黃連、附片和茯苓內銅元素激光誘導擊穿光譜分析

李占鋒， 王芮雯， 鄧 琥， 尚麗平

(1. 西南科技大學 制造科學與工程學院，四川 綿陽 621010；2. 西南科技大學 信息工程學院， 四川 綿陽 621010； 3. 特殊環(huán)境機器人四川省重點實驗室， 四川 綿陽 621010；4. 西南科技大學 極端條件物質特性聯(lián)合實驗室， 四川 綿陽 621010)

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黃連、附片和茯苓內銅元素激光誘導擊穿光譜分析

李占鋒1*， 王芮雯1， 鄧 琥2,3， 尚麗平3,4

(1. 西南科技大學 制造科學與工程學院，四川 綿陽 621010；2. 西南科技大學 信息工程學院， 四川 綿陽 621010； 3. 特殊環(huán)境機器人四川省重點實驗室， 四川 綿陽 621010；4. 西南科技大學 極端條件物質特性聯(lián)合實驗室， 四川 綿陽 621010)

為了驗證激光誘導擊穿光譜技術對中藥內重金屬銅元素檢測的可行性，以黃連、附片、茯苓作為檢測對象，分別為其配制了一系列濃度不同的含銅樣品。采用1 064 nm的納秒脈沖激光器作為激發(fā)光源，八通道光譜儀進行光譜采集。選用Cu 324.7 nm作為特征譜線進行分析，實驗確定最佳延遲時間為0.5 μs。根據黃連、附片、茯苓的不同基體情況分別選取適當內標參量進行定量分析，所得線性擬合度分別為0.986,0.931,0.975，并與直接定標所得結果進行了對比。實驗結果表明，內標法可提升擬合精度，激光誘導擊穿光譜技術可用于中藥重金屬銅元素污染的快速檢測。

激光誘導擊穿光譜技術； 中藥； 重金屬； 內標法； 定標曲線

1 引 言

中藥是中國醫(yī)藥學的瑰寶，但是近年來，生活污水和工業(yè)“三廢”(廢水、廢氣、廢渣)的違章排放、化肥和農藥的過度使用造成適于藥用植物生長土壤被污染(主要包括重金屬和有機污染物等)，中藥的品質[1]下降，療效降低甚至會危及患者的安全。國家藥典委員會頒布的《中國藥典》和中華人民共和國外經貿部頒布的《藥用植物及制劑進出口綠色行業(yè)標準》，明確規(guī)定了藥用植物及制劑的綠色品質標準(包括藥用植物原料、飲片、提取物及其制劑等的質量標準和檢驗方法)，其中銅(Cu)是中藥重金屬污染檢測的一個重要指標，其限量指標為小于20 mg/kg。

目前，中藥重金屬檢測的主要方法為化學分析法、原子吸收光譜法、電感耦合等離子體質譜法[2]。固然這些方法有很高的檢測靈敏度，但仍存在著一些不足?；瘜W分析法需要復雜的樣品預處理，操作繁瑣，分析時間較長且容易造成環(huán)境污染；原子吸收光譜法每次僅能分析一種待測元素，且樣品預處理復雜；電感耦合等離子體質譜法檢測過程中樣品預處理復雜，需要使用強酸，容易造成環(huán)境污染[3]。因此，發(fā)展一種能快速、原位、多元素同時檢測的中藥重金屬污染檢測方法對保障中藥的品質和安全有著十分重要的意義。

激光誘導擊穿光譜(Laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS)技術是近些年隨著激光技術和光譜儀器的發(fā)展而興起的對元素定性和定量分析的一種光譜技術，具有可同時進行多種元素分析、操作簡便、能實現真正的快速分析等優(yōu)點[4]，在諸多領域廣泛應用[5-8]。本文針對黃連(Coptis chinensis)、附片(Aconite root)和茯苓(Poria cocos)這3種常用中藥的重金屬Cu元素污染，研究了LIBS技術檢測的可行性。

2 實 驗

2.1 樣品表征

實驗所用的黃連、附片產于四川，茯苓產于云南，其母樣均購于四川省綿陽市某藥房。所購中藥首先由粉碎機(GX-04，高鑫)打碎成粉末狀，再用分樣篩(160目，華豐)進行分樣處理，最后獲得均勻的細粉末母樣。

針對3種中藥的細粉末母樣，采用電感耦合等離子體質譜儀(7700，Agilent technologies，USA)分別對其Cu元素含量進行檢測。由表1可知，所購的黃連、附片和茯苓中Cu元素的含量分別為0.282，0.016，0.040 mg/kg，遠低于《藥用植物及制劑進出口綠色行業(yè)標準》所規(guī)定的限量指標20 mg/kg，因此，采用這3種樣品進行分析時，可忽略樣品本身Cu元素含量的影響。

