激光誘導(dǎo)擊穿光譜結(jié)合偏最小二乘法定量分析臍橙中Cd含量*

張旭 姚明印 劉木華

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,生物光電與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330045)

(2012年8月9日收到;2012年9月19日收到修改稿)

1 引言

臍橙以其營(yíng)養(yǎng)豐富、色澤鮮艷等特點(diǎn),深受人們喜愛.其中贛南臍橙品質(zhì)優(yōu)良、果大形正、肉質(zhì)脆嫩、風(fēng)味濃香,是我國(guó)產(chǎn)銷最大的臍橙,受到國(guó)內(nèi)外的高度評(píng)價(jià),也給當(dāng)?shù)貛?lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益.但隨著工業(yè)污染的加劇,尤其是電池、冶煉及橡膠等污染較嚴(yán)重的工業(yè),其污染物中含有大量有毒重金屬鎘(Cd),未經(jīng)處理的污染物大量排放到環(huán)境中,嚴(yán)重污染植物生長(zhǎng)所必須的土壤、水和空氣等環(huán)境.隨著植物的不斷生長(zhǎng),有毒的Cd元素通過水、土壤和空氣的吸收進(jìn)入果實(shí)中,給人類健康帶來(lái)危害.Cd元素進(jìn)入人體后影響肝、腎臟等器官的功能,導(dǎo)致骨質(zhì)疏松和軟化,甚至?xí)T發(fā)腎臟發(fā)生癌變,致人死亡[1?3].因此,快速靈敏的檢測(cè)出臍橙中Cd含量用以防止污染嚴(yán)重的臍橙進(jìn)入市場(chǎng)而影響到人體健康具有非常重要的意義.

目前檢測(cè)農(nóng)產(chǎn)品重金屬元素Cd的主要方法有原子吸收光譜法(atomic absorption spectroscopy,AAS)、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy,ICP-AES)、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(inductively coupled plasma massspectrometry,ICP-MS)、原子熒光光譜 (atomic fl uorescence spectrometry,AFS)[4?6]等.由于用光譜法和質(zhì)譜法檢測(cè)樣品時(shí),前處理時(shí)間長(zhǎng)且復(fù)雜,無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、在線、原位和快速檢測(cè).激光誘導(dǎo)擊穿光譜(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種光譜檢測(cè)技術(shù).其基本原理是:一束高能脈沖激光經(jīng)聚焦透鏡聚焦到樣品上,在激光能量密度高于樣品的擊穿閾值時(shí),樣品表面將電離產(chǎn)生大量激光誘導(dǎo)等離子體,其中等離子體主要有分子,原子和離子組成,并發(fā)射出不同頻率的光子,用光纖將各波段的光譜收集并傳輸?shù)焦庾V儀中,利用不同元素產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的譜線這一特性,再用計(jì)算機(jī)進(jìn)行定性及定量分析各種元素[7?9].由于LIBS具有快速、實(shí)時(shí)、非接觸式、多元素同時(shí)檢測(cè)等特點(diǎn)[10?13],并且LIBS技術(shù)無(wú)需樣品前處理,裝置系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單快捷,且不受檢測(cè)對(duì)象的約束,目前該技術(shù)越來(lái)越廣泛的用于液體、固體以及氣體的物質(zhì)成分檢測(cè)[14?16].

LIBS技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵在于檢測(cè)物質(zhì)中元素成分及含量信息,提高精度和穩(wěn)定性已成為L(zhǎng)IBS技術(shù)急需突破的重要問題,而目前最為普遍的LIBS定量分析方法為利用元素真實(shí)濃度和特征波長(zhǎng)的光譜強(qiáng)度建立相應(yīng)的關(guān)系[17,18].但是LIBS技術(shù)中的基體效應(yīng)和自吸收現(xiàn)象在很大程度上影響到定量分析的精度和穩(wěn)定性.對(duì)于基體復(fù)雜的樣品,單純的強(qiáng)度-濃度定標(biāo)法難以滿足要求.為此,研究出合理的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法來(lái)建立定量檢測(cè)模型對(duì)LIBS技術(shù)的運(yùn)用具有非常重要的作用.本文將運(yùn)用合理的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法和偏最小二乘法(PLS)建立贛南臍橙中Cd含量的定量分析模型.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

