技術(shù)研究銦NP在細(xì)胞內(nèi)的分布，該研究使LIBS成像技術(shù)在生物研究中首次超越微米級分辨率，其納米激光探針可將橫向分辨率提高到500 nm；采用飛秒激光(采樣515 nm)與納秒激光(發(fā)射266 nm)的組合實現(xiàn)了金屬NP在單個細(xì)胞內(nèi)的可視化，研究發(fā)現(xiàn)銦元素圖像與細(xì)胞中溶酶體的熒光圖像精確對應(yīng)，表明NP在被溶酶體捕獲之前通過內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞。采用雙脈沖LIBS檢測技術(shù)不僅首次獲得了金屬NP在細(xì)胞器中亞細(xì)胞分布的高分辨像，而且其絕對檢出量降低至18.3 fg，為有關(guān)金屬NP和細(xì)胞之間行為和相互作用機(jī)理研究提供了有效技術(shù)支撐[35]。將LIBS成像應(yīng)用于患有原位膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的老鼠大腦中，對其中鑭(La)、鈰(Ce) NP進(jìn)行成像研究，發(fā)現(xiàn)在腫瘤部位同時存在La和Ce，證明藥物對放射治療有積極反應(yīng)。該研究實現(xiàn)了金屬NP原位檢測的高穩(wěn)定性，表明LIBS成像可間接反映抗癌治療的療效[36]。LIBS成像技術(shù)還具有可以檢測輕元素的優(yōu)勢，在一項基于中子捕獲的創(chuàng)新放射治療研究中，為匹配放射治療的發(fā)展需求，采用LIBS成像成功確定了攜帶腫瘤的雞胚模型中含硼熒光團(tuán)的分布。這類針對輕元素硼的成像研究，彰顯了LIBS在生物領(lǐng)域應(yīng)用的巨大潛力[37]。LIBS還可以通過使用等離子體的分子發(fā)射間接分析元素分布，例如在針對鯊魚牙齒的研究中，通過CaF分子的光譜發(fā)射線進(jìn)行了氟成像[38]。分子發(fā)射在LIBS中的應(yīng)用研究也是一個不斷發(fā)展的新領(lǐng)域，可為單獨(dú)分析某一元素成像提供輔助支撐[39]。例如，在移植黑色素瘤細(xì)胞的小鼠皮下組織中，采用LIBS成像原位檢測腫瘤部位的K元素發(fā)射信號和碳氮分子(CN)發(fā)射信號，獲得的高分辨率元素分布信息成功實現(xiàn)了黑色素瘤和周圍非惡性真皮之間的區(qū)分[40]。法國研究小組率先開發(fā)和改進(jìn)了LIBS技術(shù)用于對動物組織的元素含量的生物成像研究[8]，使用基于紫外線的LIBS成像以多元素和定量方式研究釓硅基納米顆粒分布規(guī)律，在靜脈注射后對不同時間點(diǎn)收集的小鼠環(huán)氧樹脂包埋腎臟進(jìn)行了元素分析，實現(xiàn)了40 μm的圖像分辨率的分布結(jié)果[41]。隨后切換到紅外激光源，在腎臟和整個器官尺度上對相同的小型治療納米化合物進(jìn)行3D成像，在3個維度上獲得了約10 μm的高分辨率元素分布圖像[42]。之后該研究小組在人類標(biāo)本上實現(xiàn)了LIBS成像研究，獲得軟基質(zhì)2D-LIBS多元素分析結(jié)果，即人類石蠟包埋皮膚活檢、生成正常皮膚和一系列皮膚癌中內(nèi)源性多元素分布圖[43]。

