集成ICCD光譜儀LIBS檢測奶粉中Cr元素的定量分析研究

楊 平，黃 林，姚明印，陳添兵，胡慧琴，王彩虹，劉木華

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 生物光電及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330045)

奶粉在加工和生產(chǎn)過程中，容易受到周圍環(huán)境的影響，奶粉事件時(shí)有發(fā)生。加強(qiáng)對(duì)奶粉中重金屬元素的檢測日益緊迫。目前對(duì)重金屬檢測的傳統(tǒng)化學(xué)分析方法主要有:石墨爐原子吸收光譜法(GFAAS)、冷蒸汽原子吸收光譜法(CVAAS)、火焰式原子吸收光譜法(FLAAS)、感應(yīng)耦合電漿質(zhì)譜法(ICP-MS)和分光光度計(jì)比色法等。這些方法能夠高靈敏度地檢測出重金屬含量，但是需要對(duì)樣品化學(xué)消解前處理，操作復(fù)雜繁瑣，而且容易造成樣品的二次污染。為此，急需發(fā)展一種快速、綠色的檢測技術(shù)。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)技術(shù)是一種快速、新型的無損檢測光譜分析技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線多元素同時(shí)檢測，它由高能量激光直擊樣品表面，對(duì)樣品進(jìn)行燒蝕出現(xiàn)瞬間等離子體，等離子體中含有高速運(yùn)動(dòng)的原子、離子。通過測量等離子體的發(fā)射光譜，可以檢測樣品中的元素成分以及含量信息，是一種綠色環(huán)保的檢測技術(shù)。目前已被廣泛應(yīng)用于痕量元素檢測［1-2］、水污染［3-4］、食品安全［5-7］、土壤污染［8-9］等領(lǐng)域。

Rai等［10］運(yùn)用LIBS技術(shù)分析了苦瓜在糖尿病治療中的作用，檢測了Ca、Fe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)檢測元素含量與傳統(tǒng)的原子吸收光譜技術(shù)檢測出的結(jié)果有很好的一致性。Samek等［11］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。林永增等［12］用等離子體錐形空間約束法檢測土壤中Cr，光譜強(qiáng)度增強(qiáng)了7%，檢測線達(dá)到了18.85 μg/mL;但是LIBS在直接分析食品樣品時(shí)，由于受到食品復(fù)雜基體效應(yīng)的影響、等離子體壽命極短等因素的影響，使得檢測精度、靈敏度、準(zhǔn)確度較差。要使LIBS技術(shù)在食品檢測領(lǐng)域走向成熟，在檢測穩(wěn)定性、靈敏度和精確性方面還有待提高。本試驗(yàn)利用集成ICCD對(duì)奶粉中Cr元素進(jìn)行分析，分別用外標(biāo)法和內(nèi)標(biāo)法兩種方法研究討論，提高LIBS檢測精準(zhǔn)性。

