基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的中藥材檢測(cè)研究

緒論1.1研究背景和意義隨著科技的不斷發(fā)展，人們對(duì)中藥材的檢測(cè)和質(zhì)量控制要求越來(lái)越高傳統(tǒng)的中藥材檢測(cè)方法存在一些問(wèn)題，如試劑成本高、操作繁瑣、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)等。而激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(Laser-InducedBreakdownSpectroscopy,LIBS）由于其非破壞性、快速精準(zhǔn)等特點(diǎn)，在材料分析和檢測(cè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。通過(guò)近幾年的研究發(fā)展,LIBS技術(shù)越來(lái)越成熟,同時(shí)也成為了一個(gè)研究熱點(diǎn),重點(diǎn)研究轉(zhuǎn)向了如何提高靈敏度和精確度，如何減少或消除基體效應(yīng)等REF_Ref9268\r\h[1]。近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者將LIBS技術(shù)應(yīng)用于中藥材檢測(cè)中，為中藥材的質(zhì)量控制提供了一種新的手段。中藥材是應(yīng)用廣泛的一種中藥形式，具有多種藥理作用。然而，由于中藥材的藥材來(lái)源廣泛和生長(zhǎng)環(huán)境的不同，在品質(zhì)上存在很大起伏，同時(shí)還存在可能受到外界污染的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)于中藥材的質(zhì)量檢測(cè)具有非常重要的意義。激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)是一種在最近幾年發(fā)展起來(lái)的無(wú)創(chuàng)傷檢測(cè)技術(shù)，它具有高精度、高靈敏度、不需要或者很少的樣品處理等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被用于多個(gè)領(lǐng)域的材料表征和檢測(cè)中。因此，將激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)應(yīng)用到中藥材的檢測(cè)中，可以提高中藥材檢測(cè)的準(zhǔn)確度和效率，減少對(duì)樣品的損傷和污染。中藥在臨床上用于多種疾病的治療。它的主要原料是自然植物，礦物，動(dòng)物，還有一些生物，化學(xué)物質(zhì)。中國(guó)人在中醫(yī)藥領(lǐng)域的研究已有數(shù)千年的歷史。最近幾年，由于中藥在醫(yī)藥領(lǐng)域的需求量越來(lái)越大，中藥也逐漸成為了國(guó)內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn)REF_Ref25288\r\h[2]REF_Ref25304\r\h[3]。然而，隨著近幾年現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和分析技術(shù)的飛速發(fā)展，人們逐漸意識(shí)到，在人體中，存在著大量的微量元素，它們不僅對(duì)人體的正常發(fā)育起著重要的作用，而且還會(huì)對(duì)其他的生命活動(dòng)產(chǎn)生很大的影響。在不同的地區(qū)，由于氣候、水質(zhì)、土壤等因素的差異，其所產(chǎn)的中藥中的元素含量也有很大的差別，另外，受“三廢”、機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣、城市生活垃圾和農(nóng)藥化肥等重金屬的影響，有些地方的中藥中的重金屬含量已經(jīng)超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)，這也成為了影響我國(guó)中藥出口的一個(gè)重要因素REF_Ref25408\r\h[4]。因此，發(fā)展一種能夠?qū)χ兴幖爸破分形⒘吭剡M(jìn)行精確測(cè)定，并對(duì)其質(zhì)量安全進(jìn)行評(píng)價(jià)的快速方法具有重要意義。1.2LIBS技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀LIBS技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)將近六十年了。