2.3 LIBS成像技術(shù)在人體組織中的應(yīng)用

隨著LIBS成像設(shè)備的快速發(fā)展和低成本化，其在指紋識別中發(fā)揮重要的作用。LIBS成像技術(shù)可以根據(jù)每個指紋的特定化學(xué)成分而消除多個重疊指紋的干擾，這一突破可能在需要分析指紋的犯罪調(diào)查中得到廣泛應(yīng)用[44]。通常采用單點(diǎn)LIBS和主成分分析(PCA)很難區(qū)分兩個不同人的指紋，而結(jié)合LIBS成像技術(shù)利用125 μm的橫向分辨率，通過軟件建模分析，可以實現(xiàn)重疊情況下對每個指紋進(jìn)行重建[45]。通過分析人類肉芽腫、淋巴結(jié)或疤痕標(biāo)本或體液等異常組織病理學(xué)特征的元素含量，人們首次實現(xiàn)了LIBS成像在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，LIBS成像可用于研究外源性可溶性化合物(如Al化合物、Ti或W的金屬顆粒、Cu等元素)在人體組織中的分布[46]。LIBS成像技術(shù)在人類病理學(xué)中應(yīng)用最廣泛的是在改進(jìn)癌癥診斷方面，主要在人體液體(血液或血清)或生物組織的微量元素分析及空間分布中發(fā)揮重要的作用[47]。在癌癥實體病腫瘤異質(zhì)性研究中，LIBS成像發(fā)現(xiàn)了正常皮膚與癌癥皮膚元素分布之間的明顯差異，針對人體皮膚組織及癌變細(xì)胞(如惡性黑色素瘤、鱗狀細(xì)胞癌和默克爾細(xì)胞癌等)中Na、K、Mg和Ca等元素，結(jié)合生物組織算法聚類分析，實現(xiàn)了元素分布信息與生物組織之間的精準(zhǔn)定位[48]。該方法還成功用于研究人體肺部樣本中元素(Ca、Mg、Na、C、Al、Fe、Si和Cu)以及分子片段(CN和C2)的元素分布，使用K-因子算法可對每個像素的元素信息進(jìn)行分類研究，并發(fā)現(xiàn)了LIBS金屬成像在識別、定位和篩選肺病標(biāo)本臨床應(yīng)用的可行性[49]。LIBS在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，還需要結(jié)合化學(xué)計量學(xué)與醫(yī)學(xué)生物信息的多維性，以提高亞微米級分辨率對內(nèi)源性和外源性元素進(jìn)行成像與定量研究，目前的研究大多集中在元素的半定量基礎(chǔ)上[50]。在未來的發(fā)展趨勢中，對于元素分布中元素濃度的定量分析是臨床醫(yī)學(xué)必不可少的部分，微區(qū)無標(biāo)準(zhǔn)樣品定量分析方法的開發(fā)與應(yīng)用將成為LIBS成像在臨床研究中所面臨的巨大挑戰(zhàn)[51]。

 