1 材料與方法

1.1 樣品制備

本試驗(yàn)以國家奶粉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10017(GSB-8)，地球物理地球化學(xué)勘查研究所IGGE)為載體，其樣品中Cr元素含量為(0.39±0.04)μg/g，由于受到復(fù)雜基體及LIBS檢測限的制約，原始樣品直接測試探測不到Cr元素譜線。為了探測LIBS技術(shù)檢測奶粉中Cr元素的可行性，需對(duì)樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室污染。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《化學(xué)試劑雜質(zhì)測定用標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備GB/T 602—2002》，用精密電子天平稱取一定量的重鉻酸鉀K2Cr2O7(汕頭市西隴化工廠有限公司，分析純，≥99.8%)，充分溶解于去離子水中混合均勻，配制7 個(gè)質(zhì)量濃度依次為 300，500，800，900，1 000，1 200，1 500 μg/mL 的含鉻水溶液;對(duì)樣品如下處理:依此取上述溶液6 mL滴入奶粉標(biāo)準(zhǔn)樣品中，用攪拌棒分別攪動(dòng)，攪拌均勻后放置試驗(yàn)臺(tái)上，為使其充分混合，將混合后的樣品靜置12 h;再將樣品放入烘箱中，為防止溫度過高而破壞基體，溫度設(shè)置為50℃，8 h后取出;將烘箱中取出的樣品置于真空抽濕冷凍機(jī)中抽干，根據(jù)真空抽濕冷凍機(jī)的抽濕條件48 h才可抽干，48 h后取出。取出后放入搗碎皿中碾碎，用臺(tái)式粉末壓片機(jī)在28 MPa的壓力下壓制成 30 mm 的餅狀固體。最后殘留在奶粉中 Cr的含量 127.25，211.64，338.52，380.80，424.24，508.09，635.99 μg/g。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，試驗(yàn)采用Vlite-200型Nd:YAG共軸雙脈沖激光器(北京Beamtech公司，中國)作為光源，最大可輸出波長1 064 nm，單脈沖最大能量為300 mJ，脈沖寬度6～8 ns，重復(fù)頻率1～15 Hz可調(diào)。光束照射到45°反射鏡，再穿過穿孔透鏡的小孔，透過穿孔透鏡的光束通過聚焦透鏡激打到焦距為10 cm樣品表面形成激光誘導(dǎo)等離子體，等離子體發(fā)光經(jīng)透鏡形成平行光到達(dá)穿孔反射鏡表面，使光路水平入射到聚焦透鏡，聚焦到光纖探頭上，光纖探頭收集激光作用在樣品上所產(chǎn)生的等離子體。為了避免激光打在同一點(diǎn)上，將樣品放在二維旋轉(zhuǎn)移動(dòng)平臺(tái)上，由SC300型二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)控制其勻速旋轉(zhuǎn)。再通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中存儲(chǔ)并利用專用軟件來進(jìn)行分析處理。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test

2 結(jié)果與分析

2.1 Cr元素特征譜線的確定

本次試驗(yàn)在采集延遲時(shí)間為2 μs，積分時(shí)間為8 μs，曝光時(shí)間為0.05 s，增益為200，單束激光的能量為150 mJ的條件下進(jìn)行，用光譜儀的3#光柵對(duì)等離子體信號(hào)進(jìn)行采集。圖2為樣品在417～435 nm波長范圍內(nèi)的激光等離子體發(fā)射光譜。根據(jù)美國NIST數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)標(biāo)定的譜線，確定Cr元素的主要特征譜線為 CrI 425.43 nm(發(fā)射強(qiáng)度20 000)，CrI 427.48 nm(16 000)，CrI 428.97 nm(10 000)?？芍?，CrI 425.43 nm(20 000)譜線的相對(duì)發(fā)射強(qiáng)度最大。為避免奶粉中基體元素的特征譜線的干擾應(yīng)盡可能選取特征發(fā)射譜線比較清晰且發(fā)射強(qiáng)度大的作為分析線。因此，選擇CrI425.43 nm作為Cr元素的代表性特征譜線進(jìn)行分析。

