贛南臍橙中的銅的激光誘導(dǎo)擊穿光譜檢測(cè)分析

林永增，姚明印，涂建平，徐雪紅，彭秋梅，陳添兵，劉木華

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生物光電及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌330045)

1 引言

江西贛南是臍橙種植的重要基地，2010年贛南臍橙種植面積在全市達(dá)160萬(wàn)畝，產(chǎn)量突破110萬(wàn)噸，銷往國(guó)內(nèi)外，給當(dāng)?shù)貛?lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。但是，隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，贛南地區(qū)的環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，水果重金屬污染問(wèn)題也受到廣泛關(guān)注。由于重金屬不能降解，通過(guò)水果進(jìn)入到人體內(nèi)部，并且在體內(nèi)不斷富集，超過(guò)一定量時(shí)勢(shì)必危害到人體健康，于是國(guó)家對(duì)水果中重金屬含的量也頒布了嚴(yán)格限量標(biāo)準(zhǔn)。因此，對(duì)水果重金屬實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究具有重要意義。目前，水果中重金屬的檢測(cè)分析技術(shù)主要有電感耦合等離子體－原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)、電感耦合等離子體－質(zhì)譜法(ICPMS)、原子吸收分光光度法(AAS)、化學(xué)比色法等。但是這些檢測(cè)方法需要繁瑣復(fù)雜的樣品前處理，且易造成樣品二次污染，不能夠?qū)崿F(xiàn)快速無(wú)損檢測(cè)。因此需要尋找一種新的綠色環(huán)保的快速無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(Laser-Induced Breakdown Spectrocopy，LIBS)是利用高能量脈沖激光聚焦到待測(cè)樣品上，在局部產(chǎn)生高溫、高密度的等離子體，等離子體中包含的原子、離子和一些分子以超音速向四周擴(kuò)散并迅速冷卻。等離子體中的離子和原子產(chǎn)生能量躍遷，當(dāng)由激發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)到基態(tài)時(shí)就會(huì)發(fā)射其特征光譜，根據(jù)特征光譜所在的波長(zhǎng)和信號(hào)強(qiáng)度就可以獲得待測(cè)物內(nèi)的元素種類和元素含量信息［1］。因?yàn)樵摷夹g(shù)無(wú)需復(fù)雜的樣品預(yù)處理，操作簡(jiǎn)單，具有實(shí)時(shí)、環(huán)保和快速無(wú)損檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于痕量元素檢測(cè)［2］、遠(yuǎn)程環(huán)境檢測(cè)［3－4］、細(xì)胞鑒別［5］、水 污 染［6］、土 壤 污 染［7］、食 品 安 全［8］等領(lǐng)域。

近年來(lái)，隨著食品安全問(wèn)題的日益突出和LIBS技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)分析上做了很多的研究工作。Nilesh K.Rai［9］等人運(yùn)用 LIBS技術(shù)分析了苦瓜在糖尿病治療中的作用機(jī)制，檢測(cè)了 Na、K、Mg、Ca、Fe、Al等元素譜線，并且應(yīng)用自由定標(biāo)方法分析了這些元素的濃度，結(jié)果表明LIBS技術(shù)檢測(cè)元素含量與傳統(tǒng)的原子吸收光譜技術(shù)檢測(cè)出的結(jié)果有很好的一致性。O.Samek［10］等人應(yīng)用飛秒LIBS裝置分析了玉米葉肉和葉脈中Fe元素的相對(duì)含量分布，得出葉脈中Fe元素的含量高于葉肉中的結(jié)論。Lidiane Cristina Nunes［11］等人應(yīng)用 LIBS 方法檢測(cè)了經(jīng)低溫、干燥、研磨后的甘蔗葉中的大量和微量元素，結(jié)果說(shuō)明LIBS技術(shù)檢測(cè)的元素濃度與ICP-OES結(jié)果有很好的一致性。張大成［12－13］等人將LIBS技術(shù)應(yīng)用于食品安全的相關(guān)領(lǐng)域，分別比較了真空凍干的草莓、獼猴桃和蘋果三種水果中，以及真空凍干的百合和土豆中 Ca、Na、K、Fe、Al、Mg 六種金屬元素的相對(duì)含量。

