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年轮元素分析仪

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激光年轮元素测量系统
 
1,引言
 
年轮由形成层每年的活动而产生。春天,气候温和、雨量充沛,对树木的生长有利,这是形成层细胞分裂旺盛,新产生的细胞大而明显,导管又大又多,因此,木材就显得颜色淡,质地松软。入夏以后,随着气温增高。雨量减少,特别是到秋天,天气渐冷,雨量更少,形成层活动减弱,分裂出的细胞形状小,加上细胞壁厚,导管又少,木材显得致密而坚硬,颜色也深。
说明: http://gss1.bdstatic.com/-vo3dSag_xI4khGkpoWK1HF6hhy/baike/w%3D480/sign=f2a71de041a7d933bfa8e57b9d4ad194/4bed2e738bd4b31c7a15b34f84d6277f9e2ff81d.jpg树木年轮一直是树木年代学的主要研究对象,年轮是记载气候和环境变化的记录仪。利用年轮宽度来重建过去上百甚至几千年的降雨和温度变化,利用年轮密度分析和年轮中元素浓度的变化来推测过去环境变化,已成为全球变化研究的重要手段之一。欧美各国学者很盛行利用树木年轮资料对气候和环境要素尤其是环境污染变化进行研究,我国从八十年代也开始了利用树木年轮进行环境污染状况研究的工作。主要研究方向包括,年轮宽度,年轮平均密度等。常用体积比重法、光透视法、硬度测定法、抗张强度测定法、β微粒法等方法。近年来,年轮元素的研究逐渐兴起,这为分析环境因子对树木生长的影响提供了新的依据,为树轮气候学的发展开辟了新的领域。
 
2,观测系统设计
 
2.1,目标    
本观测系统主要以生长锥取下的树木样芯为对象,通过高质量的图形扫描系统获取高分辨率的树木样芯图像,并采用专门的照明系统去除阴影和不均匀现象的影响,然后用专业软件进行年轮宽度和密度分析。针对树木样芯,通过激光光谱元素分析系统分析测定树木年轮中Ca、K、Al、Si、Cr、Mn、Fe、Cu、Zn、As、Hg、Pb等多种元素的成分及元素分布。
利用上述树木年轮宽度、密度测定及年轮元素分析结果,建立树木年轮表,探求不同树种生长与气候因子的关系,推测过去环境变化尤其是环境污染状况。根据区域内的气象资料和同时期的树木年轮信息,建立树木年轮数据与气象数据的相关关系,并据此重建典型气候带的气候变化谱,进一步揭示气候变化对森林生态系统的影响。
 
2.2,分析内容  
年轮样品采样
年轮主要参数分析
年轮元素组成及分布分析
 
2.3,分析系统组成与特性
 
l  生长锥
l  专业年轮分析软件,可水平和垂直方向测量年轮,判断无效年轮和估算丢失的年轮。可测量年轮宽度值,可测量早晚材宽度,可计算年轮密度最大值、最小值、平均值和方向。
l  激光年轮元素测量系统源自美国加州劳伦斯伯克利国家实验室多年科学研究成果,推出了激光诱导击穿光谱技术LIBS(Laser Induced Breakdown Spectroscopy)。在高频激光的作用下,样品表面形成等离子体,然后由光谱检测单元对等离子体的发射光谱进行分析,进而得到样品的元素组分、含量以及指纹光谱信息等。随着等离子的冷却,凝结的样品颗粒还可输送到ICP-MS(质谱联用),可以测量样品中的微量、痕量元素或同位素,检测限可达ppb级。真正实现了一次剥蚀,全元素及同位素同时分析。
l  系统无需样品制备,数秒内可得结果。可快速检测土壤、植物、药材等多种样品中70多种元素的分布及含量。
l  系统内置中国生态样品标准样品数据库,含我国常见土壤和植物体的标准样品数据及标准曲线。
 
2.4,分析系统性能指标 
 
l  生长锥:多种直径可选,长度范围100mm~1000mm
l  年轮分析系统:扫描仪:可分辨最小粒子大小0.005mm/0.011mm
l  激光光谱元素分析系统:
l  基本配置:纳秒激光器、光谱检测单元、三维运动控制单元、高精密工作台、气体控制单元,操控主机,水循环冷却系统等
l  测量参数:土壤,植物中地球化学组成元素种类、含量及其特征指纹光谱
l  操作系统:硬件控制,预选或自制激光剥蚀采样模式,元素分布、深度分析、定量计算、物质分类、溯源等功能
l  光谱数据库:全光谱,TrueLIBS 发射光谱数据库
l  采样方法:多种采样方式,微区分析,深度分布,元素分布分析
l  分析工具:多种算法去除背景噪声,内置PCA、PLS、多参数线性回归、化学统计分析计算等模型
l  光谱范围:190-1040nm
 