LIBS實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.主要有以下幾部分組成:激光光源為調(diào)Q納秒級(jí)Nd:YAG 1064 nm激光器(BeamTech,Nimma-200,China),激光脈沖寬度為8 ns,單脈沖最高能量可以達(dá)到200 mJ,發(fā)散角不大于1 mrad,光束直徑6 mm;使用DG535數(shù)字脈沖信號(hào)發(fā)生器(Stanford research systems,USA)控制激光脈沖與光譜采集之間的延遲時(shí)間;高精度八通道光纖光譜儀(AvaSpec-2048F T-8RM,Netherlands)收集光譜,其光譜范圍為200—1050 mm,每個(gè)通道覆蓋的波長(zhǎng)分別為 200—317,315—417,415—499,497—565,563—673,671—750,748—931,929—1050 nm,最小分辨率達(dá)到0.07 nm,光譜儀內(nèi)置增強(qiáng)型電荷耦合器件(CCD,累加次數(shù)20次,曝光時(shí)間0.05 s,增益200,門寬2.0μs);系統(tǒng)中使用兩塊直徑為30 mm,焦距為100 mm的平凸透鏡;檢測(cè)時(shí)樣品被放置在旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)上(SC300-1A,卓立漢光儀器有限公司,北京),使樣品實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng),以防止樣品被局部灼傷.

由于LIBS檢測(cè)樣品受到諸如激光能量、延遲時(shí)間、積分時(shí)間、掃描次數(shù)、環(huán)境等因素的影響,需要對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化.研究小組在前期的工作中已經(jīng)對(duì)激光能量和延遲時(shí)間做了參數(shù)優(yōu)化,本實(shí)驗(yàn)基于優(yōu)化的參數(shù)進(jìn)行LIBS檢測(cè)Cd初步研究.

圖1 LIBS試驗(yàn)裝置示意圖

3 樣品處理與檢測(cè)

3.1 樣品處理

實(shí)驗(yàn)所用臍橙樣品采摘自信豐縣,由于臍橙產(chǎn)地優(yōu)良,為了驗(yàn)證LIBS檢測(cè)的臍橙中重金屬元素效果及可行性,需要對(duì)樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室污染處理.采用CdCl2(天津市永大化學(xué)試劑開發(fā)中心,純度99.0%)配制濃度范圍在100—4000μg/mL的52個(gè)不同濃度的Cd溶液,在配制的每個(gè)溶液中分別放入一個(gè)贛南臍橙樣品進(jìn)行浸泡,48 h后將其逐個(gè)取出,并用超純水多次沖洗樣品表面,消除樣品表面殘留的Cd溶液對(duì)樣品中Cd的真實(shí)含量的影響.由于樣品表面水分將影響LIBS光譜質(zhì)量,所以將樣品先在常溫空氣中自然風(fēng)干.

3.2 樣品LIBS檢測(cè)

利用本實(shí)驗(yàn)室自主搭建的LIBS檢測(cè)裝置平臺(tái),在自然大氣環(huán)境下,將浸泡污染后的贛南臍橙樣品放置在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上,并實(shí)現(xiàn)勻速旋轉(zhuǎn),可以達(dá)到消除樣品不均性造成的誤差,以及避免激光重復(fù)作用在同一點(diǎn)上而導(dǎo)致樣品表面部分被灼傷的現(xiàn)象.激光脈沖激發(fā)出等離子體的過程中,同一元素的等離子體會(huì)產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的光譜,在分析確定樣品中元素及其濃度時(shí),選擇最佳的特征波長(zhǎng)譜線對(duì)元素的定性和定量分析至關(guān)重要.為了確定Cd元素的譜線位置,試驗(yàn)對(duì)配置的Cd溶液和臍橙樣品進(jìn)行LIBS信號(hào)采集,如圖2(a)和(b)所示,根據(jù)美國(guó)NIST原子數(shù)據(jù)庫(kù),在波長(zhǎng)范圍為210—231 nm之間有三個(gè)明顯的Cd元素的特征波長(zhǎng),分別為離子線Cd II 214.441 nm,離子線Cd II 226.502 nm,原子線Cd I 228.802 nm,無(wú)論是Cd元素的原子譜線還是離子譜線的信息都能準(zhǔn)確反映出Cd元素的存在及其濃度.

3.3 樣品真實(shí)濃度檢測(cè)

為了獲取52個(gè)樣品中Cd元素的真實(shí)濃度,用濕法消解法對(duì)每個(gè)樣品取部分進(jìn)行消解處理,然后在原子吸收分光光度計(jì)儀器上測(cè)量得到每個(gè)樣品中Cd元素的真實(shí)濃度.濕法消解及原子吸收分光光度計(jì)測(cè)量的具體過程如下:對(duì)每個(gè)樣品,用電子天平稱稱取激光擊打位置的臍橙2.0 g,放入150 mL錐形瓶中,加入20 mL優(yōu)級(jí)純硝酸,然后置于可調(diào)電熱板上進(jìn)行加熱.隨著消解液溫度的升高,蒸發(fā)速度不斷加大,當(dāng)消解液減少到只有10 mL左右時(shí),觀察其狀態(tài),如顏色仍較深或有未分解物,將錐形瓶取下待冷卻,然后補(bǔ)加5 mL優(yōu)級(jí)純硝酸.如此反復(fù)觀察及補(bǔ)加,直到消解液為淺黃色或無(wú)色,接著加入1 mL高氯酸,加熱至冒白煙,便取下冷卻.為了符合原子吸收分光光度計(jì)的最佳檢測(cè)條件,用5%硝酸沖洗52個(gè)錐形瓶,并分別定容至50 mL定量瓶中,接著利用原子吸收分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)量,得到如表1所示的52個(gè)樣品中Cd元素的實(shí)際含量.

