应用LIBS技术检测元素被证明是非常有效的，但在检测生物样品如细菌方面就有些困难。因为分子不能完全通过物质的组成元素的原子或离子表征。Matthieu等于2006年报道了使用飞秒脉冲LIBS对细菌样品（包括不动杆菌、枯草芽孢杆菌、菊欧文氏菌、大肠杆菌、并消耗菌等）的检测方法。
在飞秒激光诱导击穿下，来源于细菌的CN分子键，可以通过分子动力学分析，使之与周围空气分子区分开来。由于飞秒激光诱导等离子体具有较低的初始温度以及温度会快速衰减，所以允许将光谱采集时间提前（激光射击之后）。这样使细菌中的痕量矿质元素具有更高的对比度。
实验中，飞秒激光系统提供能量为4.5mJ，120fs，波长为810nm，重复频率为20Hz。激光脉冲由一个焦距为30mm的透镜聚焦在样品表面上。激光束的直径大约为100μm，能量密度为14J/cm2。
样品准备分为以下几步：在通气条件下，细菌在卢里亚液37℃环境下生长一晚上；将20mL细菌溶液通过过滤器；用20mL的蒸馏水以相同模式通过过滤器；室内干燥约1h。样品放置在一个旋转平台上面，以使每次激光射击在新的样品点。光通过一个焦距为50mm的透镜耦合入光纤，输送到一个配有ICCD的阶梯光栅光谱仪中。在相同的实验条件下，装满细菌的过滤器、装满营养培养基的过滤器及未污染的过滤器的LIBS光谱都被采集。
图4－13所示为基于飞秒时间积分的、装满大肠杆菌的过滤器的LIBS光谱。这个光谱是在1 000次激光射击后叠加得到的。它是在检测时间为5μs，激光脉冲发射后的延时时间为100ns条件下采集的。
注意到CN分子键和C2分子键的光谱值比碳原子的光谱值更强。图4－13还显示了在388nm附近的CN分子键的更细微光谱图。在采用纳秒LIBS分析细菌样品的研究中也提到过，这个分子键可以是由等离子体与周围空气接触所产生的重组。
采用飞秒激光进行检测时，不会对周围空气加热，有利于观察到检测样品本身的光谱。实际上，样品本身的CN分子键光谱、原子光谱和空气中气体的CN分子键光谱、原子光谱可以通过积分时间的不同区分出来。在积分时间短的情况下，样品本身的CN分子键光谱、原子光谱表现得更强。
表4－5所示为在各种条件下观测到的CN分子键、不同元素的时间积分LIBS特征光谱。这里的各种条件以NB来表示，NB为1表示细菌中；NB为2表示细菌中和营养培养基中；NB为3表示细菌中、营养培养基中和过滤器中；NB为4表示细菌中和过滤器中。
表4－5 在各种条件下观测到的时间积分LIBS光谱
图4－13 飞秒时间积分的大肠杆菌LIBS光谱
考虑以6种元素（包括Na、Mg、P、K、Ca和Fe）作为识别不同细菌的输入条件。对每个光谱图，找出这6种元素的线强度（取50次光谱的平均）。进行数据处理时，使用Ikij来表示元素的光谱线强度，k代表不同细菌样品（k＝1，2，3，…，L（L＝5）），j是一个独立的光谱（j＝1，2，3，…，N（N＝50）），同时i表示每种元素（i＝1，2，3，…，M（M＝6））。对于一个细菌样品可以用各种痕量元素的谱线强度来进行分类和识别。
痕量元素的谱线强度计算方法如下。
首先，对于每种细菌，由50个不同的光谱计算求出元素的谱线强度平均值和标准差，即
然后，对6种痕量元素的谱线强度平均值和标准差进行归一化，即
再对每个光谱的谱线强度进行标准化，即
最后，对标准化的谱线强度的平均值和相关标准偏差进行计算，即
以上面得到的输入数据可以构成一个数据图表，每个细菌样品有一个特定的痕量元素数据图表。为了对不同细菌的痕量元素的数据图表进行量化差异，可以在一个多维空间表示痕量元素数据。例如，使用一个6维空间（包括Na、Mg、P、K、Ca和Fe等6种元素）描述5种分析细菌。每一种细菌对应6维空间产生一些谱线线强度值，这一点与聚类分析相类似。当然也可以用少于6种元素的值来分类和识别细菌，可以用3种元素的谱线强度来分类不同细菌，如图4－14所示。由图可知，通过Na、K、Ca就可以很好地把5种细菌分别出来。
图4－14 通过3种元素的谱线强度来进行不同细菌的分类
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