同時，采用原子吸收光譜儀(AA700，PerkinElmer，USA)分別對3種中藥細粉末中的鈣(Ca)元素含量進行檢測，為其作為內標元素提供依據。由表1可知，所購的黃連、附片和茯苓中Ca元素的含量分別為8.701，348.679，0.012 mg/kg，其中茯苓中的Ca元素含量極低。

表1 黃連、附片和茯苓中Ca和Cu的含量

Tab.1 Caand Cu content of coptis chinensis, aconite root and poria cocos mg/kg

ElementCoptischinensisAconiterootPoriacocosCuCa0.2828.701 0.016348.6790.0400.012

2.2 樣品配制

由于所購的黃連、附片和茯苓中Cu元素的含量極低，可忽略不計，因此，我們在3種中藥細粉末母樣中分別加入質量分數為0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%的硝酸銅并進行研磨。為保證樣品的致密度，研磨均勻程度等保持一致，研磨時間均為2 h。然后，通過型粉末壓片機(769YP-30T，科器)施加18 MPa壓力，持續(xù)3 min，壓制成直徑13 mm、厚度約為3 mm的片狀測試樣品。

2.3 實驗裝置

中藥重金屬LIBS檢測裝置如圖1所示。采用納秒脈沖激光器(Nd∶YAG Laser，Quanta-Ray Pro，Spectra-physics，USA)作為激發(fā)光源，其工作波長為1 064 nm、工作頻率為10 Hz。激光光束經過焦距為400 mm的透鏡聚焦于樣片表面。樣品垂直夾持于三維平移臺(GTS30V/XMS160/XMS100，Newport，USA)上。激光燒蝕樣品后產生等離子體，通過光纖探頭(Avantes，Nederland)傳輸到光譜儀(AvaSpec-2048-8-USB2，Avantes，Nederland)，其平均光譜分辨率為0.1 nm，光譜范圍為200～1 100 nm。光譜儀將采集數據傳送到計算機上進行顯示和分析。納秒脈沖激光器和光譜儀通過延時觸發(fā)器(DG645，SRS，USA)進行控制。

圖1 中藥重金屬LIBS檢測裝置示意圖

Fig.1 Device schematic diagram of LIBS detection for heavy metal in Chinese traditional medicine

2.4 實驗參數選取

實驗選取Cu 324.7 nm作為分析譜線，該譜線受其他譜線干擾較小，且具有較高的強度[9-10]。實驗采用的激光能量為60 mJ，在此能量下能夠較好地激發(fā)出各個譜線且不會過快地在樣品上產生較大的燒蝕坑。光譜儀積分時間采用60 ms。

圖2 不同延遲時間對發(fā)射光譜強度的影響。(a) 黃連；(b) 附片；(c) 茯苓。

Fig.2 Influence of delay time on the signal intensity. (a) Coptis chinensis. (b) Aconite root. (c) Poria cocos.

采用中藥重金屬LIBS檢測裝置，在延遲觸發(fā)器不同延遲時間下(激光脈沖與光譜儀采集之間的時間差)，分別對已配制的不同Cu元素含量的黃連、附片和茯苓進行檢測，獲得了不同延遲時間對發(fā)射光譜強度的影響，如圖2所示。分析可知，不同延遲時間對發(fā)射光譜強度的影響較大。為進一步確定實驗的最佳延遲時間，我們分別對其信噪比和324.7 nm處的發(fā)射光譜強度進行了分析。從圖3可以看出，當延遲時間為0.5 μs時，信噪比和324.7 nm處的發(fā)射光譜強度均為最高。

圖3 不同延遲時間下的信噪比和324.7 nm處的發(fā)射光譜強度比較。(a) 黃連；(b) 附片；(c) 茯苓。

Fig.3 Signal to noise ratio and intensity of 324.7 nm under different delay time. (a) Coptis chinensis. (b) Aconite root. (c) Poria cocos.

3 結果與討論

3.1 內標選取

在對黃連、附片和茯苓中Cu元素的定量分析過程中，為了減小實驗過程中激光能量波動、樣品表面其他雜質以及三維平移臺所帶來的誤差，我們采用內標法進行定標曲線分析。

由表1所示的3種中藥中Ca元素含量以及圖4所示的3種中藥母樣的LIBS光譜可知，黃連和附片中Ca元素含量相對較高，在測量時信號強度高且穩(wěn)定，并且Ca 319.7 nm處的峰值譜線與Cu 324.7 nm處的峰值譜線具有相近的電離能，適用于作為Cu 324.7 nm的內標元素[11]，從而建立定標曲線；而茯苓中Ca元素含量極低，在上述實驗條件下無法激發(fā)出Ca 319.7 nm處的譜線，且在附近沒有強度較高且信號穩(wěn)定的譜線作為內標，故以323.5～325.5 nm的光譜面積為內標[12]，從而建立定標曲線。