早在二十世紀(jì)60年代,Brech和Cross就已經(jīng)成功研發(fā)出了世界上最早的紅寶石激光器，并將其應(yīng)用到了LIBS技術(shù)的研究中。兩年后，對(duì)激光誘導(dǎo)擊穿譜進(jìn)行了研究。七十年代初期，隨著調(diào)Q激光的問(wèn)世，激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的發(fā)展速度大大加快，并在生物醫(yī)學(xué)、鋼材等方面得到了廣泛的應(yīng)用。自八十年代以來(lái)，伴隨著LIBS技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出了雙脈沖LIBS，中階躍光譜以及CCD檢測(cè)器。1999年，A.CIUCCI和M.CORSI等人提出了一種以自由定標(biāo)法為基礎(chǔ)的LIBS技術(shù)（CF-LIBS）REF_Ref25448\r\h[5],雖然CF-LIBS的定量準(zhǔn)確率仍然很高，而且還必須對(duì)其影響因素展開(kāi)進(jìn)一步的討論，但是，CF-LIBS也克服了其它技術(shù)和方法在樣本處理過(guò)程中所面臨的某些問(wèn)題，因此，CF-LIBS有著很好的發(fā)展?jié)摿?。不僅使LIBS的測(cè)定準(zhǔn)確度得到了進(jìn)一步的提高，也使其應(yīng)用范圍得到了進(jìn)一步的拓展，此方法不用事先畫(huà)出標(biāo)準(zhǔn)曲線，所以對(duì)于某些因基質(zhì)復(fù)雜而不能制備標(biāo)準(zhǔn)試樣的物質(zhì)，這種方法有極大的優(yōu)越性。CF-LIBS可以有效地克服基體效應(yīng)，利用CF-LIBS方法可以直接檢測(cè)待測(cè)樣品的成分及成分含量，并在NIST數(shù)據(jù)庫(kù)中查到計(jì)算過(guò)程中的參數(shù)REF_Ref103353987\r\h[6]，進(jìn)行定量計(jì)算。在二十一世紀(jì)初期，集成的LIBS設(shè)備的出現(xiàn)，加速了將激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)用于工業(yè)，并首次用于煤炭行業(yè)。同一年，NASA對(duì)LIBS技術(shù)進(jìn)行了論證，并將其正式列入了200年的火星探測(cè)任務(wù)中REF_Ref25510\r\h[7]。激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）技術(shù)在中藥材中的應(yīng)用還處于起步階段，國(guó)際上很少有將激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）技術(shù)應(yīng)用到中藥材中進(jìn)行定性定量的研究，我國(guó)在這一領(lǐng)域的科研人員也很少，雖然取得了一定的進(jìn)展，但是離其商業(yè)化的儀器形態(tài)還差得很遠(yuǎn)。國(guó)外學(xué)者主要關(guān)注LIBS技術(shù)在中藥材成分檢測(cè)、真?zhèn)舞b定等方面的應(yīng)用；國(guó)內(nèi)學(xué)者則更注重LIBS技術(shù)在中藥材中金屬元素、有機(jī)成分等的定量檢測(cè)和鑒別方面的研究。大連理工大學(xué)的丁洪斌等人研究了激光產(chǎn)生的等離子體動(dòng)力學(xué);上海交通大學(xué)的俞進(jìn)等人對(duì)潤(rùn)滑油中的LIBS技術(shù)及其元素檢測(cè)性能進(jìn)行了研究;清華華南科技大學(xué)陸繼東教授等將激光誘導(dǎo)擊穿光譜法用于煤質(zhì)的分析；中國(guó)海洋大學(xué)的鄭榮兒等人關(guān)于LIBS在水體中檢測(cè)重金屬的應(yīng)用?？偠灾?，LIBS技術(shù)的應(yīng)用范圍很廣，不僅可以用于化學(xué)分析、質(zhì)量檢測(cè)、污染監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，還能夠在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮獨(dú)特的作用。這一技術(shù)的發(fā)展前景非常廣闊，未來(lái)值得進(jìn)一步探究和研究。?中藥材是中國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于疾病的治療和健康的保健。中藥材富含人體所需的多種元素，因此對(duì)中藥材的種類、真?zhèn)巍a(chǎn)地展開(kāi)鑒別具有重要的意義。為了保證中藥材的質(zhì)量和安全性，需要進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)和分析。

