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(cè)物體的表面，使被測(cè)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(cè)材料表面會(huì)有幾微克的物質(zhì)噴射出來，同時(shí)材料表面還會(huì)產(chǎn)生壽命很短但亮度很高的等離子體，其瞬間溫度可達(dá)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(shí)不同元素會(huì)發(fā)射出其特定波長(zhǎng)的光，在光譜圖中可以直接觀測(cè)到代表各元素波長(zhǎng)的峰，從而揭示了樣品的組成。

圖1：(A)本實(shí)驗(yàn)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(cè)量樣品：沿徑向橫截面測(cè)量 (C)：松質(zhì)骨樣本：在球關(guān)節(jié)處測(cè)量

骨樣品測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（圖2）中使用一分二光纖，一端對(duì)準(zhǔn)激光光源，另一端同時(shí)連接2臺(tái)Avantes全新迷你型光譜儀：AvaSpec-NXS2048CL，其中一臺(tái)覆蓋波長(zhǎng)范圍為190-430 nm，另一臺(tái)覆蓋波長(zhǎng)范圍為360-960 nm。中間放置一個(gè)控制器，為激光器供電并同步激光脈沖和光譜儀測(cè)量。

本次實(shí)驗(yàn)，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(cè)量密質(zhì)骨樣品和松質(zhì)骨樣品，這是LIBS測(cè)量的常用模式，將積分時(shí)間設(shè)為10ms，平均次數(shù)設(shè)為1。

實(shí)驗(yàn)所得光譜圖如下圖所示

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(zhǎng)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(duì)應(yīng)骨骼的主要成分磷酸鈣。除了氫和氧，碳和氮峰對(duì)應(yīng)骨骼中的膠原蛋白。鎂和鉀峰對(duì)應(yīng)骨骼生長(zhǎng)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(qiáng)度都較低。

對(duì)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(qiáng)的鈣元素峰（強(qiáng)度值：21398）明顯強(qiáng)于最強(qiáng)的磷元素峰(強(qiáng)度值：6865)。而在松質(zhì)骨樣品中，鈣元素峰（強(qiáng)度值：3052）與磷元素峰（強(qiáng)度值：3050）強(qiáng)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(shí)驗(yàn)使用了Avantes的光譜儀利用LIBS測(cè)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。