3 LIBS成像的數(shù)據(jù)處理

LIBS成像具有非常高的動態(tài)范圍、可檢測幾乎所有元素、收集速度快、空間分辨率高、適用微區(qū)樣品分析等特點(diǎn)，同時由于LIBS光譜呈現(xiàn)出眾多精細(xì)的發(fā)射譜線，導(dǎo)致其數(shù)據(jù)分析與處理工作量巨大[52]。一種由LIBS光譜簡單快速生成元素圖像的方法是通過在特定波長下對所選元素測量的信號進(jìn)行簡單積分，從而生成其分布圖。但是該方法不能消除由于樣品基體不同或元素譜線重疊帶來的干擾，可能導(dǎo)致最終的元素分布圖存在一定的偏差[53]，因此在LIBS光譜數(shù)據(jù)批量分析中，通常還需要采用其他化學(xué)計量學(xué)手段對LIBS成像結(jié)果進(jìn)行分析處理。通過特定化學(xué)計量學(xué)手段的分析過程，通?？梢詮墓庾V圖中提取更多的化學(xué)信息，以提高LIBS數(shù)據(jù)結(jié)果的利用率[54]。LIBS光譜成像技術(shù)主要用于探索未知元素或含量的樣品，在后期數(shù)據(jù)分析中采用PCA法可實現(xiàn)無標(biāo)準(zhǔn)樣品模式下的定量分析[55]。PCA法可以快速獲得復(fù)雜樣品的初始化學(xué)信息，可以識別不同的相關(guān)或不相關(guān)元素，還能夠生成與每個組分間相關(guān)性指標(biāo)，以輔助檢測到的元素的空間分布圖[56]。例如LIBS成像可用于手寫文件的鑒定研究，即使兩支鋼筆的書寫差異目視無法分辨，LIBS成像也可為每種墨水產(chǎn)生不同的PCA組分分析結(jié)果，從而對其進(jìn)行識別。這一應(yīng)用可用于證明官方手寫文件的準(zhǔn)確性[57]。LIBS成像也被用于隱藏信息解密分析，通過對具有不同元素組成的墨水進(jìn)行掃描，能夠揭示手寫文檔中隱藏的信息[58]。聚類分析方法可以在無標(biāo)準(zhǔn)樣品定量分析中發(fā)揮重要作用，該方法是按相似性對所有光譜進(jìn)行分組，作為簇在樣本特定區(qū)域中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。例如在識別組織病理學(xué)中，通過對皮膚樣本上采集的LIBS成像數(shù)據(jù)集進(jìn)行聚類分析，實現(xiàn)對未知樣品的一次數(shù)據(jù)采集就能確定腫瘤皮膚的邊緣，由此可以在觀察到的生物組織上分別顯示健康和癌細(xì)胞所在的區(qū)域[48]。在基于LIBS的成像分析中，因為測量是在單次拍攝過程中進(jìn)行的，因此沒有與圖像單個像素相關(guān)的強(qiáng)度統(tǒng)計數(shù)據(jù)，因此不能完整地實現(xiàn)定量分析。然而，可以使用各種類型的模擬標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行“半定量”成像研究。最常見的校準(zhǔn)方法是使用已知濃度和成分的模擬標(biāo)準(zhǔn)樣品，模擬標(biāo)準(zhǔn)樣品與樣品的濃度和成分相似，然后采用相同的檢測條件進(jìn)行測試，以建立校準(zhǔn)模型[59]。LIBS成像的定量分析一直是限制其發(fā)展的重要挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的定量分析主要是通過特定區(qū)域光譜的強(qiáng)度和濃度進(jìn)行回歸分析[60]。但是在微區(qū)LIBS光譜批量分析中，很難獲得已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣品，不過在食品研究領(lǐng)域，可以通過偏最小二乘法(PLS)回歸來進(jìn)行牛肉、配方奶粉等樣本的初步定量研究[61]。LIBS成像微區(qū)定量分析未來發(fā)展還可結(jié)合信號分解法[62]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合聚類分析[63]等方法對未知樣品的濃度進(jìn)行預(yù)測與定量研究類[64]。

 