LIBS技術(shù)是一種新興的光譜分析技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)中藥材的定性與定量分析研究。采用主成分分析法、判別函數(shù)分析法、聚類分析方法可以對(duì)中藥材的產(chǎn)地進(jìn)行判別分析，從而確保中藥材的質(zhì)量和安全性。同時(shí)，LIBS技術(shù)可以檢測(cè)中藥材中的元素含量，如炒澤瀉中Mg、P、Ca、Mn、Fe等9種元素相對(duì)于C的含量，為中藥材的分析提供了新的方法。除此之外，LIBS技術(shù)還可以用于檢測(cè)中藥材中的重金屬污染情況，其檢測(cè)結(jié)果可行。這對(duì)于中藥材的質(zhì)量和安全性的保障具有重要的意義。同時(shí)，由于LIBS技術(shù)具有非接觸、無(wú)損、快速、高靈敏度和高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，可以在保證中藥材質(zhì)量和安全的同時(shí)，提高工作效率和減少檢測(cè)成本。研究人員一直在探索使用激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）來(lái)分析中藥材中的重金屬元素。王金梅及其同事使用LIBS測(cè)量了川芎中的銅（Cu）和鉛（Pb）的含量。他們發(fā)現(xiàn)Cu的檢測(cè)限是15.7微克/克，Pb的檢測(cè)限是6.3微克/克。該小組還使用多元線性回歸法定量分析了川芎中的Cu和Pb，實(shí)驗(yàn)表明，這種方法適合于分析中藥材中的重金屬元素。在另一項(xiàng)研究中，鄭培超及其同事利用LIBS光譜法收集了來(lái)自杜甫、丹參和川芎不同產(chǎn)區(qū)的數(shù)據(jù)。他們使用主成分分析（PCA）結(jié)合線性判別分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）方法來(lái)分析和識(shí)別這三種藥材的產(chǎn)區(qū)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)杜仲、黨參和川芎的產(chǎn)區(qū)識(shí)別率分別為99.89%、95.83%和99.85%，表明LIBS技術(shù)結(jié)合PCA和ANN算法可以有效識(shí)別中藥材的產(chǎn)區(qū)。李曉娟及其同事還利用LIBS技術(shù)，采用單脈沖和雙脈沖激光誘導(dǎo)光譜技術(shù)分析了青海的Cu元素。實(shí)驗(yàn)表明，雙脈沖技術(shù)更適用于定量分析清浩中的元素。?總的來(lái)說(shuō)，這些研究表明LIBS光譜技術(shù)有潛力作為分析重金屬元素和識(shí)別中藥材產(chǎn)區(qū)的工具。需要進(jìn)一步的研究來(lái)探索這項(xiàng)技術(shù)在傳統(tǒng)中藥領(lǐng)域的全部潛力。LIBS技術(shù)在中藥材的分析檢測(cè)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，可以為保證中藥材的質(zhì)量和安全性提供新的方法和手段。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，LIBS技術(shù)將在中藥材的分析檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。1.3本文主要研究?jī)?nèi)容本文是基于LIBS技術(shù)對(duì)中藥材的檢測(cè)研究。由四個(gè)章節(jié)構(gòu)成，主要分析內(nèi)容與結(jié)構(gòu)如下：第一章是導(dǎo)論部分，主要闡述了本課題的研究背景、研究意義，簡(jiǎn)要地介紹了LIBS技術(shù)的起源與發(fā)展，并對(duì)當(dāng)前國(guó)際上LIBS技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。第二章主要介紹了該方法的基本原理，并給出了該方法的實(shí)驗(yàn)裝置。首先介紹了激光誘發(fā)擊穿光譜法的基本原理，接著介紹了該光譜法的設(shè)備是由什么構(gòu)成的，并介紹了各個(gè)設(shè)備的功能。第三章利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)對(duì)所選擇的中藥材進(jìn)行了檢測(cè)，并結(jié)合NIST數(shù)據(jù)庫(kù)推斷出各中藥材所含元素,并將它們的特殊譜線進(jìn)行對(duì)比分析。第四章對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)并對(duì)LIBS技術(shù)在中藥材領(lǐng)域的應(yīng)用作了簡(jiǎn)單的展望。2LIBS理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)2.1LIBS技術(shù)原理激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)（LIBS）是美國(guó)阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的大衛(wèi)·克雷默團(tuán)隊(duì)于1962年首次發(fā)明并研制成功的一種以激光等離子體為基礎(chǔ)的原子發(fā)射光譜技術(shù)REF_Ref25598\r\h[8]。隨著光譜化技術(shù)的發(fā)展，激光誘導(dǎo)擊穿光譜法在許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。