前人的研究工作充分說(shuō)明了LIBS技術(shù)農(nóng)產(chǎn)品元素檢測(cè)方面的可行性。所以，為了防治水果重金屬污染，提高水果產(chǎn)品的質(zhì)量，本實(shí)驗(yàn)采用綠色環(huán)保的LIBS無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)贛南臍橙中的重金屬進(jìn)行了初步檢測(cè)研究。檢測(cè)過(guò)程中的延遲時(shí)間、激光能量、環(huán)境氣體、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等諸多因素都會(huì)影響LIBS技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果，而且水果的基體復(fù)雜。因此，應(yīng)用LIBS技術(shù)檢測(cè)水果產(chǎn)品時(shí)，需在特定的環(huán)境下對(duì)延遲時(shí)間和激光能量等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得穩(wěn)定的檢測(cè)環(huán)境。本文采用單脈沖納秒級(jí)LIBS檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)重金屬銅污染的贛南臍橙進(jìn)行檢測(cè)分析，研究了時(shí)間和激光能量對(duì)贛南臍橙中Cu元素的檢測(cè)特性的影響，并且建立了Cu元素濃度和特征光譜強(qiáng)度之間的定量分析模型。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，采用調(diào)Q納秒級(jí)Nd∶YAG激光器(北京Beamtech公司Nimma－200型)為激光光源，工作波長(zhǎng)1064 nm，脈寬為8 ns，工作頻率2 Hz。激光光束經(jīng)45°反射鏡后透過(guò)焦距為100 mm的平凸透鏡聚焦于樣品表面。樣品放置在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，以保證激光燒蝕在臍橙樣品的不同位置上。激光燒蝕樣品后產(chǎn)生等離子體，等離子體的發(fā)射信號(hào)經(jīng)45°穿孔反射鏡改變光路后由焦距為100 mm的透鏡聚焦到光纖探頭，再由光纖傳輸?shù)桨送ǖ拦饫w光譜儀(法國(guó)AvaSpec－2048FT－8RM)。光譜儀內(nèi)部集成了2048像素的CCD探測(cè)器，各通道的波長(zhǎng)探測(cè)范圍分別是200～317 nm，315～417 nm，415～499 nm，497～565 nm，563～673 nm，671～750 nm，748～931 nm和929～1050 nm，對(duì)應(yīng)的分辨率分別為0.09 nm，0.07 nm，0.06 nm，0.08 nm，0.08 nm，0.12 nm，0.13 nm和0.11 nm。光譜儀收集的信號(hào)再傳輸至計(jì)算機(jī)中進(jìn)行記錄存儲(chǔ)。DG535數(shù)字延時(shí)發(fā)生器(Mold DG535，美國(guó)斯坦福研究系統(tǒng)公司)連接光譜儀和激光器，以控制激光器觸發(fā)和光譜信號(hào)采集間的延遲時(shí)間。

圖1 LIBS實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of LIBS system

2.2 樣品配備

實(shí)驗(yàn)所用的臍橙樣品產(chǎn)于江西贛南，購(gòu)于江西農(nóng)業(yè)大學(xué)水果市場(chǎng)。臍橙樣品買回后，挑選出21個(gè)大小均勻的臍橙經(jīng)超純水清洗后晾干。然后，取15個(gè)臍橙浸泡于1000 μg/mL實(shí)驗(yàn)室配置的硫酸銅溶液中，以用于做時(shí)間特性和激光能量特性的實(shí)驗(yàn)。剩余的6個(gè)臍橙分別侵泡于6個(gè)不同銅含量的硫酸銅溶液中，以用于定量分析臍橙樣品中Cu的濃度。在侵泡48個(gè)小時(shí)后取出樣品，再用超純水清洗后晾干，待于做LIBS實(shí)驗(yàn)。其中，在LIBS實(shí)驗(yàn)后，對(duì)6個(gè)用于定量分析的臍橙樣品進(jìn)行濕法消解，再用原子吸收分光光度計(jì)間接測(cè)出6個(gè)臍橙樣品中Cu的濃度如表1所示。

表1 臍橙樣品中Cu的濃度Tab.1 Concentration of Cu in navel orange sample

3 結(jié)果與討論

3.1 特征光譜分析

實(shí)驗(yàn)中，激光脈沖30次記錄一次光譜，一共記錄5次，通過(guò)Avasoft 7.4分析軟件并參照NIST［14］原子光譜數(shù)據(jù)庫(kù)得到臍橙樣品中Cu元素的LIBS光譜。臍橙樣品在200～330 nm之間的光譜圖如圖2所示，CuI 324.75 nm和CuI 327.40 nm的特征譜線都很明顯。但是，銅元素在324.75 nm處特征光譜強(qiáng)度較大，有利于檢測(cè)分析。因此，選擇CuI 324.75 nm作為研究對(duì)象。