 
 
3,数据分析及系统应用
 
3.1,年轮样品采样
用生长锥采样,先将锥体取出装在锥柄上,然后将生长锥端水平,脚下站稳,两手持锥柄两端,前端螺旋刃口对准树体,旋转锥柄。当锥体过树心后,停止旋转锥柄。用取芯勺提取钻芯,将勺尖紧紧贴在锥体内壁,平稳较快地提取钻芯并放置于钻条箱中。优点:不破坏树木,运输和采样的成本低。

 
3.2,年轮主要参数分析
我们使用WinDENDRO系统进行年轮主要参数分析。WinDENDRO是利用高质量的图形扫描系统取代传统的摄象机系统。扫描系统能提供高分辨率的彩色图象和黑白图象。采用专门的照明系统和特殊光源去除了阴影和不均匀现象的影响,有效的保证了图象的质量。增大了扫描区域,以供分析。专业软件自动分析水平、垂直方向测量年轮,延直线方向测量年轮,年轮宽度测量,判断无效的年轮,图象对比度增强功能,测量年轮宽度时计算年轮角度,测量复杂形状样品的年轮,年轮宽度、十字交叉图象及相关性,幼苗宽度测量,年轮密度测量等多种参数。

 
3.3,年轮元素组成及分布分析
通过对树木元素的测定可以追溯和再现区域生态环境的历史变迁。Ca,K,Mg等多种元素的分布以及元素之间的相互关系也是年轮判断有效性和准确性的影响因子。还有元素的迁移也有着固定的特征,这为我国今后开展该领域的研究提供了重要的科学依据。
树木年轮重金属元素,例如Cd、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、Ti、Zn含量的变化也会反映土壤及周边环境受到污染的影响情况。研究表明城市交通干道行道树木的金属元素含量偏高,校园内行道树木的金属元素含量偏低。这说明交通主干道的重金属元素污染程度和污染的上升速度明显高于非交通干道区域,这一特点与市内机动车拥有量快速增长相一致,机动车暴发式增长是造成市区主干道重金属元素污染的主要原因之一。
  
 
 
在植物生长过程中,营养元素是必不可少的,其中钙这种营养元素对于植物有着积极的意义,它不仅维持着植物的生命,还促进了植物的代谢,同时钙元素在土壤改良与植物生理等方面均发挥着一定的作用。因此研究树木和植物体中的钙元素,可以更好的发挥钙元素的作用,促进植物的正常生长。
    采用激光光谱质谱联用系统,进行Ca元素的测量。实验条件激光能量60%,频率10Hz,激光预热时间10秒,载气流速0.76L/Min,光斑大小80um。
 

激光光谱质谱联用系统
 


松木Ca元素测量与年轮图像结果匹配
 
    采用激光光谱元素分析系统针对树木不同位置做Ca及K元素的元素分布。结果如下图。结果表明越往芯部分,元素含量越低,越往外部元素含量越高。
 
 Ca元素的分布               K元素的分布
 
    通过上述实验,建立了年轮研究的重要手段,我们可以针对年轮的基本参数,密度等进行分析,也可以对年轮的元素组成及元素分布进行研究。为今后更好的研究年轮学开辟了新的手段和途径。
 
4,参考文献
l  Validating a calcium tracer based tree-ring dating method for tropical wood,Cheryl Victotia Wood
l  Content of chemical elements in tree rings of lodgepole pine and whitebark pine from a subalpine sierra nevada forest,David L.Peterson,Darren R.Anderson
l  Russo, R.E. and J.J. Gonzalez. Applications of LA-ICP-MS in geoanalysis - New technologies and future perspectives, Geochimica Et Cosmochimica Acta. 74(2010) (12) A893.
l  Zorba, V., X.L. Mao, and R.E. Russo. Optical far- and near-field femtosecond laser ablation of Si for nanoscale chemical analysis. Analytical & Bioanalytical Chemistry (2009).
l  Gonzalez, J., A. Fernandez, D. Oropeza, X. Mao, and R.E. Russo. Femtosecond laser ablation: Experimental study of the repetition rate influence on qualitative and quantitative ICP-MS performance. Spectrochimica Acta Part B-Atomic Spectroscopy 63[2] (2008). 277-286

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