等離子體的產(chǎn)生，主要是建立在在高溫系統(tǒng)中，粒子之間的相互碰撞上，在等離子體中，在激發(fā)態(tài)的粒子向低能尺度或基態(tài)躍遷時(shí)，會(huì)以光子流動(dòng)的形式，發(fā)射出特征光譜。激光誘導(dǎo)等離子體輻射光譜主要是產(chǎn)生于分立能量尺度區(qū)的電子躍遷現(xiàn)象,在等離子體產(chǎn)生初期就可以發(fā)射出很強(qiáng)烈的連續(xù)背景光譜REF_Ref10221\r\h[9]。等離子體是一種高溫、高電離狀態(tài)下的物質(zhì)形態(tài)，它在自然界和實(shí)驗(yàn)室中都有廣泛的應(yīng)用。初期等離子體的形成會(huì)構(gòu)成連續(xù)背景光譜，內(nèi)部處于高溫和高電離狀態(tài)。這種光譜是由復(fù)合輻射和韌致輻射形成的，是等離子體內(nèi)的本底頻譜。然而，連續(xù)背景輻射只存在于等離子體形成的初級(jí)階段，隨著時(shí)間的推移，它的強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱。這是因?yàn)榈入x子體內(nèi)的電子會(huì)逐漸被加速并躍遷到更高的能級(jí)，形成分立譜線，而不是連續(xù)背景光譜。在等離子體膨脹過(guò)程中，連續(xù)背景射線的光譜強(qiáng)度會(huì)逐步保持穩(wěn)定，特征光譜中以分立譜線占主導(dǎo)地位。這是因?yàn)殡S著等離子體不斷膨脹，其密度和溫度會(huì)逐漸降低，電子會(huì)逐漸冷卻并躍遷到更低的能級(jí)，形成分立譜線。這些分立譜線是特征光譜，可以用來(lái)確定等離子體的成分和溫度。總之，等離子體的光譜變化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，在不同的階段會(huì)有不同的特征。了解等離子體的光譜變化對(duì)于研究等離子體物理和應(yīng)用具有重要意義。如下圖2-1是研究了等離子體中階躍遷能級(jí)的變化。圖2-1激光等離子體中原子、離子的躍遷示意圖LIBS技術(shù)的工作原理REF_Ref25679\r\h[10]是：采用了一種新型的高功率、高功率、低功率的高功率激光，通過(guò)聚焦鏡頭將其聚焦，再將其照射到試樣上，得到激光等離子體；我們可以通過(guò)譜線的波長(zhǎng)，在NIST的資料庫(kù)中找到與之相匹配的譜線，并將其與之相關(guān)的光譜圖，與之相匹配，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品中各種成分的定性與定量分析。激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)是一種光譜分析技術(shù)，該技術(shù)的基礎(chǔ)是由于分子、原子的能量水平不同，所產(chǎn)生的光譜譜線也不同，原子、分子的光譜都有特定的指紋特征，因此，通過(guò)分析和鑒別譜線的波長(zhǎng)，可以對(duì)樣品組成進(jìn)行定性和定量分析REF_Ref25709\r\h[11]。激光誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體的過(guò)程非常復(fù)雜REF_Ref103354215\r\h[12]，描述并處理等離子體的原子、離子光譜更是一項(xiàng)繁雜的工作。2.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)2.2.1中藥材樣品本次實(shí)驗(yàn)選取了杜仲、白術(shù)、防己、山藥、黃芪、當(dāng)歸六種中藥材作為實(shí)驗(yàn)分析對(duì)象，下面為實(shí)物圖。圖2-2中藥材樣品實(shí)物圖它們所含有的元素種類如下表：表2-1中藥材樣品主要元素中藥種類元素種類杜仲C、H、O、N、K、Ca、Mg、Na、Fe白術(shù)C、H、O、N、K、Ca、Mg、Na、Fe、Si防己C、H、O、N、K、Ca、Mg、Na、Fe、Si山藥C、H、O、N、K、Ca、Mg、Na、Fe黃芪C、H、O、N、K、Ca、Mg、Na、Fe、當(dāng)歸C、H、O、N、K、Ca、Mg、Na、Fe、Si2.2.2實(shí)驗(yàn)裝置原理圖2-3是由激光器、光譜儀、光收集器、電腦、光學(xué)系統(tǒng)、樣品臺(tái)置等構(gòu)成的LIBS試驗(yàn)系統(tǒng)的原理圖。在使用系統(tǒng)的時(shí)候，首先，將激光焦點(diǎn)與靶材表面的位置關(guān)系調(diào)整好，最后設(shè)定激光的能量，激光通過(guò)光路集中到被測(cè)物體的表面，使被測(cè)物體被燒蝕，得到等離子體的光譜;由一個(gè)延遲裝置發(fā)出的一個(gè)觸發(fā)信號(hào)來(lái)啟動(dòng)光譜儀，將該光譜采集到的光譜儀中，然后由計(jì)算機(jī)的光譜儀采集到該光譜儀中的光譜。 圖2-3LIBS裝置示意圖2.2.3激光器本次研究所使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為鐳寶光電子科技有限公司生產(chǎn)的Nd:YAG型Dawa-300固態(tài)激光器REF_Ref25787\r\h[13]，它是一種高功率激光器，適用于多種應(yīng)用領(lǐng)域，比如工業(yè)加工、醫(yī)療器械、科學(xué)研究等。該激光器采用Nd:YAG晶體做激活物質(zhì)，利用透過(guò)和反射兩種模式進(jìn)行工作。激光器實(shí)物圖如下圖2-4所示。圖2-4激光器設(shè)備Nd:YAG型Dawa-300固態(tài)激光器是一種高功率激光器，其具有以下特點(diǎn)：1.光束質(zhì)量好，輸出穩(wěn)定：采用高品質(zhì)光束轉(zhuǎn)換器，輸出光束質(zhì)量好，光斑穩(wěn)定，光束衍射角小。