LIBS技术测量骨骼的光谱
PART01 实验背景
人体整个骨骼系统主要分为两类：密质骨和松质骨，密质骨约占全部骨骼的75%，耐压性较大，位于骨的表面。松质骨约占25%，呈海绵状，由相互交织的骨小梁排列而成，能承受较大的重量，位于于骨的内部。这两类骨的结构和功能不同，但成分却几乎相同，主要由磷酸钙、胶原蛋白、水和一些微量元素组成，而两者的主要区别在于钙的含量，其中松质骨的钙含量较低。 本次实验使用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术测量两种骨样品：对比测量结果得到的元素峰与骨样品元素峰，以此区分密质骨和松质骨。
PART02 激光诱导击穿光谱（LIBS） 激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种原子发射光谱，它使用脉冲激光器作为激发源。激光脉冲聚焦到被测物体的表面，使被测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，被测材料表面会有几微克的物质喷射出来，同时材料表面还会产生寿命很短但亮度很高的等离子体，其瞬间温度可达10,000 摄氏度 。冷却过程中，处于激发态的原子和离子从高能态跃迁至低能态，此时不同元素会发射出其特定波长的光，在光谱图中可以直接观测到代表各元素波长的峰，从而揭示了样品的组成。
PART03 实验系统 图1：(A)本实验所用的骨样品：宠物店售卖的火腿骨样品，将其锯成两块。(B)：密质骨测量样品：沿径向横截面测量 (C)：松质骨样本：在球关节处测量 图1：实验用骨样品 骨样品测量实验系统（图2）中使用一分二光纤，一端对准激光光源，另一端同时连接2台Avantes全新迷你型光谱仪：AvaSpec-PCT2048CL，其中一台覆盖波长范围为190-430 nm，另一台覆盖波长范围为360-960 nm。中间放置一个控制器，为激光器供电并同步激光脉冲和光谱仪测量。 图2：骨样品测量实验系统 本次实验，我们使用AvaSoft中的Scope-Minus-Dark即S-d模式（去除暗噪声模式），分别测量密质骨样品和松质骨样品，这是LIBS测量的常用模式，将积分时间设为10ms，平均次数设为1。
PART04 实验结果 实验所得光谱图如下图所示 图3：密质骨样品的LIBS光谱 图4：松质骨样品的LIBS光谱 图5：密质骨和松质骨样品的LIBS光谱对比图 密质骨样品（图3）在315.78 nm, 317.95 nm, 393.18 nm和396.75 nm处出现特征元素峰(图3)，这些波长的峰为钙元素峰。其他元素相关峰包括其他的钙峰(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)、氢峰(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)、镁峰(279.42 nm和285.10 nm)和钾峰(766.76 nm和770.33 nm)。钙、磷、氧和氢峰对应骨骼的主要成分磷酸钙。除了氢和氧，碳和氮峰对应骨骼中的胶原蛋白。镁和钾峰对应骨骼生长和发育中的微量元素。 相比之下，松质骨样本(图4)显示出与密质骨相同的特征元素峰，但强度都较低。 对比密质骨和松质骨样品，发现两者峰的大小有着显著区别 (图5)。在密质骨样品中，最强的钙元素峰（强度值：21398）明显强于最强的磷元素峰(强度值：6865)。而在松质骨样品中，钙元素峰（强度值：3052）与磷元素峰（强度值：3050）强度接近。可以得出，与密质骨相比，松质骨中的钙含量较低。 结论：本实验使用了Avantes的光谱仪利用LIBS测量技术分析了骨样品的元素组成，并通过比较钙元素峰和磷元素峰有效地区分了密质骨和松质骨。
