激光诱导击穿光谱分析新鲜桔叶重金属元素铬.pdf

江西农业大学学报2012，34(2):397 402http:/xuebao jxau edu cnActa Agriculturae Universitatis JiangxiensisE mail:ndxb7775 sina com激光诱导击穿光谱分析新鲜桔叶重金属元素铬彭秋梅，姚明印，刘木华*，雷泽剑，徐媛，陈添兵(江西农业大学 生物光电及应用重点实验室，江西 南昌 330045)摘要:为使激光诱导击穿光谱技术(LIBS)能实际应用于环境污染相关的领域，选择新鲜桔叶片样品作初步实验研究。该实验用纳秒级 Nd:YAG 激光器(波长:1 064 nm)为光源，在实验室自然大气环境下诱导新鲜桔叶片产生等离子体，研究了延时时间和激光能量对新鲜桔叶片中铬元素激光诱导击穿光谱特性的影响，综合评价其信背比和信号强度得到了相应的最佳检测条件:最佳延时 1 6 s，最佳激光能量 120 mJ。建立了 Cr 元素的定标曲线，并且定量分析了在最佳实验条件下样品中铬元素浓度。结果表明 Cr 元素浓度在 50 800 g/mL 范围内，Cr 元素含量和光谱相对强度之间有较好的线性关系。实验也表明 LIBS 技术是一种快速检测新鲜植物叶片中重金属元素含量的有效工具。关键词:激光诱导击穿光谱;新鲜桔叶;铬元素含量;最佳检测条件;定量快速检测中图分类号:TN249;S666 161文献标志码:A文章编号:1000 2286(2012)02 0397 06Analysis of Metal Element Cr in Fresh Orange LeafUsing Laser-induced Breakdown SpectroscopyPENG Qiu-mei，YAO Ming-yin，LIU Mu-hua*，LEI Ze-jian，XU Yuan，CHEN Tian-bin(Optics-Electrics Application of Biomaterials Lab，JAU，Nanchang 330045，China)Abstract:To effectively employ LIBS technique in the field related to environmental pollution，primaryexperiments have been done in fresh orange leaf samples Laser induced breakdown spectroscopy(LIBS)isa burgeoning element analysis method In the experiment，plasma in fresh orange leaf was induced using nano-second Nd:YAG(wavelength:1 064 nm)laser as the excitation source in the atmospheric environment of thelaboratory The influence of the delay time and laser energy on spectral characteristics of element Cr in freshplants was studied Through evaluation of the signal-to-background ratio and Cr line intensity，the best delaytime 1 6 s and the best laser energy 120 mJ were found The calibration curve of element Cr was measuredby studying the features of LIBS of element Cr in fresh plant under optimal conditions The experimental re-sults indicate that there is a good linear correlation between the element content 50 