圖4 3種中藥母樣在313.0～328.0 nm處的LIBS光譜

Fig.4 LIBS spectra of three kinds of Chinese herbal medicine from 313.0 to 328.0 nm

3.2 定標曲線分析

黃連、附片、茯苓的定標曲線如圖5所示。其中橫坐標為樣品中Cu的濃度，左側縱坐標為無內標的定標曲線，以Cu 324.7 nm處的發(fā)射光譜峰值強度表示，分別獲得黃連、附片和茯苓Cu元素含量的線性擬合度分別為0.914,0.916,0.837；右側縱坐標為采用內標所得的定標曲線，以Cu 324.7 nm處的發(fā)射光譜峰值強度與所選取內標之比表示，獲得黃連、附片和茯苓Cu元素含量的線性擬合度分別為0.986,0.916,0.975。

通過定標曲線對比發(fā)現，使用內標法可有效提高線性擬合度。其中附片的提高幅度較小，主要是因為附片粉末的粘合度最差，制成的片狀測試樣品較軟、易碎；并且在進行LIBS檢測時，會產生更大的燒蝕坑且更容易擊穿，造成測試結果的隨機性和不穩(wěn)定性增加?？梢?，采用LIBS技術進行樣品檢測時，樣品本身的物理性質以及激發(fā)時燒蝕坑的深度都會對檢測精度造成較大的影響。

圖5 黃連(a)、附片(b)、茯苓(c)的定標曲線比較。

Fig.5 Comparison of calibration curves of coptis chinensis(a), aconite root(b), and poria cocos(c), respectively.

根據圖5所得黃連、附片、茯苓的定標曲線，結合相對偏差計算方法，我們分別對不同濃度的測試樣品的相對偏差進行了計算，結果如表2所示，其相對偏差均小于±4%。

表2 不同濃度測試樣品的相對偏差

4 結 論

采用LIBS技術對黃連、附片和茯苓中的Cu元素進行了檢測，通過對不同延遲時間下的發(fā)射光譜強度及信噪比的分析，獲得了最佳延遲時間為0.5 μs。采用直接定標和利用內標法定標對Cu 324.7 nm處的發(fā)射光譜強度進行了定量分析，獲得了內標條件下黃連、附片和茯苓Cu元素含量的線性擬合度，分別為0.987,0.932,0.976。通過對比可知，使用內標法可減小誤差、提升精度。根據定標曲線，分別計算得到了不同濃度測試樣品的相對偏差均小于±4%，表明該測試方法具有較好的精度。實驗結果表明，LIBS技術可運用于黃連、附片、茯苓中Cu元素的檢測，且內標法在定量分析中可有效提高精度。

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李占鋒(1966-)，男，黑龍江勃利人，教授，1991年于哈爾濱工業(yè)大學獲碩士學位，主要從事檢測技術及應用、光譜傳感技術等方面的研究。

E-mail： 109181294@qq.com

Laser Induced Breakdown Spectros Copy of Cu in Coptis Chinensis， Aconite Root and Poria Cocos

LI Zhan-feng1*, WANG Rui-wen1, DENG Hu2,3, SHANG Li-ping3,4

(1.SchoolofManufacturingScienceandEngineering,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,China; 2.SchoolofInformationEngineering,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,China; 3.RobotTechnologyUsedforSpecialEnvironmentKeyLaboratoryofSichuanProvince,Mianyang621010,China; 4.LaboratoryforExtremeConditionsMatterProperties,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,China)*CorrespondingAuthor,E-mail: 109181294@qq.com

In order to verify the laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) is feasible for the detection of heavy metal elements in Chinese traditional medicine, using coptis chinensis, aconite root and poria cocos as detection object, a series of Cu element samples with different concentrations were prepared. 1 064 nm Nd∶YAG solid pulse laser was used as the excitation source, the eight channel spectrometer was used for spectral data acquisition. Cu 324.7 nm was selected as characteristic spectral line, and the optimal delay time was determined for 0.5 μs. According to the different substrate conditions of coptis chinensis, aconite root and poria cocos, the appropriate internal standard parameters were selected, and the linear degree was 0.986, 0.931, 0.975, respectively. The results were compared with the results of direct calibration. The experiment results show that the internal standard method can improve fitting accuracy and LIBS can be used for the rapid detection of heavy metal Cu pollution of traditional Chinese medicine.

laser induced breakdown spectroscopy; traditional Chinese medicine; heavy metal; internal standard method; calibration curve

∶1000-7032(2016)01-0100-06

2015-09-08；

2015-11-21

國家自然科學基金(11176032)； 極端條件物質特性實驗室資助課題(12zxjk05,13zxjk02)； 特殊環(huán)境機器人技術四川省重點實驗室開放基金(13zxtk0502)資助項目

O567.32

A

10.3788/fgxb20163701.0100