圖2 417～435 nm波段含Cr奶粉LIBS譜線Fig.2 LIBS Spectra of milk between 417 and 435 nm

圖3 Cr 425.43 nm Lorentz擬合曲線Fig.3 Cr 425.43 nm Lorentz Fitting curve

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理 光譜定量分析之前需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是把有用與無用信號(hào)分開，提取有用信號(hào)用于定量分析，為預(yù)測未知濃度樣品提供真實(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。LIBS光譜分析通過特征譜線的強(qiáng)度值推算其對(duì)應(yīng)樣品內(nèi)所含元素的濃度信息，該強(qiáng)度是扣除背景干擾之后的凈強(qiáng)度值。在高溫等離子體中引起特征譜線光譜展寬的主要因素有自然展寬、多普勒展寬、Stark展寬和儀器展寬。自然展寬在光譜分析中可以直接忽略，多普勒展寬決定于離子溫度在分析中同樣也忽略了它的影響。因此，實(shí)驗(yàn)中需要考慮的展寬主要是Stark展寬和儀器展寬。Stark展寬是由高溫等離子體中帶電粒子的碰撞引起的，屬于Stark效應(yīng)即電場對(duì)譜線的影響其線形主要是洛倫茲形［13］。儀器展寬是由于光的衍射效應(yīng)造成的對(duì)于實(shí)驗(yàn)所選用的光譜儀來說其譜線主要為高斯形。為此本次試驗(yàn)分析采用Lorentz函數(shù)進(jìn)行光譜輪廓曲線擬合。

圖3是對(duì)樣品GBW10017(GSB-8)中Cr元素的Lorentz函數(shù)曲線擬合，其中曲線的漸近線值y0為背景強(qiáng)度，峰值點(diǎn)H為特征譜線的強(qiáng)度值，凈強(qiáng)度值等于峰值點(diǎn)的特征譜線的強(qiáng)度值減去背景強(qiáng)度，在后面的研究中都采用同樣的方法找出每條分析線的背景強(qiáng)度并在光譜數(shù)據(jù)處理過程中減去背景噪聲。

2.2.2 外標(biāo)法定標(biāo)曲線分析 定量分析所依據(jù)的理論模型如下所述。Lomakin-Scheibe公式是最為常見的光譜定量分析的基本公式［14］，它是由實(shí)驗(yàn)得出的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，表述為

(1)式中:I為所測的光譜線強(qiáng)度;a和b為常數(shù)。a的值取決于激發(fā)條件;C為分析元素的濃度;b 為分析元素本身濃度的函數(shù)，b=b(C)，其取值范圍為 0.5 ～1。對(duì) 127.25，211.64，338.52，380.80，424.24，508.09，635.99 μg/g 7個(gè)含鉻不同濃度的奶粉樣品依次進(jìn)行定標(biāo)分析。通過線性擬合方法建立奶粉中Cr元素濃度與其LIBS強(qiáng)度關(guān)系模型如圖4所示，曲線的橫坐標(biāo)為被測元素的濃度，縱坐標(biāo)為元素的光譜強(qiáng)度，擬合曲線線性相關(guān)系數(shù)為0.946 52，從擬合曲線中可以看出擬合度較低的原因是奶粉380.80 μg/g樣品的強(qiáng)度明顯偏弱，可能是因?yàn)闃悠繁旧砘w效應(yīng)引起試驗(yàn)參數(shù)波動(dòng)導(dǎo)致。

圖4 定標(biāo)曲線Fig.4 Calibration curve

圖5 定標(biāo)曲線Fig.5 Calibration curve

2.2.3 內(nèi)標(biāo)標(biāo)法定標(biāo)曲線分析 在定量分析過程中，通?？梢赃x擇內(nèi)標(biāo)元素來降低實(shí)驗(yàn)參數(shù)波動(dòng)和基體效應(yīng)的影響。一般是選擇樣品含量變化非常小的元素作為內(nèi)標(biāo)，而且所選的元素與所分析元素具有相近的理化性質(zhì)和電離能，傳統(tǒng)的內(nèi)標(biāo)法選擇元素非常嚴(yán)格適應(yīng)范圍有限。本次試驗(yàn)選用Ca作為內(nèi)標(biāo)元素，奶粉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10017(GSB-8)中Ca的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(0.94+0.03)%，Ca 在 422.67 nm處的峰值譜線明顯且穩(wěn)定而且與CrI 425.43 nm處的峰值譜線具有相近的電離能，所以用Ca作為內(nèi)標(biāo)元素來降低實(shí)驗(yàn)參數(shù)波動(dòng)和基體效應(yīng)的影響是可行的。