800 g/mL and the rela-tive intensity of spectral line The experiment also shows that LIBS technology is a kind of fast effective meansto detect metal elements in fresh plantsKey words:LIBS;fresh orange leaf;Cr concentration;best detection conditions;quantitative rapid de-tection收稿日期:2011 12 02修回日期:2012 01 01基金项目:国家自然科学基金项目(30972052)和新世纪优秀人才支持计划项目(090168)作者简介:彭秋梅(1986 )，女，硕士生，主要从事农产品无损检测研究，E mail:qiumeipeng_0717 163 com;*通讯作者:刘木华，教授，博士，E mail:suikelmh sohu com。江 西 农 业 大 学 学 报第 34 卷铬(Cr)是人和动植物所必需的一种微量元素，具有调节人体内糖和胆固醇的代谢作用，并且对植物生长有刺激作用，可提高其收获量。同时 Cr 又是污染性金属元素，它具有的累积性和生物链浓缩性，能够使散布在大气、水体和土壤中的 Cr 以离子状态随水循环、被动植物吸收向生物体转移，并积存在生物体，对环境、动植物及人体健康产生极大危害。Cr 污染主要来源于劣质化妆品原料、皮革制剂、金属部件镀铬部分，工业颜料以及鞣革、橡胶和陶瓷原料等。近年来，关于 Cr 污染事件屡见不鲜，并列入了中国水环境优化污染物黑名单 1。因此实现对生物体内 Cr 元素的快速、无损检测和监测具有深远意义。对于 Cr 元素的检测，目前主要运用的方法是:电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP AES)，电感耦合等离子体质谱法(ICP MS)，火焰式原子吸收光谱法(FLAA)，分光光度计比色法、石墨炉式原子吸收光谱法(GFAA)等2 5。这些传统方法能够得到较理想的结果，但是都需要长时间、复杂的前处理过程，样品也不能重复使用。因此急需一种快速、无损、实时检测 Cr 元素的方法。近些年来随着激光技术和光谱技术的发展而兴起的激光诱导击穿光谱(laser induced breakdown spectroscopy，LIBS)技术是一种有价值、有前景的金属元素检测技术，其基本原理是利用高能激光光源聚焦到待测样品表面，使样品表面烧蚀产生高温、高密度激光等离子体，等离子体中包含的原子、离子、一些分子会发射其特征波长的光谱，这些光谱的波长与特定的元素一一对应，而且光谱信号强度与对应元素的含量具有一定的量化关系6。与传统的光谱分析技术相比，LIBS 技术具有无需复杂的样品前处理，操作简单快捷，可测定各个领域中的固态、液态或气态样品，并可实现恶劣环境下的远程监控和原位、在线、实时、多元素同时检测等特点。因此，LIBS 技术已经被广泛应用于痕量元素检测7、远程环境检测8 9、细胞鉴别10 等领域。目前，国内外对于 LIBS 技术应用于植物样品中营养元素的检测研究工作开展广泛。Samek 等11 应用飞秒 LIBS 装置分析了玉米叶肉和叶脉中 Fe 元素的相对含量分布，得出叶脉中 Fe 元素的含量高于叶肉中的结论。Ma Shuang12 等人应用飞秒 LIBS 技术分析了在相同实验条件下 4 个不同地点的白杨树叶中元素含量;实验样品摘来后用蒸馏水洗净、干燥，在选择表面平整的叶子做实验;再结合自由定标法分析对比了 4 个地方的元素 Ca、Fe、N 和 P 的含量，结果表明长春市铸造厂地方的杨树叶中的 Ca 和Fe 的含量最高。Nunes 等13 应用 LIBS 方法检测了经低温、干燥、研磨后的甘蔗叶中的大量和微量元素，结果说明 LIBS 的大部分结果与电感耦合等离子体发射光谱仪(Inductively Coupled Plasma Optical E-mission Spectrometer，ICP OES)没有很大区别。