2.高功率輸出：最大輸出功率可達(dá)300W，能夠滿足大部分材料加工需求。3.長(zhǎng)壽命：采用高品質(zhì)的光學(xué)元件和封裝技術(shù)，保證激光器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和壽命。4.易于維護(hù)：模塊化設(shè)計(jì)使維護(hù)和更換零部件變得簡(jiǎn)單和快捷，降低了成本。5.具有全數(shù)字化控制系統(tǒng)：可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)化的操作和數(shù)據(jù)傳輸，提高了生產(chǎn)效率和精確度?？傊?，Dawa300型NdYAG固體激光器是一款高性能的激光器，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域，是一種可靠、穩(wěn)定、高效的激光加工設(shè)備。激光器參數(shù)如下表所示。表2-2Nd:YAG固體激光器參數(shù)性能參數(shù)輸出波長(zhǎng)1064nm輸出能量300mJ重復(fù)頻率1-10Hz脈沖寬度<7ns光束發(fā)散角1mrad光斑直徑7mm能量穩(wěn)定性1%下圖2-5為Dawa-300Nd:YAG激光器的控制面板，可以設(shè)置輸出電壓和頻率等參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)輸出電壓設(shè)置為680V，頻率設(shè)置為1Hz，也就是圖中的10/10。圖2-5激光器控制面板2.2.4光譜儀本次研究所采用的實(shí)驗(yàn)裝置是AVANTES光譜儀REF_Ref25833\r\h[14]，它能夠以很高的速度對(duì)光譜進(jìn)行測(cè)量和分析，從而可用于光譜分析、色譜分析、質(zhì)譜分析、光學(xué)顯微鏡、生物醫(yī)學(xué)、天文學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域。本產(chǎn)品有多款規(guī)格可供選擇，可滿足不同的應(yīng)用要求。它的主要特點(diǎn)包括：波長(zhǎng)可調(diào)、多元素測(cè)試、快速數(shù)據(jù)輸出、高性能穩(wěn)定性、易于操作等。它能夠用USB接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，同時(shí)還能夠?qū)Ω鞣N軟件程序和操作系統(tǒng)進(jìn)行支持，為用戶提供了豐富的數(shù)據(jù)分析和處理功能。其實(shí)物圖如下圖2-6所示。圖2-6光譜儀設(shè)備其通道名稱對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)檢測(cè)范圍如下表所示：表2-2光譜儀通道參數(shù)通道名稱波長(zhǎng)檢測(cè)范圍1907309U3200-315nm1907310U3312-418nm1907311U3417-500nm2012330U3497-603nm2012331U2600-704nm2012332U3702-896nm 2.2.5光學(xué)系統(tǒng)包括反射鏡、聚焦透鏡、光纖和光收集器。光收集器構(gòu)成光纖探頭，以保證全部的光譜波段被收集并聚焦耦合到光纖內(nèi)并傳輸?shù)诫娔X內(nèi)REF_Ref25866\r\h[15]。實(shí)物圖如下圖2-7。圖2-7光學(xué)系統(tǒng)實(shí)物圖3LIBS技術(shù)對(duì)中藥材元素實(shí)驗(yàn)分析3.1中藥材LIBS技術(shù)特殊譜線分析在激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)中，待測(cè)物質(zhì)往往是多個(gè)元素組成，其譜圖較為復(fù)雜，往往有數(shù)十條甚至數(shù)百條的原子離子譜線。在LIBS分析過(guò)程中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品中各種元素的定性、定量，必須先對(duì)譜線進(jìn)行鑒別，這是LIBS分析的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。然而，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)測(cè)定過(guò)程中，譜線極易發(fā)生自吸性、自蝕性和鄰近譜線間相互干涉等問(wèn)題。因?yàn)樽V線的形狀對(duì)我們從譜線中提取出的信息有直接的影響，所以在篩選譜線時(shí)一般應(yīng)遵守如下原則REF_Ref25911\r\h[16]：(1)更分散的譜線相互不干擾;(2)譜線無(wú)顯著的自吸性和自蝕性;(3)譜線通常是一條無(wú)共振的線；(4)譜線大致是軸對(duì)稱的線形。實(shí)驗(yàn)時(shí)首先，激光器產(chǎn)生一束高能激光，通過(guò)聚焦鏡頭，將其聚焦在樣品表面，形成激光等離子體；同時(shí)，通過(guò)時(shí)序控制，使其在樣品的三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，使每一束激光都能到達(dá)一個(gè)新的位置，以保證其穩(wěn)定性；在通過(guò)光譜儀對(duì)其進(jìn)行分光，然后通過(guò)時(shí)序控制，啟動(dòng)探測(cè)器對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和記錄，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)LIBS光譜的測(cè)量和數(shù)據(jù)收集REF_Ref25944\r\h[17]。