激光誘導(dǎo)擊穿光譜檢測豬飼料中Cu元素含量技術(shù)研究

■ 劉珊珊 張 俊 林思寒 賴曲芳 黎 靜，4* 劉木華

1，2，4 艾子平1

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江西南昌 330045；2.江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330045；3.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江西南昌 330045；4.江西省果蔬采后處理關(guān)鍵技術(shù)與治理安全協(xié)同創(chuàng)新中心，江西南昌 330045）

微量元素在許多動(dòng)物的營養(yǎng)生理生化過程中是必不可少的，具有調(diào)節(jié)機(jī)體神經(jīng)體液和免疫反應(yīng)等作用[1]。銅是仔豬微量元素營養(yǎng)中重要的組成部分，在日糧中缺乏或不足都會(huì)對(duì)仔豬的食欲、體質(zhì)、生產(chǎn)性能以及健康狀態(tài)等產(chǎn)生不同程度的影響[2]。正常日糧飼料基本上能滿足畜禽對(duì)銅的需要，但以玉米、谷物等為基礎(chǔ)日糧時(shí)，仍需補(bǔ)充銅[3]。飼料是養(yǎng)豬的物質(zhì)基礎(chǔ)[4]，現(xiàn)代動(dòng)物養(yǎng)殖與飼料工業(yè)公認(rèn)天然飼料難以平衡地滿足動(dòng)物的營養(yǎng)需要，科學(xué)合理地添加微量元素是養(yǎng)殖業(yè)的必然需求[1]。此后,銅作為一種高效、低價(jià)、便利的促生長添加劑在養(yǎng)豬業(yè)中被廣泛應(yīng)用,目前在國內(nèi)外的養(yǎng)豬生產(chǎn)中,使用高銅作為豬的促生長飼料添加劑的現(xiàn)象已相當(dāng)普遍[5]。由于體內(nèi)銅積累量高，長期食用高銅飼料會(huì)導(dǎo)致豬肝臟內(nèi)銅含量的增加，容易引起溶血，黃疸甚至死亡，因此，使用高劑量銅來促進(jìn)動(dòng)物生長已逐漸受到限制。銅含量超標(biāo)的飼料不僅對(duì)豬自身造成一定影響，還會(huì)導(dǎo)致機(jī)體中毒，危害人體健康，也會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

目前飼料中Cu元素檢測分析技術(shù)主要有原子吸收光譜法(atomic absorption spectroscopy，AAS)、分光光度法、電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜法(inductively coupled plasma atomic emission spectrometry,ICP－AES)和電感耦合等離子體-質(zhì)譜分析法(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP－MS)等，但這些方法都存在樣品預(yù)處理步驟繁瑣，容易造成樣品二次污染，不能達(dá)到無損檢測等缺點(diǎn)。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)是采用聚焦的高能量脈沖激光入射到樣品的表面產(chǎn)生等離子體，收集該等離子體發(fā)射的光譜，從而分析推導(dǎo)出樣品的元素組成成分及含量[6]。LIBS具有便捷快速、實(shí)時(shí)分析、無需復(fù)雜的樣品預(yù)處理且可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種元素同時(shí)分析等優(yōu)勢，目前該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于金屬冶煉[7-8]、土壤污染[9-10]、水體污染[11-12]和農(nóng)產(chǎn)品檢測[13]等領(lǐng)域。

對(duì)于Cu元素的LIBS檢測，國內(nèi)外都有相關(guān)報(bào)道。Ferreira E C[14]提出了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于LIBS校準(zhǔn)策略，旨在測定土壤樣品中的銅。從異種組參考土壤樣品和59個(gè)樣品的光譜分析高銅濃度用于校準(zhǔn)和驗(yàn)證。簡單線性回歸（單反相機(jī)）和包裝方法是用來選擇一組波長的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的兩種方法。應(yīng)用交叉驗(yàn)證，依據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，對(duì)預(yù)測的準(zhǔn)確性驗(yàn)證。雖然儀器比較簡單，但是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)銅的預(yù)測顯示出良好的預(yù)測結(jié)果。該方法的銅檢測限為2.3 mg/dm3和均方誤差預(yù)測為0.5。傅院霞等[15]研究闡述了Cu原子LIBS光譜信號(hào)的時(shí)間演化特性，激光功率密度對(duì)LIBS光譜信號(hào)的影響，測定Cu元素濃度在31.25 mg/kg到1 000 mg/kg區(qū)域內(nèi)變化時(shí)324.75 nm譜線的強(qiáng)度，由定標(biāo)曲線擬合結(jié)果得到銅元素的檢測限為23 mg/kg。林永增等[16]對(duì)臍橙樣品做了時(shí)間特性和能量特性影響的試驗(yàn)，通過信背比的計(jì)算比較，得到最佳延遲時(shí)間1 200 ns，最佳的激光能量100 MJ，且相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為10.32%,然后在這一試驗(yàn)參數(shù)下，對(duì)6個(gè)含不同Cu濃度的臍橙樣品進(jìn)行試驗(yàn)，建立Cu元素濃度與其特征光譜強(qiáng)度之間的定標(biāo)曲線，線性擬合相關(guān)系數(shù)為0.96，通過定標(biāo)曲線計(jì)算得到Cu的檢測限為10.81 μg/g。