4 結(jié)論

LIBS成像技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，隨著在新實驗方法、儀器開發(fā)等方面的發(fā)展，其可能以低檢出限、出色靈敏度、高分辨率的成像優(yōu)勢在各個領(lǐng)域獲得更大的應(yīng)用空間。在未來的研究中，LIBS成像技術(shù)具有以下幾個發(fā)展方向：(1) 在數(shù)據(jù)處理階段還需要更專業(yè)的化學(xué)計量學(xué)方法來提取大量的光譜數(shù)據(jù)，以消除來自元素自吸收、光譜干擾等造成的測量偽影，導(dǎo)致樣品分析譜圖失真的影響；LIBS成像技術(shù)的發(fā)展離不開新的數(shù)據(jù)處理概念和大量數(shù)據(jù)管理功能的進(jìn)步，使用人工智能進(jìn)行全自動數(shù)據(jù)的分析與提取是未來LIBS成像化學(xué)計量學(xué)的發(fā)展方向之一。(2) LIBS在檢測鹵族元素的能力較差，其檢出限可能在10-2級別，未來可以通過檢測自由基(如CaF或CaCl等)的較強(qiáng)分子發(fā)射間接測量這些元素，但是必須要確保這些自由基在等離子體中的可重復(fù)和可控性。(3) 對不同基體的復(fù)雜樣品進(jìn)行元素定量分析仍然是LIBS成像技術(shù)的巨大挑戰(zhàn)，可以采用其他微區(qū)表征技術(shù)如EPMA或LA-ICP-MS等輔助校準(zhǔn)LIBS圖像的定量結(jié)果，上述方法都亟需發(fā)現(xiàn)新標(biāo)準(zhǔn)樣品，以校準(zhǔn)或控制檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度，同時在無標(biāo)準(zhǔn)樣品前提下的微區(qū)定量研究也是推動LIBS成像技術(shù)發(fā)展的重要手段。

 

參考文獻(xiàn)

1 LIMBECK A，BRUNNBAUER L，LOHNINGER H，et al. Methodology and applications of elemental mapping by laser induced breakdown spectroscopy［J］. Analytica Chimica Acta，2021，1147： 72.

2 CÁCERES J O，PELASCINI F，MOTTO-ROS V，et al. Megapixel multi-elemental imaging by laser-induced breakdown spectroscopy，a technology with considerable potential for paleoclimate studies［J］. Scientific Reports，2017，7（1）： 5 080.

3 JOLIVET L，LEPRINCE M，MONCAYO S，et al. Review of the recent advances and applications of LIBS-based imaging［J］. Spectrochimica Acta Part B，2019，151： 41.

4 REICH M，LARGE R，DEDITIUS A P. New advances in trace element geochemistry of ore minerals and accessory phases［J］. Ore Geology Reviews，2017，81： 1 215.

5 BUSSER B，MONCAYO S，COLL J L，et al. Elemental imaging using laser-induced breakdown spectroscopy：A new and promising approach for biological and medical applications［J］. Coordination Chemistry Reviews，2018，358： 70.

6 HE Chunjing，HUANG Weihua，MAO Yuqiong，et al. Three-dimensional topographic and multi-elemental mapping by unilateral-shift-subtracting confocal controlled LIBS microscopy［J］. Spectrochimica Acta Part B，2022，188： 106 340.

7 BASSEL L，MOTTO-ROS V，TRICHARD F，et al. Laser-induced breakdown spectroscopy for elemental characterization of calcitic alterations on cave walls［J］. Environmental Science and Pollution Research，2017，24（3）： 2 197.

8 FABRE C. Advances in laser-induced breakdown spectroscopy analysis for geology：A critical review［J］. Spectrochimica Acta Part B，2020，166： 105 799.

9 ZHAO Chunjiang，DONG Daming，DU Xiaofan，et al. In-field，in situ，and in vivo 3-dimensional elemental mapping for plant tissue and soil analysis using laser-induced breakdown spectroscopy［J］. Sensors，2016，16（10）： 1 764.

10 KRAJCAROVÁ L，NOVOTNÝ K，KUMMEROVÁ M，et al. Mapping of the spatial distribution of silver nanoparticles in root tissues of Vicia faba by laser-induced breakdown spectroscopy （LIBS）［J］. Talanta，2017，173： 28.

11 LEDNEV V N，SDVIZHENSKII P A，GRISHIN M Y，et al. Laser-induced breakdown spectroscopy for three-dimensional elemental mapping of composite materials synthesized by additive technologies［J］. Applied Optics，2017，56（35）： 9 698.

12 RIFAI K，CONSTANTIN M，YILMAZ A，et al. Quantification of lithium and mineralogical mapping in crushed ore samples using laser induced breakdown spectroscopy［J］. Minerals，2022，12（2）： 253.