白術(shù)主要含有淀粉、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)等多種元素，其中的淀粉類物質(zhì)可以起到促進(jìn)腸胃蠕動(dòng)、增加食欲等作用，還可以調(diào)節(jié)身體能量代謝，增強(qiáng)體力，減輕疲勞等。此外，白術(shù)還含有揮發(fā)油和苦味酸類等成分，對(duì)于調(diào)節(jié)腸道菌群、增強(qiáng)免疫力等方面也有一定的作用?？傮w來(lái)說(shuō)，白術(shù)具有補(bǔ)氣養(yǎng)血、健脾開(kāi)胃、利濕消腫、益腎固精等功效，對(duì)于調(diào)節(jié)身體機(jī)能、增強(qiáng)體質(zhì)、預(yù)防疾病具有一定的幫助。如圖所示為通過(guò)Origin數(shù)據(jù)分析軟件REF_Ref25980\r\h[18]得到的白術(shù)樣品的元素特征光譜圖，此光譜圖是在680V激光器電壓和1Hz頻率的條件下得到的，每個(gè)波段光譜圖如下圖3-1、3-2、3-3所示：圖3-1白術(shù)200-500nm光譜圖圖3-2白術(shù)500-700nm光譜圖圖3-3白術(shù)700-900nm光譜圖根據(jù)所測(cè)得的光譜圖查閱NIST數(shù)據(jù)庫(kù)，白術(shù)中除了含有有機(jī)元素C、H、O、N之外，還有K、Na、Ca、Mg、Fe、Si等無(wú)機(jī)元素，與前面所查資料相符。當(dāng)歸主要含有揮發(fā)油、醛、羥基香豆素類化合物、有機(jī)酸、多糖REF_Ref26019\r\h[19]等成分。其中羥基香豆素類化合物則具有補(bǔ)血、活血、調(diào)經(jīng)、養(yǎng)肝等功效，多糖含有增強(qiáng)免疫力的作用。當(dāng)歸主要用于補(bǔ)血、活血、調(diào)經(jīng)、養(yǎng)肝、止痛、止血、解毒等方面的中藥治療，廣泛用于治療女性月經(jīng)不調(diào)、痛經(jīng)、產(chǎn)后虛弱等問(wèn)題，以及中、老年人貧血、慢性疲勞、肝臟疾病等。如圖所示為當(dāng)歸樣品的元素特征光譜圖，輸出電壓與頻率不變，每個(gè)波段光譜圖如下圖3-4、3-5、3-6所示：圖3-4當(dāng)歸200-500nm光譜圖圖3-5當(dāng)歸500-700nm光譜圖圖3-6當(dāng)歸700-900nm光譜圖 根據(jù)所測(cè)得的光譜圖查閱NIST數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)歸中除了含有有機(jī)元素C、H、O、N、P之外，還有K、Na、Ca、Mg、Fe、Si等無(wú)機(jī)元素，與前面所查資料相符。杜仲含有許多營(yíng)養(yǎng)成分，主要是：淀粉類物質(zhì)：可以起到促進(jìn)腸胃蠕動(dòng)、增加食欲等作用，還可以調(diào)節(jié)身體能量代謝，增強(qiáng)體力，減輕疲勞等；三萜類化合物：具有降低血脂、抗氧化、清熱解毒、抗炎癥等作用；生物堿：具有促進(jìn)血液循環(huán)、增強(qiáng)免疫力、改善消化系統(tǒng)功能等作用；礦物質(zhì)：含有豐富的鈣、鎂、錳、銅、鉀等元素，有助于維持身體健康。杜仲主要的作用包括：提高機(jī)體免疫力，減輕疲勞，延緩衰老；降低血脂，預(yù)防心腦血管疾??；緩解痛經(jīng)，改善女性生殖系統(tǒng)健康；促進(jìn)骨骼發(fā)育，預(yù)防骨質(zhì)疏松；抗菌、抗病毒、抗腫瘤等作用REF_Ref26058\r\h[20]。如圖所示杜仲樣品的元素特征光譜圖，輸出電壓與頻率不變，每個(gè)波段光譜圖如下圖3-7、3-8、3-9所示：圖3-7杜仲200-500nm光譜圖圖3-8杜仲500-700nm光譜圖圖3-9杜仲700-900nm光譜圖根據(jù)所測(cè)得的光譜圖查閱NIST數(shù)據(jù)庫(kù)，杜仲中除了含有有機(jī)元素C、H、O、N之外，還有K、Na、Ca、Mg、Fe等無(wú)機(jī)元素，與前面所查資料相符。防己中含有多種成分，包括堿性化合物、萜類、酸性化合物、多糖、蛋白質(zhì)、淀粉、碳水化合物等。其中的淀粉類物質(zhì)可以起到促進(jìn)腸胃蠕動(dòng)、增加食欲等作用，還可以調(diào)節(jié)身體能量代謝，增強(qiáng)體力，減輕疲勞等。其中主要的活性成分是防己堿，具有較強(qiáng)的抑菌和解熱作用。此外，防己還含有多糖類物質(zhì)，具有抗腫瘤和免疫調(diào)節(jié)等作用。防己還含有維生素和礦物質(zhì)，比如維生素C、鎂、鐵等，對(duì)于調(diào)節(jié)身體機(jī)能、增強(qiáng)體質(zhì)、預(yù)防疾病具有一定的幫助。如圖所示為防己樣品的元素特征光譜圖，輸出電壓與頻率不變，每個(gè)波段光譜圖如下圖3-10、3-11、3-12所示：圖3-10防己200-500nm光譜圖圖3-11防己500-700nm光譜圖圖3-12防己700-900nm光譜圖根據(jù)所測(cè)得的光譜圖查閱NIST數(shù)據(jù)庫(kù)，防己中除了含有有機(jī)元素C、H、O、N之外，還有K、Na、Ca、Mg、Si、Fe等無(wú)機(jī)元素，與前面所查資料相符。黃芪含有多種營(yíng)養(yǎng)元素和活性成分，其主要功效：改善免疫系統(tǒng)，黃芪富含多種氨基酸、多糖、黃酮類和皂苷類化合物，這些化合物具有提升免疫系統(tǒng)的功能，可以刺激淋巴細(xì)胞的活性，增強(qiáng)身體的抗病能力；保護(hù)心血管，黃芪富含Saponins類皂苷，具有一定的降脂、調(diào)節(jié)血壓和預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化等作用；促進(jìn)排毒，黃芪中的草酸等化合物可以促進(jìn)尿液排泄，減少體內(nèi)毒素的積累REF_Ref26127\r\h[21]。