目前，利用LIBS技術(shù)檢測飼料中Cu等微量元素的相關(guān)研究尚未開展，本研究擬采用LIBS技術(shù)測定并分析豬飼料中Cu元素的激光誘導(dǎo)擊穿光譜特性，確定LIBS技術(shù)檢測飼料中Cu元素的最佳特征譜線，也為飼料中其他金屬元素的相關(guān)檢測提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品制備

試驗(yàn)所用飼料來自江西海通農(nóng)牧有限公司生產(chǎn)的生長肥育豬前期配合飼料，用粉末粉碎機(jī)（400 Y，鉑歐五金廠）粉碎；添加硫酸銅為分析純（純度≥99.0%，西隴科學(xué)股份有限公司），并用研缽研磨粉碎和飼料混合均勻。在原飼料的基礎(chǔ)上添加硫酸銅配置13組含銅量不同的飼料樣品(96.8、146.8、196.8、246.8、276.8、296.8、346.8、396.8、426.8、446.8、496.8、546.8、596.8 μg/g),為了使其混合均勻，分別將樣品置放在振蕩器（VORTEX-6，海門市其林貝爾儀器制造有限公司）上勻速振蕩5 min。最后用手動(dòng)壓片機(jī)（T69YP-15A,天津市科器高新技術(shù)公司）壓制成直徑30 mm，厚度5 mm的圓餅狀樣品。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用LIBS系統(tǒng)試驗(yàn)裝置如圖1所示。主要是由共軸雙束固體激光器(Vlite 200，Beamtech Optronics Co.，Ltd)、雙 通 道 光 纖光 譜 儀 (AvantesB.V.，AvaSpec-2048F T-8RM)、數(shù)字延遲發(fā)生器(DG645，Stanford Research Systems，Inc.)、水平精密旋轉(zhuǎn)臺(tái)和計(jì)算機(jī)組成。

Nd:YAG激光器的工作波長是1 064 nm，單脈沖最大輸出能量為300 MJ；數(shù)字延遲發(fā)生器控制著光譜儀收集等離子體的發(fā)射信號(hào)；激光束經(jīng)45o反射鏡后透過焦距為100 mm的聚焦透鏡聚焦于樣品表面產(chǎn)生等離子體，發(fā)光等離子體經(jīng)聚焦透鏡變成平行光，再經(jīng)穿孔反射鏡水平入射到透鏡，聚焦到光纖探針上。等離子體產(chǎn)生的光譜信號(hào)經(jīng)光纖傳輸，通過光譜儀收集光譜信號(hào)，最終將光譜信號(hào)顯示在計(jì)算機(jī)上，為了避免激光打在同一點(diǎn)上，樣品放置于水平精密旋轉(zhuǎn)臺(tái)上。

圖1 LIBS試驗(yàn)裝置示意圖

1.3 激光誘導(dǎo)擊穿光譜采集

試驗(yàn)中，激光脈沖每10次記錄1次光譜，一共記錄10次，且每個(gè)樣品選取3個(gè)位置測量，每個(gè)位置上樣品旋轉(zhuǎn)采集100個(gè)點(diǎn)，即每1幅光譜圖是激光作用在100個(gè)不同點(diǎn)的平均結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 豬飼料中Cu元素LIBS特征光譜的確定

通過Avosoft7.8分析軟件并參照NIST原子光譜數(shù)據(jù)庫[17]得到飼料樣品中Cu元素的LIBS光譜。Cu含量為596.8 μg/g的飼料樣品在312～330 nm之間的光譜圖如圖2所示，CuⅠ324.74 nm和CuⅠ327.38 nm的譜線都很明顯，因?yàn)镃uⅠ324.74 nm光譜強(qiáng)度更大，更有利于分析檢測，故選擇CuⅠ324.74 nm作為分析光譜。