圖2 波長(zhǎng)210—231 nm范圍Cd特征譜線 (a)純Cd溶液;(b)臍橙樣品

表1 樣品中Cd實(shí)際含量

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理

將52個(gè)樣品分成A,B兩組,其中A組由13個(gè)樣品組成,樣品號(hào)是根據(jù)方程:Y=4X+3,其中Y為樣品號(hào),X依次取0—12,其余39個(gè)樣品組成B組.用B組數(shù)據(jù)來(lái)建立PLS模型,A組數(shù)據(jù)用于模型驗(yàn)證.由于影響LIBS質(zhì)量的因素較多,如樣品表面平整度、系統(tǒng)參數(shù)、光譜噪聲等因素的影響,其中光譜數(shù)據(jù)中噪聲對(duì)特征信號(hào)的影響很大,所以降低噪聲帶來(lái)的影響是定量檢測(cè)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵.本文使用五點(diǎn)平滑法來(lái)處理光譜數(shù)據(jù),從而使得光譜數(shù)據(jù)具有更好的規(guī)律性,并可以減小噪聲和誤差給定量分析帶來(lái)的負(fù)面影響.五點(diǎn)平滑法計(jì)算過程為假設(shè)五個(gè)相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)橫坐標(biāo)分別為x=?2,?1,0,1,2,那么根據(jù)五點(diǎn)平滑公式:

經(jīng)過平滑處理后,LIBS裝置系統(tǒng)及環(huán)境因素帶來(lái)的噪聲和誤差得到了減弱,但是LIBS光譜容易產(chǎn)生光譜曲線漂移現(xiàn)象,導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法得到理想的穩(wěn)定性,然而穩(wěn)定性也是檢驗(yàn)LIBS系統(tǒng)定量檢測(cè)物質(zhì)元素重要的標(biāo)準(zhǔn)之一.為了進(jìn)一步獲得更好的PLS模型所需的數(shù)據(jù),解決光譜漂移導(dǎo)致定量分析的不穩(wěn)定性,在數(shù)據(jù)平滑處理后,再用數(shù)據(jù)中心化預(yù)處理進(jìn)行優(yōu)化處理.如圖3所示,其中圖3(a)為未經(jīng)平滑處理和中心化處理的平均強(qiáng)度光譜圖,圖3(b)為經(jīng)過平滑處理和中心化處理的平均強(qiáng)度光譜圖,對(duì)比圖3(a)和(b),顯示出經(jīng)過平滑和中心化預(yù)處理的光譜噪聲明顯要低于未經(jīng)處理的光譜噪聲.

4.2 PLS建模及模型驗(yàn)證

當(dāng)樣品量較多的情況時(shí),由于環(huán)境帶來(lái)的誤差、光譜噪聲等一系列影響,用常規(guī)的賽伯-羅馬金公式對(duì)特征譜線強(qiáng)度與元素濃度進(jìn)行線性擬合,無(wú)法得到線性關(guān)系很強(qiáng)的擬合結(jié)果.為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的對(duì)贛南臍橙中Cd元素的定量檢測(cè),采用PLS建立模型并進(jìn)行定量分析.圖4所示為L(zhǎng)IBS預(yù)測(cè)濃度與AAS檢測(cè)濃度的PLS擬合曲線模型,擬合所使用的數(shù)據(jù)為B組的39個(gè)樣品數(shù)據(jù),擬合得到的定標(biāo)曲線相關(guān)系數(shù)為0.9806,表明定標(biāo)樣品的參考濃度和LIBS預(yù)測(cè)濃度具有良好的擬合關(guān)系.