13 PARADIS M-C M，DOUCET F R，RIFAI K，et al. ECORE：a new fast automated quantitative mineral and elemental core scanner［J］. Minerals，2021，11（8）： 859.

14 GIANNAKARIS N， HAIDER A， AHAMER CM， et al. Femtosecond single-pulse and orthogonal double-pulse laser-induced breakdown spectroscopy（LIBS）：femtogram mass detection and chemical imaging with micrometer spatial resolution ［J］. Applied Spectroscopy，2022，76（8）： 926.

15 AHAMER C M，RIEPL K M，HUBER N，et al. Femtosecond laser-induced breakdown spectroscopy：Elemental imaging of thin films with high spatial resolution［J］. Spectrochimica Acta Part B，2017，136： 56.

16 JANTZI S C，MOTTO-ROS V，TRICHARD F，et al. Sample treatment and preparation for laser-induced breakdown spectroscopy［J］. Spectrochimica Acta Part B，2016，115： 52.

17 GAUDIUSO R，MELIKECHI N，ABDEL-SALAM Z A，et al. Laser-induced breakdown spectroscopy for human and animal health：A review［J］. Spectrochimica Acta Part B，2019，152： 123.

18 LEFEBVRE C，CATALÁ-ESPÍ A，SOBRON P，et al. Depth-resolved chemical mapping of rock coatings using laser-induced breakdown spectroscopy：Implications for geochemical investigations on Mars［J］. Planetary and Space Science，2016，126： 24.

19 RAKOVSKÝ J，MUSSET O，BUONCRISTIANI J，et al. Testing a portable laser-induced breakdown spectroscopy system on geological samples［J］. Spectrochimica Acta Part B，2012，74-75： 57.

20 ADARSH U K，BANKAPUR A，PAI A K，et al. Advanced chemometric methodologies on single shot hyphenated LIBS data for rapid and reliable characterization of plastic classes［J］. Talanta，2024，277： 126 393.

21 QASIM M，ANWAR-UL-HAQ M，SHAH A，et al. Self-absorption effect in calibration-free laser-induced breakdown spectroscopy：Analysis of mineral profile in Maerua oblongifolia plant［J］. Microchemical Journal，2022，175： 107 106.

22 SKALNY A V，KOROBEINIKOVA T V，ASCHNER M，et al. Medical application of laser-induced breakdown spectroscopy （LIBS） for assessment of trace element and mineral in biosamples：Laboratory and clinical validity of the method［J］. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology，2023，79： 127 241.

23 MODLITBOVÁ P，PO?ÍZKA P，KAISER J. Laser-induced breakdown spectroscopy as a promising tool in the elemental bioimaging of plant tissues［J］. TrAC Trends in Analytical Chemistry，2020，122： 115 729.

24 ILHARDT P D，NUÑEZ J R，DENIS E H，et al. High-resolution elemental mapping of the root-rhizosphere-soil continuum using laser-induced breakdown spectroscopy （LIBS）［J］. Soil Biology & Biochemistry，2019，131： 119.

25 DE OLIVEIRA A P，DE OLIVEIRA LEME F，NOMURA C S，et al. Elemental imaging by laser-induced breakdown spectroscopy to evaluate selenium enrichment effects in edible mushrooms［J］. Scientific Reports，2019，9（1）： 10 827.

26 SINGH V K，TRIPATHI D K，MAO X，et al. Elemental mapping of lithium diffusion in doped plant leaves using laser-induced breakdown spectroscopy （LIBS）［J］. Applied Spectroscopy，2019，73（4）： 387.

27 PENG Jiyu，HE Yong，ZHAO Zhangfeng，et al. Fast visualization of distribution of chromium in rice leaves by re-heating dual-pulse laser-induced breakdown spectroscopy and chemometric methods［J］. Environmental Pollution，2019，252： 1 125.