圖2 臍橙樣品在312～335 nm波段的LIBS光譜Fig.2 LIBS spectrum of orange sample in 312～335 nm

3.2 時(shí)間特性分析

在激光脈沖與臍橙樣品作用產(chǎn)生瞬間高溫等離子體時(shí)，等離子體內(nèi)部的粒子就會(huì)出現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)，粒子之間發(fā)生摩擦碰撞形成軔致輻射。軔致輻射存在于等離子體產(chǎn)生到消亡的全過(guò)程中，會(huì)影響到對(duì)目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)。但是，在等離子體壽命期內(nèi)輻射的強(qiáng)弱不同，可以通過(guò)控制激光激發(fā)等離子體到光譜儀接收等離子體發(fā)射信號(hào)之間的時(shí)間(延遲時(shí)間)，以提高對(duì)目標(biāo)元素檢測(cè)的靈敏度和穩(wěn)定性。在100 mJ的激光脈沖能量下，對(duì)700～1600 ns之間的13個(gè)延遲時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)比較各延遲時(shí)間下的特征光譜強(qiáng)度和信背比(Signal-to-Background Ratio，RSB)，以確定最佳的延遲時(shí)間。其中RSB由特征光譜經(jīng)Lorentz擬合后計(jì)算所得，其計(jì)算公式為:

式中，H為相對(duì)特征光譜強(qiáng)度;y0為背景信號(hào)強(qiáng)度。特征光譜強(qiáng)度和RSB與延遲時(shí)間之間的關(guān)系曲線如圖3所示，RSB隨著延遲時(shí)間的增加，呈現(xiàn)先逐漸增大，在1200 ns處出現(xiàn)一個(gè)峰值跳躍后，又逐漸增大的趨勢(shì)。而臍橙樣品中CuI 324.75 nm的特征光譜強(qiáng)度隨著延遲時(shí)間的增加，呈現(xiàn)先出現(xiàn)無(wú)規(guī)律的起伏變化，在1200 ns處達(dá)到最大后逐漸降低趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)延遲時(shí)間和特征光譜強(qiáng)度的綜合考慮，選擇實(shí)驗(yàn)最佳的延遲時(shí)間為1200 ns。

圖3 Cu元素譜線強(qiáng)度和RSB與延遲時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.3 Line intensity of Cu element and RSB vs delay time

3.3 激光能量特性分析

激光脈沖能量只有超過(guò)待測(cè)元素的特定閥值時(shí)，才能檢測(cè)到待測(cè)元素的特征光譜信號(hào)。但如果激光脈沖能量過(guò)大時(shí)，就會(huì)擴(kuò)大等離子體瞬間迅速膨脹的范圍，使等離子外沿和中心的粒子出現(xiàn)先后冷卻，引起元素譜線的強(qiáng)烈自吸收效應(yīng)，而且還會(huì)引起空氣電離擊穿，降低檢測(cè)的靈敏度。因此，在延遲時(shí)間為1200 ns下，對(duì)30～150 mJ能量范圍內(nèi)的13個(gè)激光能量點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。得到特征光譜強(qiáng)度和RSB與激光脈沖能量之間的關(guān)系曲線如圖4所示，RSB隨著激光脈沖能量的增大，先逐漸減小，在100 mJ處出現(xiàn)一個(gè)峰值跳躍后，又逐漸減小。而臍橙樣品中CuI 324.75 nm的特征光譜強(qiáng)度隨著激光脈沖能量的增加，呈現(xiàn)逐漸增大的總趨勢(shì)，但在激光能量為100 mJ處出現(xiàn)一個(gè)明顯的峰值跳躍。通過(guò)對(duì)RSB和特征光譜強(qiáng)度的綜合分析，得到在延遲時(shí)間1200 ns下的最佳激光脈沖能量為100 mJ，并且在實(shí)驗(yàn)中得到此時(shí)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為10.32%，可知穩(wěn)定性較好。