圖3 LIBS光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理前后對(duì)比 (a)預(yù)處理前;(b)預(yù)處理后

圖4 LIBS預(yù)測(cè)濃度與AAS檢測(cè)濃度的PLS擬合曲線

根據(jù)上述的定量模型,對(duì)A組樣品進(jìn)行濃度預(yù)測(cè),將光譜數(shù)據(jù)代入到PLS定量模型,計(jì)算得到預(yù)測(cè)樣品中的Cd元素LIBS預(yù)測(cè)濃度、相對(duì)誤差(如表2所示).表2顯示的相對(duì)誤差中,1號(hào)樣品由于Cd的實(shí)際濃度非常小,預(yù)測(cè)的濃度微小的偏差就會(huì)帶來(lái)較大的相對(duì)誤差,除去1號(hào)樣品,其他12個(gè)樣品的平均相對(duì)誤差為10.94%.

表2 預(yù)測(cè)樣品中的Cd的濃度信息

4.3 檢測(cè)限及靈敏度預(yù)測(cè)

對(duì)于一種檢測(cè)技術(shù)來(lái)說,檢測(cè)限及其靈敏度是相當(dāng)重要的參數(shù).計(jì)算LIBS技術(shù)檢測(cè)限的方法一般都采用LOD=[19],但是此計(jì)算方法適用于以濃度和光譜強(qiáng)度來(lái)建立定標(biāo)曲線的方式進(jìn)行定量分析.由于本文的研究方法不同,因此不能使用這個(gè)常規(guī)的計(jì)算檢測(cè)限公式.針對(duì)本文提出的PLS定標(biāo)方法,為了初步估計(jì)檢測(cè)限,擬分析低濃度的樣品,將1號(hào)和2號(hào)樣品在PLS模型中進(jìn)行預(yù)測(cè),得到的預(yù)測(cè)濃度分別為?5.314和11.5μg/g,完全偏離了真實(shí)濃度.結(jié)合3號(hào)樣品的預(yù)測(cè)結(jié)果,可以初步確定LIBS技術(shù)結(jié)合PLS對(duì)臍橙中Cd元素的定量分析檢測(cè)限為3μg/g左右.由于實(shí)驗(yàn)僅對(duì)激光能量和延遲時(shí)間做了優(yōu)化,影響LIBS檢測(cè)效果的因素有很多,因此,實(shí)驗(yàn)檢測(cè)限雖然沒有達(dá)到國(guó)家對(duì)水果重金屬元素控制標(biāo)準(zhǔn),但實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分體現(xiàn)了LIBS技術(shù)對(duì)檢測(cè)農(nóng)產(chǎn)品中重金屬元素的可行性,有很大的發(fā)展空間,未來(lái)的研究重點(diǎn)將致力于降低LIBS檢測(cè)限上.

為了初步探測(cè)LIBS檢測(cè)裝置的靈敏度,取濃度相近的7,8,9和10,11號(hào)兩組樣品,對(duì)樣品的LIBS信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行分析.結(jié)果顯示,10,11號(hào)樣品濃度間隔為0.061μg/g,LIBS信號(hào)強(qiáng)度間隔13個(gè)數(shù)值點(diǎn),其他濃度相近的樣品有相似的結(jié)果.說明該LIBS裝置在檢測(cè)相近濃度的樣品時(shí),LIBS信號(hào)強(qiáng)度在明顯的可觀測(cè)范圍內(nèi).由于LIBS檢測(cè)裝置所采用的激光器、光譜儀、光纖探頭、透鏡等關(guān)鍵部件的靈敏度不斷在提高,采用高靈敏度的裝置,對(duì)LIBS檢測(cè)靈敏度的提升空間很大.

5 結(jié)論

利用LIBS檢測(cè)裝置獲取經(jīng)污染處理的臍橙樣品中Cd元素的強(qiáng)度與譜線位置信息,結(jié)合五點(diǎn)平滑法和中心化法對(duì)樣品光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,得到優(yōu)化的光譜強(qiáng)度信息.使用原子分光光度計(jì)測(cè)量樣品中Cd含量作為參考濃度,基于PLS對(duì)其中的39個(gè)樣品建立Cd元素的定量分析模型,再用該模型預(yù)測(cè)另外13個(gè)樣品的Cd含量.對(duì)PLS模型進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),PLS模型中擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為0.9806,12個(gè)樣品的驗(yàn)證結(jié)果的相對(duì)誤差為10.94%,并初步估計(jì)檢測(cè)限為3μg/g左右.隨著LIBS檢測(cè)儀器靈敏度的提高及實(shí)驗(yàn)條件的不斷優(yōu)化,檢測(cè)的靈敏度、穩(wěn)定性和精確度將會(huì)大大改善.本研究結(jié)果表明,激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)能夠無(wú)損、無(wú)需樣品前處理、準(zhǔn)確的檢測(cè)農(nóng)產(chǎn)品中重金屬含量,為農(nóng)產(chǎn)品的安全檢測(cè)提供了技術(shù)方法,也為將來(lái)設(shè)計(jì)研究便捷式LIBS裝置實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速高效檢測(cè)提供支持.

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