国内张大成等14 15 将 LIBS 技术应用于食品安全相关领域，该小组分别比较了真空冻干的草莓、猕猴桃和苹果 3 种水果中，以及真空冻干的百合和土豆中Ca、Na、K、Fe、Al、Mg 6 种金属元素的相对含量。这些工作充分证明了 LIBS 技术在植物体元素检测方面的可行性。但是，对于新鲜植物叶片样品中重金属元素的 LIBS 直接检测分析还没有相关文献报道。因为新鲜叶片较脆，很容易被激光束打穿，并且基体效应和自吸收效应也对结果有很大影响。本文采用纳秒级 LIBS 检测系统对重金属 Cr 污染的新鲜桔叶样品进行 LIBS 实验测量和分析研究，鉴别并对比分析了 Cr 元素的特征谱线，得到了实验条件的最优化延时和激光能量条件，并定量分析了Cr 元素，建立了 Cr 的浸泡浓度和其 LIBS 相对强度的定标曲线。1实验方法本实验的 LIBS 装置系统如图 1 所示，主要包括激光器(北京 Beamtech 公司 Nimma 200 型)、八通道光纤光谱仪(法国 AvaSpec 2048FT 8RM)、DG535 数字延时发生器、反射镜、聚焦透镜、样品池、光纤、计算机和旋转平台等。采用的激光器是调 Q 三波长(1 064，532，355 nm)脉冲 Nd:YAG 激光器，工作波长是 1 064 nm，脉宽为 8 ns，工作频率 2 Hz。激光光束经 45反射镜后透过焦距为 100 mm 的平凸透镜聚焦于样品表面。样品放置在 2 000 脉冲/s 的旋转平台上，以改变样品表面的作用点，降低样品成分不均匀所造成的误差并避免了局部烧蚀严重的影响，保证测量的均匀性。调整聚焦透镜到样品间的距离为 100 mm(透镜焦距)，以确保连续抽样点间高信噪比、最低测量偏差。激光与样品作用后产生等离子体，其发射光谱信号经 45穿孔反射镜改变光路后由一个焦距为 100 mm 平凸透镜耦合到光纤输入端，再由光纤传输到八通道光纤光谱仪。光谱仪内部集成了 2 048 像素的 CCD 探测器，各通道的探测波长范围分别是 200 317，315 417，415 499，497 565，563 673，671 750，748 931，929 1 050 nm，其893第 2 期彭秋梅等:激光诱导击穿光谱分析新鲜桔叶重金属元素铬图 1LIBS 装置系统示意图Fig 1Experimental LIBS setup图 2新鲜桔叶片在 423 5 429 5 nm 波段内的 LIBSFig 2LIBS of fresh orange leaf in wavelength rang 423 5 429 5 nm图 3Cr I 425 435 nm 的特征谱线的时间演变Fig 3Cr I 425 435 nm line intensity at different delay time对应的分辨率分别为009，007，0 06，0 08，0 08，0 12，0 13，0 11 nm。光谱仪输出信号再由数据线传输至计算机中记录存储，并利用专用软件来进行分析处理获得的光谱信号。采用外触发工作模式由 DG535数字脉冲延时器控制激光器触发和光谱信号采集间的同步延时时间。实验所用的新鲜桔叶来自江西农业大学生态园，用超纯水洗去表面的杂质，再浸泡在100 ug/mL 重铬酸钾(K2Cr2O7)溶液中35 h，取出后用超纯水洗去样品表面溶液，经自然风干后，用双面胶铺平粘在铝板子上以减小样品表面不平整造成的偏差。2结果与讨论2 1光谱测量实验记录了被污染的桔叶片在200 1 050 nm 波长范围内的激光等离子体发射光谱，通过分析软件并参照 NIST16 原子光谱数据库和文献 17的记录鉴别了样品的 LIBS 谱线。重金属 Cr 元素的谱线比较丰富，其中灵敏度较高、谱线发射强度较大的3 根谱线分别是 425 435，427 480，428 972 nm(图 2)。可以看出，铬元素的 Cr I 425 435 nm 原子发射特征谱线受基体效应的影响比较小;Cr I427 480 nm 处的特征谱线的强度比较小，而且受到 Fe 元素的影响;Cr I428 972 nm 处的特征谱线强度比较大，但受到 Ca 元素的干扰，因此选择无光谱干扰的 425 435 nm 线作为LIBS 分析谱线。2 2实验条件的优化因为新鲜叶片比较脆，很容易被激光束打穿，并且基体效应和自吸收效应也对结果有很大影响，所以对实验条件的优化是 LIBS 技术检测新鲜叶片的重要研究内容。