圖4 Cu元素譜線強(qiáng)度和RSB與激光能量的關(guān)系曲線Fig.4 Line intensity of Cu element and RSB vs laser energy

3.4 定量分析

由延遲時(shí)間和激光脈沖能量的特性實(shí)驗(yàn)研究可知，檢測(cè)贛南臍橙中Cu元素時(shí)的最佳延遲時(shí)間和激光脈沖能量分別為1200 ns和100 mJ，在這一條件下對(duì)6個(gè)定標(biāo)臍橙樣品進(jìn)行LIBS檢測(cè)。

圖5 CuI 324.75nm定量分析曲線Fig.5 Quantitative analysis curve of CuI324.75nm

根據(jù)激光燒蝕等離子體的發(fā)射機(jī)理，在激光燒蝕等離子體內(nèi)的元素成分與未燒蝕前臍橙樣品中的元素成分一致和忽略自吸效應(yīng)的條件下，元素譜線強(qiáng)度I與含量 C之間呈正比關(guān)系［15］，即 I=a×C。其中a為實(shí)驗(yàn)常數(shù)，與激光能量、樣品均勻性及幾何特性和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光學(xué)效率等因素有關(guān)。臍橙樣品中Cu的濃度與其特征光譜強(qiáng)度之間的定標(biāo)曲線如圖5所示，曲線的擬合相關(guān)系數(shù)為0.96。根據(jù)檢測(cè)限(limit of detection，LOD)定義［16］，檢測(cè)限等于原子特征譜線附近背景光標(biāo)準(zhǔn)偏差的三倍與定標(biāo)曲線斜率之間的比值，即LOD=3 δ/k，其中δ為背景光的標(biāo)準(zhǔn)偏差，k為定標(biāo)曲線的斜率。由此計(jì)算得到Cu元素的檢測(cè)限為10.81 μg/g，與食品中銅限量衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB151199－94中水果的Cu含量必須小于10 μg/g相比較，還存在一定的差距。因此，LIBS技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品重金屬檢測(cè)中的研究還需進(jìn)一步發(fā)展改善。

4 結(jié)論

本研究應(yīng)用LIBS技術(shù)檢測(cè)江西贛南臍橙中的Cu元素，在實(shí)驗(yàn)室自然大氣條件下，用1064 nm的調(diào)Q脈沖Nd∶YAG激光器的激光直擊樣品表面。通過(guò)特征譜線分析，選出CuI 324.75 nm為研究對(duì)象，對(duì)延遲時(shí)間和激光脈沖能量特性的影響進(jìn)行了研究，得到最佳的延遲時(shí)間和激光脈沖能量分別為1200 ns和100 mJ。并且得到相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為10.32%。然后，在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，對(duì)6個(gè)用于定量分析的臍橙樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，建立樣品中Cu元素的濃度與其特征光譜強(qiáng)度之間的定標(biāo)曲線，得到線性擬合相關(guān)系數(shù)為0.96，并且通過(guò)定標(biāo)曲線計(jì)算得到Cu元素在臍橙中的檢測(cè)限為10.81 μg/g。由此表明，把激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)用于檢測(cè)贛南臍橙中的重金屬Cu，有很好的應(yīng)用前景，但在樣品檢出限上還有很大的提升空間。

［1］ Ma Yiwen，Du Zhenhui，Meng Fanli，et al.Situation of applications of laser-induced breakdown spectrometry［J］.analytical instruments，2010，(3):9 －14.(in Chinese)馬藝聞，杜振輝，孟繁麗，等.激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)應(yīng)用動(dòng)態(tài)［J］.分析儀器，2010，(3):9 －14.

［2］ Zhang Dacheng，Ma Xinwen，Wen Weiqiang，et al.Influence of laser wavelength on laser-induced breakdown spectroscopy applied to semi-quantitative analysis of trace-elements in a plant sample［J］.Chinese physics letters，2010，27(6):063202.

［3］ Ryan B Anderson，Richard V Morris，Samuel M Clegg，et al.The influence of multivariate analysis methods and target grain size on the accuracy of remote quantitative chemical analysis of rocks using laser induced breakdown spectroscopy［J］.Icarus，2011，215:608 －627.

［4］ M Darby Dyar，Jonathan M Tucker，Seth Humphries，et al.Strategies for mars remote laser-induced breakdown spectroscopy analysis of sulfur in geological samples［J］.SpectrochimicaActa. PartB:AtomicSpectroscopy，2009，66(1):39 －56.