在使用內(nèi)標(biāo)法的LIBS測量中，存在各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)的波動(dòng)導(dǎo)致等離子體信號(hào)強(qiáng)度的變化，基體效應(yīng)或者激光脈沖能量波動(dòng)等因素的影響將導(dǎo)致光譜強(qiáng)度變化，從而直接為元素含量測量帶來誤差。為解決此問題，在此引入強(qiáng)度歸一化［15］對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。以被測元素與內(nèi)標(biāo)元素含量比的對(duì)數(shù)值和被測元素光譜線強(qiáng)度與內(nèi)標(biāo)元素光譜強(qiáng)度之比的對(duì)數(shù)值建立定標(biāo)曲線。

具體方法如下，先對(duì)Lomakin-Scheibe公式變形，利用譜線強(qiáng)度的比值來進(jìn)行定標(biāo)，即有:

由于內(nèi)標(biāo)元素含量的變化范圍較小，在本文分析元素含量變化范圍之內(nèi)，可以認(rèn)為自吸系數(shù)b/b0為一恒定常數(shù)，且C的變化對(duì)b影響較小。

(3)式中:R為分析線與內(nèi)標(biāo)線的相對(duì)強(qiáng)度;Cn被測元素與內(nèi)標(biāo)元素濃度比;A為新的常數(shù)。

再把(2)式和(3)式相結(jié)合兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，可以得到

(4)式中:B=log(A/A0)，B為表征檢測限的常數(shù)，由于選取無自吸收的分析線和內(nèi)標(biāo)線，可以忽略自吸收系數(shù)等的影響。

根據(jù)上述強(qiáng)度歸一化法建立定標(biāo)曲線，對(duì) 127.25，211.64，338.52，380.80，424.24，508.09，635.99 μg/g 7個(gè)含鉻不同濃度的奶粉樣品依次進(jìn)行定標(biāo)分析。如圖5所示，其中曲線的橫坐標(biāo)為被測元素的濃度與內(nèi)標(biāo)元素比的對(duì)數(shù)，縱坐標(biāo)為元素Cr譜線凈強(qiáng)度與Ca元素譜線凈強(qiáng)度之比的對(duì)數(shù)，擬合曲線線性相關(guān)系數(shù)為0.991，比上述定標(biāo)曲線的擬合曲線的線性相關(guān)系數(shù)好。說明內(nèi)標(biāo)法定量分析在一定程度上可以提高測量準(zhǔn)確度。

3 結(jié)論

試驗(yàn)采用分辨率高的集成ICCD光譜儀對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)探測奶粉中Cr元素，采用外標(biāo)法與內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行定量分析。選擇具有相近的電離能Ca元素作為內(nèi)標(biāo)元素，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理提取光譜凈強(qiáng)度值，以被測元素與內(nèi)標(biāo)元素濃度比的對(duì)數(shù)值和被測元素光譜線強(qiáng)度與內(nèi)標(biāo)元素光譜強(qiáng)度之比的對(duì)數(shù)值建立定標(biāo)曲線，內(nèi)標(biāo)法的擬合曲線線性相關(guān)系數(shù)為0.991，對(duì)比發(fā)現(xiàn)內(nèi)標(biāo)法線性相關(guān)性明顯比外標(biāo)法好。為將來采用內(nèi)標(biāo)法建模應(yīng)用于便攜式LIBS測量系統(tǒng)提供了一定依據(jù)。

本文初步驗(yàn)證了高分辨率光譜儀對(duì)LIBS檢測食品中痕量重金屬元素的可行性，由于此次試驗(yàn)配制的樣品重金屬濃度偏高，達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用的要求，下一步將對(duì)系統(tǒng)各影響參數(shù)深化探討，并對(duì)數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)一步優(yōu)化，以期更大程度提高檢測的靈敏度和準(zhǔn)確度，并減低檢測限，以期達(dá)到國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的限量范圍。

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