28 MODLITBOVÁ P，PO?ÍZKA P，ST?ÍTE?SKÁ S，et al. Detail investigation of toxicity，bioaccumulation，and translocation of Cd-based quantum dots and Cd salt in white mustard［J］. Chemosphere，2020，251： 126 174.

29 ZHAO Xiande，ZHAO Chunjiang，DU Xiaofan，et al. Detecting and mapping harmful chemicals in fruit and vegetables using nanoparticle-enhanced laser-induced breakdown spectroscopy［J］. Scientific Reports，2019，9（1）： 906.

30 CASIAN-PLAZA F A，JANOVSZKY P M，PALÁSTI D J，et al. Comparison of three nanoparticle deposition techniques potentially applicable to elemental mapping by nanoparticle-enhanced laser-induced breakdown spectroscopy［J］. Applied Surface Science，2024，657： 159 844.

31 HARTNELL D，ANDREWS W，SMITH N，et al. A review of ex vivo elemental mapping methods to directly image changes in the homeostasis of diffusible ions （Na+，K+，Mg2+，Ca2+，Cl-） within brain tissue［J］. Frontiers in Neuroscience，2020，13. doi： 10.3389/fnins.2019.01415.

32 BUSSER B，BULIN A-L，GARDETTE V，et al. Visualizing the cerebral distribution of chemical elements：A challenge met with LIBS elemental imaging［J］. Journal of Neuroscience Methods，2022，379： 109 676.

33 LIN Qingyu，WANG Shuai，DUAN Yixiang，er al. Ex vivo three-dimensional elemental imaging of mouse brain tissue block by laser-induced breakdown spectroscopy［J］. Journal of Biophotonics，2021（5）： 14.

34 LE GUÉVEL X，HENRY M，MOTTO-ROS V，et al. Elemental and optical imaging evaluation of zwitterionic gold nanoclusters in glioblastoma mouse models［J］. Nanoscale，2018，10（39）： 18 657.

35 MENG Yifan，GAO Chaohong，LIN Zheng，et al. Nanoscale laser-induced breakdown spectroscopy imaging reveals chemical distribution with subcellular resolution［J］. Nanoscale Advances，2020，2（9）： 3 983.

36 BULIN A L，BROEKGAARDEN M，CHAPUT F，et al. Radiation dose-enhancement is a potent radiotherapeutic effect of rare-earth composite nanoscintillators in preclinical models of glioblastoma［J］. Advanced Science，2020，7（20）： 2 001 675.

37 KALOT G，GODARD A，BUSSER B，et al. Aza-BODIPY：A new vector for enhanced theranostic boron neutron capture therapy applications［J］. Cells，2020，9（9）： 1 953.

38 MANARD B T，HINTZ C J，QUARLES C D，et al. Determination of fluorine distribution in shark teeth by laser-induced breakdown spectroscopy［J］. Metallomics，2022，14（7）： 50.

39 XU Fanghao，MA Shixiang，ZHAO Chunjiang，et al. Application of molecular emissions in laser-induced breakdown spectroscopy：A review［J］. Frontiers in Physics，2022，10. doi：10.3389/fphy.2022.821528.

40 CHOI J H，SHIN S，MOON Y，et al. High spatial resolution imaging of melanoma tissue by femtosecond laser-induced breakdown spectroscopy［J］. Spectrochimica Acta Part B，2021，179： 106 090.

41 SANCEY L，MOTTO-ROS V，BUSSER B，et al. Laser spectrometry for multi-elemental imaging of biological tissues［J］. Scientific Reports，2014，4（1）： 6 065.

42 GIMENEZ Y，BUSSER B，TRICHARD F，et al. 3D imaging of nanoparticle distribution in biological tissue by laser-induced breakdown spectroscopy［J］. Scientific Reports，2016，6（1）： 29 936.