［5］ Dawn E Lewis，Jorge Martinez，Charlemagne A Akpovo，et al.Discrimination of bacteria from Jamaican bauxite soils using laser-induced breakdown spectroscopy［J］.Analytical and Bioanalytical Chemistry，2011，401(7):2225－2236.

［6］ Wang Chuanhui，Dai Lin，Zhang Xiaoyi，et al.Investigation on laser-induced breakdown spectroscopy of AlCl3water solution［J］.Chinese Journal of Lasers，2006，23(09):1190 －1194.(in Chinese)王傳輝，戴琳，張先燚，等.AlCl3水溶液的激光誘導(dǎo)擊穿光譜研究［J］.中國(guó)激光，2006，23(09):1190 －1194.

［7］ Lu Cuiping，Liu Wenqing，Zhao Nanjing，et al.Measurement and analysis of Copper in soil using laser-induced breakdown spectroscopy［J］.Spectroscopy and spectral analysis，2010，30(11):3132 －3135.(in Chinese)魯翠萍，劉文清，趙南京，等.土壤中銅元素的激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析［J］.光譜學(xué)與光譜學(xué)分析，2011，30(11):3132－3135.

［8］ Li Qiulian，Yao Mingyin，Hu Shufen，et al.Quantitative analysis of metal elements in navel orange by laser induced breakdown spectroscopy［J］.Acta agriculturae universitatis jiangxiensis，2011，33(4):0830 －0834.(in Chinese)李秋連，姚明印，胡淑芬，等.應(yīng)用激光誘導(dǎo)擊穿光譜定量分析臍橙中的金屬元素［J］.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(4):0830 －0834.

［9］ Nilesh K Rai，Prashant Kumar Rai，Shiwani Pandhija，et al.Application of LIBS in detection of antihyperglycemic trace elements in momordica charantia［J］.Food Biopjysics，2009，4(03):167 －171.

［10］ O Samek，J Lambert，R Hergenr¨oder，et al.Femtosecond laser spectrochemical analysis of plant Samples［J］.Laser Phys.Lett，2006，3(1):21 －25.

［11］ Lidiane Cristina Nunes，Jez Willian Batista Braga，Lilian Cristina Trevizan，et al.Optimization and validation of a LIBS method for the determination of macro and micronutrients in sugar cane leaves［J］.Journal of Analytical A-tomic Spectrometry，2010，25:1453 －1460.

［12］ Zhang Dacheng，Ma Xinwen，Zhu Xiaolong，et al.Microelements in potato and lily samples studied by laser-induced breakdown spectroscopy technology［J］.Spectroscopy and spectral analysis，2009，29(5):1189 －1192.(in Chinese)張大成，馬新文，朱小龍，等.用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)比較百合和土豆中的微量元素［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2009，29(5):1189 －1192.

［13］ Zhang Dacheng，Ma Xinwen，Zhu Xiaolong，et al.Application of laser-induced breakdown spectroscopy in analyzing microelements in three kinds of fruit samples［J］.Acta physica Sinica，2008，57(10):6348 －6353.(in Chinese)張大成，馬新文，朱小龍，等.激光誘導(dǎo)擊穿光譜應(yīng)用于三種水果樣品微量元素的分析［J］.物理學(xué)報(bào)，2008，57(10):6348 －6353.

［14］ http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html.

［15］ Lu Cuiping，Liu Wenqing，Zhao Nanjing，et al.Measurement and analysis of lead in soil uing laser-induced breakdown spectroscopy［J］.Laser ＆ Optoelectronics progress，2011，48(053002):1 －4.(in Chinese)魯翠萍，劉文清，趙南京，等.土壤中鉛元素的激光誘導(dǎo)擊穿光譜測(cè)量分析［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2011，48(053002):1 －4.

［16］ Lu Cuiping，Liu Wenqing，Zhao Nanjing，et al.Quantitative analysis of chrome in soil samples using laser-induced breakdown spectroscopy［J］.Acta Phys.Sin，2011，60(4):045206.(in Chinese)魯翠萍，劉文清，趙南京，等.土壤中重金屬鉻元素的激光誘導(dǎo)擊穿光譜定量分析研究［J］.物理學(xué)報(bào)，2011，60(4):045206.