LIBS 光谱信号质量受激光特性、延迟时间和实验部件等因素的影响。一个现有的实验装置，激光的波长和脉宽是固定的，激光的输出能量和延迟时间是可调的。改变激光输出能量，可以改变聚焦到样品中烧蚀点的激发功率密度。通过数字延时器可以控制脉冲激发等离子体和开始获取信号993江 西 农 业 大 学 学 报第 34 卷图 4Cr 谱线强度、LIBS 信背比 RSB和延迟时间的关系曲线Fig 4Cr line intensity and the RSBvalue vs the delay time图 5LIBS 信背比 RSB、Cr 谱线强度和激光能量的关系曲线Fig 5Cr line intensity and the RSBvalue vs the laser pulse energy图 6Cr(425 435 nm)特征谱线的定标曲线Fig 6Calibration curve for Cr 425 435 nm spectral line的时间间隔来改变背景辐射。在本实验中，选取和调整各种参数使得光谱仪的接入光纤得到最佳耦合效果后，改变激光输出能量和延时时间参数，分析其对LIBS 信号的影响效果，综合评价信背比和信号强度，得到了相应的最佳检测条件。2 2 1延时时间的影响实验采用同一激光能量为 120 mJ，脉冲累加 20 次，以每 5 幅光谱的平均值为数据分析。图3 显示了 Cr I 425 435 nm 特征谱线在延时时间 400 2 200 ns 内强度值的变化规律。由图 3 可看出，铬元素在延迟时间为 0 4 us 时强度值最大，但背景信号也最大。随着延迟时间的增加，背景信号逐渐减弱。根据图 4 中 LIBS 信背比RSB、Cr 谱线强度和延迟时间的关系可以得出:随着延时时间的增加，信背比RSB呈现增加趋势，到 1 8 us 时达到最大，之后又变小;而随着延时时间的增加，Cr 谱线强度基本上减小趋势，但是1 0，1 2，1 6 s 的谱线强度变化不大。综合考虑信背比 RSB和 Cr 的谱线强度，选择最佳延时为 1 6 s。2 2 2激光能量的影响实验延时时间为 1 6 us，脉冲累加 20 次，以每 5 幅光谱的平均值为数据分析。图 5 显示了425 435 nm 处 Cr 特征谱线在激光输出能量 60 160 mJ 变化时信背比 RSB和Cr 谱线强度的变化。图中表明随着激光能量增加，Cr 谱线强度也相应的增大。而信背比 RSB呈现先减小后增大再减小的变化。在较低能量情况下，信背比 RSB迅速下降，到100 mJ 后不断增大，到 120 mJ 达到最大。当激光能量超过120 mJ 时，信背比 RSB又逐渐减小。因为随着激光能量的增加，等离子体的温度升高，当温度升高到一定程度时，自吸收效应就开始逐渐变强，背景信号变强，使得信背比 RSB减小。因此实验最佳激光能量为 120 mJ。2 3重金属元素 Cr 的定标曲线实验样品摘采生长状况、叶片大小相似的桔叶，配制浓度系列为 50 800 ug/mL 的 K2Cr2O7溶液 6个浓度，样品在溶液中浸泡了 28 h。为了减小激光脉冲能量的起伏性、样品的不均匀性、样品特性等引起的 LIBS 测量的不稳定性，选择 Cr(425 435 nm)所在通道(200 317 nm)的全部 LIBS 谱线的平均值为内参考，计算 Cr I 425 435 nm 特征谱线强度与通道(200 317 nm)的全部 LIBS 谱线的的平均强度004第 2 期彭秋梅等:激光诱导击穿光谱分析新鲜桔叶重金属元素铬比，用这个相对强度来定标。根据实验数据，以横坐标为铬元素浓度，纵坐标为铬的相对强度，建立了如图6 所示的特征谱线425 435 nm 处的 Cr 元素定量分析的定标曲线，线性相关度为0 994。由图6 得出样品中的 Cr 元素的相对强度随着 Cr 元素的浸泡浓度增加而增大。实验条件为延时时间 1 6 s，激光能量120 mJ，累加20 个激光脉冲，每5 幅图的平均值为实验数据。表1 给出了样品中铬元素(Cr 425435 nm)谱线强度和测量的相对标准偏差。除了浓度为 500 ug/mL 时相对标准偏差(Relative Standard Devia-tion，RSD)为 13 962%、800 ug/mL 时 RSD 为 12 100%外，其他浓度的 RSD 都小于 10%，稳定性比较好。