43 MONCAYO S，TRICHARD F，BUSSER B，et al. Multi-elemental imaging of paraffin-embedded human samples by laser-induced breakdown spectroscopy［J］. Spectrochimica Acta Part B，2017，133： 40.

44 TREJOS T，VANDER PYL C，MENKING-HOGGATT K，er al. Fast identification of inorganic and organic gunshot residues by LIBS and electrochemical methods［J］. Forensic Chemistry，2018，8： 146.

45 PYL C V，OVIDE O，HO M，YUKSEL B，et al. Spectrochemical mapping using laser induced breakdown spectroscopy as a more objective approach to shooting distance determination［J］. Spectrochimica Acta Part B，2019，152： 93.

46 BUSSER B，MONCAYO S，TRICHARD F，et al. Characterization of foreign materials in paraffin-embedded pathological specimens using in situ multi-elemental imaging with laser spectroscopy［J］. Modern Pathology，2018，31（3）： 378.

47 KHAN M N，WANG Q，IDREES B S，et al. A review on laser-induced breakdown spectroscopy in different cancers diagnosis and classification［J］. Frontiers of Physics，2022，10： 821 057.

48 KISS K，ŠINDELÁ?OVÁ A，KRBAL L，et al. Imaging margins of skin tumors using laser-induced breakdown spectroscopy and machine learning［J］. Journal of Analytical Atomic Spectrometry，2021，36（5）： 909.

49 YIN Pengkun，HU Bin，LI Qiang，et al. Imaging of tumor boundary based on multielements and molecular fragments heterogeneity in lung cancer［J］. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2021，70： 1.

50 MARTINEZ M，BAUDELET M. Calibration strategies for elemental analysis of biological samples by LA-ICP-MS and LIBS-A review［J］. Analytical and Bioanalytical Chemistry，2020，412（1）： 27.

51 KHAN M R，IBRAHIM R K R，DURALIM M，et al. Laser-induced breakdown spectroscopy （LIBS） of animal fat（lard）：Efficient sample preparation for onsite analysis and influence of sample temperature on the signal intensity and plasma parameters［J］. Heliyon，2024，10（9）： 30 447.

52 FABRE C，TREBUS K，TARANTOLA A，et al. Advances on microLIBS and microXRF mineralogical and elemental quantitative imaging［J］. Spectrochimica Acta Part B，2022，194： 106 470.

53 JOLIVET L，MOTTO-ROS V，SORBIER L，et al. Quantitative imaging of carbon in heterogeneous refining catalysts［J］. Journal of Analytical Atomic Spectrometry，2020，35（5）： 896.

54 MOTTO-ROS V，MONCAYO S，TRICHARD F，et al. Investigation of signal extraction in the frame of laser induced breakdown spectroscopy imaging［J］. Spectrochimica Acta Part B，2019，155： 127.

55 QUARLES C D，MIAO T，POIRIER L，et al. Elemental mapping and characterization of petroleum-rich rock samples by laser-induced breakdown spectroscopy （LIBS）［J］. Fuels，2022；3（2）： 353.

56 RIFAI K，ÖZCAN L Ç，DOUCET F R，et al. Ultrafast elemental mapping of platinum group elements and mineral identification in platinum-palladium ore using laser induced breakdown spectroscopy［J］. Minerals，2020，10（3）： 207.

57 YANG J H，YOH J J. Reconstruction of chemical fingerprints from an individual's time-delayed，overlapped fingerprints via laser-induced breakdown spectrometry （LIBS） and Raman spectroscopy［J］. Microchemical Journal，2018，139： 386.

58 YANG J H，CHOI S J，YOH J J. Towards reconstruction of overlapping fingerprints using plasma spectroscopy［J］. Spectrochimica Acta Part B，2017，134： 25.

59 PAROBKOVÁ V，HOLUB D，KIZOVSKÝ M，et al. Raman microspectroscopy and laser-induced breakdown spectroscopy for the analysis of polyethylene microplastics in human soft tissues［J］. Heliyon，2024，10（18）： 37 844.

