Cobolt Tor XE激光器助力LIBS成像突破：PCA去噪方法显著提升生物医学元素分析
一项发表于《Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy》的重要研究为激光诱导击穿光谱（LIBS）成像技术带来了重大进展。该研究由法国里尔大学、里昂第一大学和格勒诺布尔阿尔卑斯大学的联合团队完成，重点探索了在超快μLIBS成像中优化去噪方法，以应对高频激光应用中的信噪比挑战。研究中，Cobolt公司的Tor XE激光器（波长1064 nm，射击速率1000 Hz）作为核心设备，为实验提供了高频率、高精度的激光源，显著推动了LIBS在生物医学样本分析中的应用。
超快LIBS成像的技术挑战与需求
激光诱导击穿光谱（LIBS）技术因其能提供多元素信息、无需复杂样品制备等优势，已成为材料分析的重要工具。而微区LIBS成像（μLIBS-imaging）更可实现空间分辨的元素分布分析，在工业、地质、法医和生物医学等领域展现出巨大潜力。
传统LIBS成像系统的激光重复频率通常低于100 Hz，分析速度受限。随着研究领域对大面积样品分析需求的增长，开发高速LIBS成像技术变得尤为迫切。使用kHz激光器可将分析时间大幅缩短——如绘制100万像素（相当于1 cm²面积，横向分辨率10μm）的元素分布图，仅需约17分钟，效率提升超过10倍。
然而，实现kHz级超快LIBS成像面临多重挑战：高速采集导致信号积累时间减少，信号强度减弱；为保护脆弱的生物样品而采用低能量激光脉冲（≤1 mJ），进一步降低了等离子体发射强度；高速探测器有效感光面积减小，限制了光信号采集量。这些因素共同导致信噪比（SNR）显著下降，影响了元素检测的准确性和图像质量。
研究团队以大鼠肾脏样本为例，分析了内源性元素（如磷P和铁Fe）和外源性元素（如金Au），通过获取210万光谱数据（对应1400×1500像素图像），模拟了真实生物医学场景。如图所示，样本的光学图像和元素分布图突显了LIBS成像的复杂性，而原始光谱数据显示出明显的噪声干扰，亟需高效去噪处理。
去噪方法比较与PCA的卓越表现
研究团队系统比较了五种去噪方法：
-
主成分分析（PCA） - 通过选择保留主要方差的主成分数量实现去噪 -
Savitzky-Golay平滑 - 基于局部多项式拟合的经典平滑方法 -
快速傅里叶变换（FFT） - 在频率域滤除高频噪声成分 -
小波阈值去噪（WTD） - 多尺度信号分解与阈值处理 -
Whittaker平滑 - 平衡数据保真度与平滑度的惩罚最小二乘法
研究采用了一种针对LIBS成像优化的策略：不是寻求全谱范围的通用去噪方案，而是针对特定元素发射峰优化去噪参数，从而实现对各元素信噪比的分别提升。
数据分析策略如上图所示，去噪在光谱提取前进行，确保了信息的完整性。结果明确显示，PCA方法远超其他技术，能将SNR提高约5倍（见表1数据：原始SNR为P:1.19×10²、Au:4.35×10²、Fe:1.03×10²；PCA优化后显著提升），且不扭曲发射线轮廓。相比之下，Savitzky-Golay和FFT等方法虽在某些光谱中有效，但可能导致信号失真或SNR改善有限（仅约2倍）。PCA的优势在于其能基于整个数据集分析方差，保留化学信息的同时去除噪声，这一发现首次在LIBS领域应用于去噪，为高速成像数据处提供了新思路。
上图对比了去噪前后的光谱，直观展示了PCA在保留P、Au和Fe发射线方面的优越性，而其他方法如Savitzky-Golay则引起明显失真。这进一步验证了PCA适用于LIBS数据的窄发射线特性。
成像质量与生物医学应用价值
研究结果显示，在不同去噪方法中，主成分分析（PCA）表现最为出色，对P、Au、Fe三种元素的信噪比提升均达到约5倍。这一改进意味着经过PCA去噪后，数据质量相当于使用40 Hz激光器采集25次平均的效果，充分体现了kHz激光器在效率上的巨大优势。
相比之下，其他方法的信噪比改善有限（1.5-2.5倍），且在某些情况下会导致元素发射峰变形或信息损失。特别是Savitzky-Golay平滑方法，虽然在其他光谱技术中表现良好，但不适合LIBS特有的尖锐发射峰特征。
从元素分布图像来看，经过PCA去噪后的结果更加符合生物学实际。例如，铁元素主要分布在血管区域，去噪后的图像消除了器官外部和中心区域的虚假信号；磷元素在整个组织中分布更加合理；金纳米颗粒的分布也更加准确地局限于器官外周区域。
如上图所示，对于铁（Fe）元素，PCA去噪后图像消除了原始数据中的浓度高估（如血管外区域），增强了对比度和动态范围，更符合生物现实（Fe主要分布于血管区）。磷（P）和金（Au）的图像也显示出类似改善，细节更清晰，减少了背景干扰。这些成果突显了kHz LIBS成像在生物临床样本中的实用性，例如疾病标记物检测。对于生物医学研究而言，这种技术组合能够准确识别组织中的内源性元素（如P、Fe）和外源性元素（如Au纳米颗粒），为疾病机理研究、药物分布分析提供重要信息。
Cobolt Tor™ 系列激光器
本研究采用的Cobolt Tor XE激光器（波长1064 nm）能够实现1000 Hz的重复频率，为超快LIBS成像提供了核心驱动力。该激光器的高重复频率特性使得研究人员能够在合理时间内完成大面积样品的精细扫描（本研究中完成了210万张光谱的采集）。
特别值得关注的是，Cobolt激光器在保持高重复频率的同时，还能提供精确控制的低能量激光脉冲，这对于分析易损伤的生物样品至关重要。研究中使用的激光能量参数确保了约7μm的烧蚀坑直径，实现了微米级空间分辨率，同时最大程度减少了对生物样品的热损伤和应力损伤。
实验设置中，激光束先通过10倍扩束镜，再经5倍物镜聚焦，结合XYZ电动位移台，实现了样品的高精度定位和扫描。这种配置充分发挥了Cobolt Tor XE激光器的性能优势，为高质量数据采集奠定了基础。
|
|
|
|
|---|---|---|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
参考论文：Optimization of denoising approaches in the context of ultra-fast LIBS imaging https://doi.org/10.1016/j.sab.2025.107167