總之，黃芪是一種具有多種功效的中草藥，可以幫助人們改善身體健康、增強(qiáng)免疫力、預(yù)防疾病。但是需要注意，由于黃芪也會(huì)產(chǎn)生不良反應(yīng)，如過(guò)敏、食欲下降、腹瀉和頭暈等，因此在使用時(shí)需要遵循醫(yī)囑，嚴(yán)格控制使用劑量。如圖所示為黃芪樣品的元素特征光譜圖，輸出電壓與頻率不變，每個(gè)波段光譜圖如下圖3-13、3-14、3-15所示：圖3-13黃芪200-500nm光譜圖圖3-14黃芪500-700nm光譜圖圖3-15黃芪700-900nm光譜圖根據(jù)所測(cè)得的光譜圖查閱NIST數(shù)據(jù)庫(kù)黃芪中除了含有有機(jī)元素C、H、O、N之外，還有K、Na、Ca、Mg、Fe等無(wú)機(jī)元素，與前面所查資料相符。 山藥含有多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和活性成分，具有很多作用，主要包括以下：碳水化合物，山藥中的淀粉質(zhì)是人體必需的能量來(lái)源，有助于增加人體體力和代謝能力。維生素，山藥中富含維生素B1、B2、B6、E等營(yíng)養(yǎng)素，對(duì)于人體的新陳代謝、生理功能和免疫系統(tǒng)有著重要的促進(jìn)作用。礦物質(zhì)，山藥也含有豐富的礦物質(zhì)，如鈣、鎂、鐵等，能夠增強(qiáng)人體骨骼、血液、心血管和神經(jīng)系統(tǒng)的功能，防止貧血和骨質(zhì)疏松等病癥。纖維素，山藥中的膳食纖維對(duì)于腸胃健康和消化功能有幫助，可以促進(jìn)排便、降低膽固醇和血糖水平。卵磷脂，山藥中的卵磷脂能夠改善神經(jīng)系統(tǒng)功能、提高人體免疫力和心血管功能，對(duì)預(yù)防癌癥和其他疾病也有一定作用REF_Ref26179\n\h[22]。總體而言，山藥有助于增強(qiáng)人體健康和免疫力，可以促進(jìn)長(zhǎng)期體力和健康的維持。如圖所示為山藥樣品的元素特征光譜圖，輸出電壓與頻率不變，每個(gè)波段光譜圖如下圖3-16、3-17、3-18所示：圖3-16山藥200-500nm光譜圖圖3-17山藥500-700nm光譜圖圖3-18山藥700-900nm光譜圖根據(jù)所測(cè)得的光譜圖查閱NIST數(shù)據(jù)庫(kù)黃芪中除了含有有機(jī)元素C、H、O、N之外，還有K、Na、Ca、Mg等無(wú)機(jī)元素。3.2不同中藥材特殊譜線對(duì)比由于這白術(shù)、當(dāng)歸、杜仲、防己、黃芪、山藥都是天然植物類中藥材，它們通常是由野生或栽培的植物所提取的，沒(méi)有經(jīng)過(guò)化學(xué)合成或基因改造，所以它們的主要元素種極其相似。但是，它們同一波長(zhǎng)的光譜強(qiáng)度卻不相同。以H元素652.27nm波長(zhǎng)的光譜強(qiáng)度為例來(lái)比較，如下圖3-19所示，H元素的光譜強(qiáng)度由強(qiáng)到弱為：山藥、當(dāng)歸、白術(shù)、防己、黃芪、杜仲。圖3-19各中藥材H元素652.27nm光譜強(qiáng)度圖以K元素766.48nm波長(zhǎng)的光譜強(qiáng)度為例來(lái)比較，如下圖3-20所示，K元素的光譜強(qiáng)度由強(qiáng)到弱為：白術(shù)、防己、當(dāng)歸、山藥、杜仲、黃芪。其中白術(shù)、防己、當(dāng)歸與山藥相差不大。圖3-20各中藥材K元素766.48nm光譜強(qiáng)度圖以O(shè)元素777.19nm波長(zhǎng)的光譜強(qiáng)度為例來(lái)比較，如下圖3-21所示，O元素的光譜強(qiáng)度由強(qiáng)到弱為：山藥、當(dāng)歸、白術(shù)、防己、黃芪、杜仲。其中山藥與當(dāng)歸相差不大，防己與黃芪相差不大。圖3-21各中藥材O元素777.19nm光譜強(qiáng)度圖以Ca元素396.85nm波長(zhǎng)的光譜強(qiáng)度為例來(lái)比較，如下圖3-22所示，Ca元素的光譜強(qiáng)度由強(qiáng)到弱為：防己、杜仲、山藥、白術(shù)、當(dāng)歸、黃芪。其中防己與杜仲相差不大，白術(shù)與山藥相差不大，當(dāng)歸與黃芪相差不大。圖3-22各中藥材Ca元素396.85nm光譜強(qiáng)度圖4總結(jié)與展望4.1總結(jié)本文基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)，對(duì)中藥材進(jìn)行了檢測(cè)研究。通過(guò)對(duì)激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)中藥材的質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)估。中藥是中國(guó)古代先民探索人體保健、治療疾病的一項(xiàng)重要實(shí)踐，在全國(guó)以至世界衛(wèi)生事業(yè)中均有卓越的貢獻(xiàn)。具體開(kāi)展了以下工作:我們對(duì)激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的原理、特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析和總結(jié)，同時(shí)討論了該技術(shù)在中藥材檢測(cè)上的應(yīng)用。