60 CASADO-GAVALDA M P，DIXIT Y，GEULEN D，et al. Quantification of copper content with laser induced breakdown spectroscopy as a potential indicator of offal adulteration in beef［J］. Talanta，2017，169： 123.

61 CAMA-MONCUNILL X，MARKIEWICZ-KESZYCKA M，DIXIT Y，et al. Feasibility of laser-induced breakdown spectroscopy（LIBS） as an at-line validation tool for calcium determination in infant formula［J］. Food Control，2017，78： 304.

62 SANDOVAL-MUÑOZ C，VELÁSQUEZ G，ÁLVAREZ J，et al. Enhanced elemental and mineralogical imaging of Cu-mineralized rocks by coupling µ-LIBS and HSI［J］. Journal of Analytical Atomic Spectrometry，2022，37（10）： 1 981.

63 PAGNOTTA S，LEZZERINI M，CAMPANELLA B，et al. Fast quantitative elemental mapping of highly inhomogeneous materials by micro-laser-induced breakdown spectroscopy［J］. Spectrochimica Acta Part B，2018，146： 9.

64 CHEN Tong，SUN Lanxiang，YU Haibin，et al. Deep learning with laser-induced breakdown spectroscopy （LIBS） for the classification of rocks based on elemental imaging［J］. Applied Geochemistry，2022，136： 105 135.
HUANG Chizhong，LI Zhiming，LIU Xianbiao. Uncertainty evaluation for the determination of total arsenic content in rice by hydride atomic fluorescence method［J］. Journal of Food Safety and Quality Inspection，2021，12（6）： 2 258.

65 崔婷婷，祁偉，何文江，等.高效液相色譜法測定醬油中三氯蔗糖含量不確定度的評定［J］.食品工業(yè)科技，2024，45（7）： 270.
CUI Tingting，QI Wei，HE Wenjiang，et al. Evaluation of uncertainty in determination of sucralose in soy sauce by high performance liquid chromatography［J］. Science and Technology of Food Industry，2024，45（7）： 270.

66 戴禮洪，姜紅新，李軍幸，等.濕法消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定大米中鎘的不確定度評定［J］.化學(xué)分析計量，2022，31（2）： 82.
DAI Lihong，JIANG Hongxin，LI Junxing，et al. Uncertainty evaluation of determination of cadmium in rice by wet digestion-inductively coupled plasma mass spectrometry［J］. Chemical Analysis and Meterage，2022，31（2）： 82.

67 范明紅，尤繼明，鄭佳玉，等.微波消解-ICP-MS法測定慈姑中鉛的不確定度評定［J］.中國檢驗檢測，2020，28（1）： 37.
FAN Minghong，YOU Jiming，ZHENG Jiayu，et al. Uncertainty evaluation of microwave digestion ICP-MS determination of lead in cigu［J］. China Inspection and Testing，2020，28（1）： 37.

68 楊娟，鐘恩德，程鈺蘭，等.微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定無花果中銅的不確定度評定［J］.中國食品添加劑，2025，36（5）： 108.
YANG Juan，ZHONG Ende，CHENG Yulan，et al. Evaluation of uncertainty for determination of copper in figs by microwave digestion and inductively coupled plasma massspectrometry［J］. China Food Additives，2025，36（5）： 108.

69 丁京鞍，趙繼男，賈琨，等. JJG 1036—2022《電子天平檢定規(guī)程》解讀［J］.中國計量，2023（9）： 61.
DING Jing′an，ZHAO Jinan，JIA Kun，et al. Interpretation of JJG 1036—2022 "Verification Regulations for Electronic Balance"［J］. China Metrology，2023（9）： 61

 

 

 

 

本文由廣州佳譽(yù)醫(yī)療器械有限公司/佛山浩揚(yáng)醫(yī)療器械有限公司聯(lián)合編輯