优化激光诱导击穿光谱空间分辨率用于生物肌体元素成像

Focusing an intense laser pulse on the surface of a sample leads to the formation of an ablation plasma with an initial temperature which can reach tens of thousands Kevin. At such high temperature, the plasma emits optical emission which is characteristic of the contained elements. The spectroscopy of the collected light therefore allows elemental analysis, qualitative as well as quantitative, of the surface of the ablated sample. This is actually the principle of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). The ability of tightly focusing the laser pulse in a spot of micrometric size confers LIBS the capacity of direct elemental analysis with high space resolution. In this project, we plan to apply this technique to biological tissues in order to realize elemental mapping of biological samples, i.e. imaging a tissue with the distribution of the contained elements and especially trace elements. More specifically, our goal is to provide solutions to the two bottleneck problems currently faced by LIBS for the targeted application: 1) the propagation of mechanical and heat waves following the absorption of laser energy leads to the ablation crater to extend outside the laser spot, thereby reducing the precision and the spatial resolution of laser ablation; 2) the low degree of atomization in ablation plume reduces the optical emission from the plume. On the basis of the experimental setup which will be developed in this project, the detailed and systematic study of the mechanism of laser ablation of biological tissues, and the use of double laser pulses to increase atomization degree in ablation plume represent our basic approaches to achieve the fixed objective. Collaboration with biologists and doctors to demonstrate elemental mapping of biological tissues will be the focus of our work in the second period of this project.

聚焦强激光脉冲到样品表面形成激光等离子体，该等离子体能发射具有其内含元素特征的光辐射，通过发射光谱的研究可对烧蚀样品表面进行定量的元素分析，这就是最近飞速发展起来的激光诱导击穿光谱（LIBS）的原理。由于激光脉冲可紧聚焦到微米量级光斑，这赋予LIBS直接元素分析以极高的空间分辨能力。在这个项目中，LIBS技术将被应用到生物医学领域以实现生物肌体表面的元素成像，即形成生物肌体内金属元素微米量级空间分辨的分布图像。我们的目标是突破目前该领域的两个瓶颈性问题：1) 由于吸收激光能量所引起的机械波和热波而导致烧蚀坑外延至激光光斑以外，而降低激光烧蚀的空间分辨率；2) 由于烧蚀物质原子化度底而导致所产生的等离子体发光效率底。在搭建实验装置的基础上，系统地研究生物肌体的激光烧蚀机理，并使用双激光脉冲来提高烧蚀物的原子化度是我们实现预期目标的基本手段。与生物学家及医生的合作是该项目执行后期的工作重点。

本项目以解决激光诱导击穿光谱（Laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS）在生物样品，如肌体切片和流体样品（血液等）的元素检测分析中所遇到的问题为背景，通过深入研究，从实验设备、样品制备及测试方法和光谱数据处理多方面来创新、改进，切实地推进LIBS在医学领域的临床应用。.项目的主要研究内容为：.搭建优化的实验装置来提高对非均匀物质的微区和表面扫描成像的检测和分析能力；.研究激光-物质相互作用机制和优化样品制备方法来提高生物流体样品进行分析的灵敏度；.研究创新的光谱处理方法来有效地提高光谱数据的信息挖掘能力，从而提高分析结果的准确性和精确性。.项目所获得的重要结果为：.自行研制了具有精密控制能力和高度自动化功能的LIBS装置，对非均匀物质进行定位精确、空间分辨率高的微区和表面扫描元素成像分析。所研制的装置已经具备了进行技术转让，进行高性能LIBS设备产业化生产的条件。.针对生物流体样品激光烧蚀效率低，LIBS信号弱的问题，研究了使用固体衬底等离子体来间接烧蚀和激发流体样品的物理过程，对不同特性的衬底物质进行了比较研究，确定了纯石墨片作为生物流体样品最佳衬底材料。.创新性地将人工智能机器学习算法应用到了LIBS光谱数据的处理和反演上。针对复杂样品定量分析的一些瓶颈性问题，如基体效应，被分析物质的物理形态变化等，研究了有效的光谱反演模型，提高了LIBS对生物样品的定量分析能力。.与生物医学研究团队合作开发通过LIBS血液元素分析实现癌症快速筛查的应用。.从更为广泛的应用范围来讲，本项目所开展的生物肌体和流体样品的LIBS分析研究不仅具有癌症快速筛查的直接应用前景，所获得的结果还对其它具有重大科学意义和迫切社会需求的应用有指导意义，如矿物在线分析，环境污染物检测分析，地球和行星（特别是火星）地质、地貌探测等。本项目所首先引入并深入研究的机器学习算法是LIBS领域近年来最突出的创新和突破之一，为实质性地提高LIBS对复杂物质的定量分析性能，并将其切实地推向应用做出了关键性的贡献。