我們通過(guò)對(duì)山藥、防己、黃芪、杜仲、白術(shù)、當(dāng)歸六種藥材的檢測(cè)，證明了激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的可靠性和高效性通過(guò)檢測(cè)激光誘導(dǎo)擊穿光譜，我們可以確定中藥材的元素組成，檢測(cè)并對(duì)照數(shù)據(jù)庫(kù)查查出的元素也與資料相符。4.2展望自從LIBS技術(shù)被引入到中藥材檢測(cè)領(lǐng)域以來(lái)，其應(yīng)用效果已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)可。LIBS技術(shù)可以通過(guò)對(duì)中藥材樣品進(jìn)行激光激發(fā)，并在其產(chǎn)生的電弧中檢測(cè)出元素分布情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)中藥材中元素成分的分析和檢測(cè)。近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始在這一領(lǐng)域開(kāi)展研究工作，以期發(fā)掘更多的應(yīng)用場(chǎng)景。盡管激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)在中藥材檢測(cè)方面取得了不錯(cuò)的成果，但仍然存在一些局限性和挑戰(zhàn)。因此，我們需要繼續(xù)深入研究，以解決以下問(wèn)題：首先，需要進(jìn)一步提高檢測(cè)技術(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性。雖然激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)可以提供一定的分析結(jié)果，但不能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，我們需要不斷進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，以提高其準(zhǔn)確性和可靠性。其次，需要擴(kuò)大中藥材的適用范圍。當(dāng)前，激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)在檢測(cè)一些種類的中藥材上還存在一定的困難。因此，我們需要進(jìn)一步研究改進(jìn)技術(shù)，拓展其應(yīng)用范圍。最后，需要加強(qiáng)對(duì)激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。在目前的研究中，激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的應(yīng)用還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的程序，這也限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。因此，我們需要加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的工作，使其成為一種公認(rèn)的檢測(cè)技術(shù)?？傊?，激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)在中藥材檢測(cè)上具有很好的發(fā)展前景。通過(guò)解決其局限性和挑戰(zhàn)，我們可以不斷提高該技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，更好地滿足中藥材行業(yè)的需求。參考文獻(xiàn)彭秋梅.激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的發(fā)展[J].山海經(jīng),2015(10):84-86.JShi,

BCao,

XWWang,

JYAa,

JA.Duan,

XXZhu,

GJWang,

CXLiu,

Metabolomics

and

its

application

to

the

evaluation

of

the

efficacyandtoxicity

of

traditional

chinese

herb

medicines,

[J].

ChromatogrB,2016,1026:

204-208.KChan,

Chinese

medicinal

materials

and

their

interface

withwestern

medicalconcepts,

[J].Ethnopharmacol,2015,96

:1-2.R.Subramanian,

S.Gayathri,

C.Rathnavel,

V.Raj,

Analysis

of

mineral

andheavy

metals

in

some

medicinal

plants

collected

from

local

market,[J].Asian

Pac

Trop

Biomed,

2012,2:57.A.Ciucci,

M.Corsi,

V.Palleschi,

S.Rastelli,

A.Salvetti,E.Tognoni,

NewProcedure

for

Quantitative

Elemental

Analysis

byLaser-Induced

PlasmaSpectroscopy[J].

Appl.

Spectrosc.

1999,53:

960.張培義.基于AspenPlus自帶數(shù)據(jù)庫(kù)和NIST數(shù)據(jù)庫(kù)的精餾模擬研究[J].山東化工,2020,49(10):172-175.S.