分析对比这些样品发现，造成 500 ug/mL 和 800 ug/mL 实验结果的 RSD 较大的影响因素可能是重铬酸钾溶液的浓度比较大，造成了样品中其他元素含量的较大变化而引起的基体效应、自吸收影响加强;再者可能是激光脉冲的起伏性引起元素信号强度的改变，造成 RSD 较大。表 1Cr 元素谱线相对强度和测量的相对标准偏差Tab 1Relative intensity of Cr element and the relative standard deviation重铬酸钾浓度/(ugmL1)Cr Concentration50100200400500800Cr 相对强度Relative Intensity1 7761 8201 9922 1892 2882 698相对标准偏差/%RSD9 8348 1793 9088 90513 96212 1003结论本文应用 LIBS 技术对桔子新鲜叶片中的 Cr 元素进行了实验研究，鉴别并对比分析了 Cr 元素谱线中灵敏度较高、谱线发射强度较大3 条特征谱线，确定了:(1)选择425 435 nm 处的 Cr 元素特征谱线作为分析线最合适;研究了延时时间和激光输出能量对 Cr 425 435 nm 特征谱线 LIBS 信号强度的影响。随着延时时间的增加，信背比 RSB呈现倒 U 型趋势，到 1 8 s 时 RSB最大，而 Cr 谱线强度基本上减小趋势，但是 1 0，1 2，1 6 s 的谱线强度变化不大;随着激光能量增加，Cr 谱线强度也呈现增大趋势，而信背比 RSB呈现先减小后增大再减小的变化。综合以上实验结果得到实验了最佳条件。(2)而且在最佳实验条件:延迟时间为 1 6 s，最佳激光能量为 120 mJ 下，用 Cr 425 435 nm 特征谱线强度与通道(200317 nm)的全部 LIBS 谱线的平均强度比建立了桔子叶片中 Cr 元素的定量分析的定标曲线，根据谱线相对强度和浓度的关系建立的定标曲线的线性相关度为 0 994。应用激光诱导击穿光谱技术结合统计学方法分析新鲜植物体中重金属元素，是一项比较有应用前景的方法。但是检测限高、重复性差和精度性低是制约 LIBS 分析新鲜植物体中所含元素信息的重要因素，需要更深入的研究。因此，下一阶段的工作将进一步优化实验条件以提高重复性，结合 ICP AES技术选择更好的数据处理方法以提高检测限和精度，最终实现 LIBS 技术对新鲜植物中重金属元素 Cr的实时、定量检测。参考文献:1 徐衍忠，秦绪娜，刘祥红，等 铬污染及其生态效应 J 环境科学与技术，2002，25(S1):8-10 2 徐红波，孙挺，姜效军 电感耦合等离子体原子发射光谱法同时测定废水中锌、铬、铅、镉、铜和砷 J 冶金分析，2008，28(11):43-45 3 莫曦明，彭寨玉，徐淑暖，等 电感耦合等离子体质谱法(ICP MS)测定饮用水中六价铬J 中国卫生检验杂志，2009，19(8):1784-1785 4 丁保宏，黄中东，田桂芝 悬浮液进样 火焰原子吸收光谱法测定茶叶中的微量铬 J 辽宁化工，2004，33(4):243-245 5 徐小艳，孙远明，苏文焯，等 微波消解 石墨炉原子吸收光谱法连续测定水果和蔬菜中铅铬镉 J 食品科学，2009，30(10):206-208 6 马艺闻，杜振辉，孟繁丽，等 激光诱导击穿光谱技术应用动态 J 分析仪器，2010(3):9-10 7 Zhang D C，Ma X W，Wen W Q，et al Influence of laser wavelength on laser-induced breakdown spectroscopy applied to104江 西 农 业 大 学 学 报第 34 卷semi-quantitative analysis of trace-elements in a plant sample J Chinese Physics Letters，2010，27(6):063202 8 Ryan B Anderson，Richard V 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