圖2 樣品在312～330 nm波段內(nèi)的激光等離子體光譜

2.2 試驗(yàn)參數(shù)條件的優(yōu)化

2.2.1 單因素試驗(yàn)

2.2.1.1 激光能量的優(yōu)化

選取含銅量596.8 μg/g飼料樣品，把采集延時(shí)時(shí)間定為1.28 μs,把激光能量分別設(shè)為60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%，共7個(gè)能量點(diǎn)，7個(gè)能量點(diǎn)的值分別為70.5、110、146.2、179.5、212、240、240.7 MJ，然后在每個(gè)激光能量下進(jìn)行激光能量特性試驗(yàn)，共采集70幅光譜圖。試驗(yàn)得到各激光能量下特征光譜CuⅠ324.74 nm的光譜強(qiáng)度、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）與激光能量之間的關(guān)系如圖3。從圖3中可以看到，隨著激光能量的增強(qiáng)，光譜強(qiáng)度先增強(qiáng)后減小，在80%處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折；RSD隨著激光能量的增強(qiáng)基本沒呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，當(dāng)激光能量為85%時(shí)RSD最小值。結(jié)合兩條曲線變化可知：激光能量為85%時(shí)RSD接近10%，光譜強(qiáng)度接近最大值，因此取85%為最佳激光能量點(diǎn)，即240 MJ。

圖3 CuⅠ 324.74 nm的LIBS強(qiáng)度、RSD與激光能量的關(guān)系曲線

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，又稱變異系數(shù)，該值通常用來表示分析測試結(jié)果的精密度。

式中：SD——標(biāo)準(zhǔn)偏差；

xˉ——計(jì)算結(jié)果的算術(shù)平均值。

2.2.1.2 采集延時(shí)時(shí)間的優(yōu)化

同樣選取含銅量596.8 μg/g的飼料樣品，把激光能量定為240 MJ，把采集延時(shí)時(shí)間分別設(shè)為1.28、1.38、1.48、1.58、1.68、1.78、1.88、1.98、2.08 μs，共9個(gè)采集延時(shí)點(diǎn)，共采集90幅光譜圖。試驗(yàn)得到各延時(shí)時(shí)間下特征光譜CuⅠ324.74 nm的光譜強(qiáng)度、RSD與采集延時(shí)之間的關(guān)系如圖4所示。從圖4中可以看出，光譜強(qiáng)度隨著采集延時(shí)的增大而減小，1.28 μs時(shí)最大，在1.98 μs處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，RSD出現(xiàn)多次轉(zhuǎn)折點(diǎn)，1.28 μs處RSD最接近10%，說明這個(gè)延時(shí)光譜采集最穩(wěn)定，但是如圖5所示，采集延時(shí)1.28 μs的譜線基線太高，該延時(shí)下譜線往上漂移量高達(dá)1 500 a.u.；而延時(shí)為1.58 μs時(shí)譜線往上漂移量為400 a.u.左右。結(jié)合兩條關(guān)系曲線圖，延時(shí)1.38 μs以后光譜強(qiáng)度均處于下降趨勢，延時(shí)1.58 μs處RSD接近10%，光譜強(qiáng)度適中，基線較平穩(wěn)，因此最佳采集延時(shí)時(shí)間取1.58 μs。

圖4 CuⅠ 324.74 nm的LIBS強(qiáng)度、RSD與采集延時(shí)的關(guān)系曲線

圖5 采集延時(shí)1.28 μs和1.58 μs的光譜譜線

對(duì)其中四個(gè)光譜強(qiáng)度和RSD綜合效果較好的采集延時(shí)和激光能量參數(shù)進(jìn)行全面試驗(yàn)。其對(duì)應(yīng)試驗(yàn)方案如表1所示。

2.2.2 多因素試驗(yàn)

根據(jù)3.2.1中試驗(yàn)的討論結(jié)果，選擇四個(gè)水平采集延時(shí)(μs)(A)和激光能量(MJ)(B)，試驗(yàn)因素及水平見表2。

試驗(yàn)得到各方案下特征光譜CuⅠ324.74 nm的光譜強(qiáng)度、RSD與采集延時(shí)之間的關(guān)系如圖6。當(dāng)以光譜強(qiáng)度作為一個(gè)主要考慮的因變量時(shí)，方案3、方案4、方案12的譜線強(qiáng)度較高且強(qiáng)度較接近；以RSD為評(píng)判指標(biāo)時(shí)，上述三個(gè)方案的RSD的大小分別為0.14、0.15和0.15。綜上所述，本試驗(yàn)以方案3為最佳方案，即最佳參數(shù)為：激光能量為240 MJ，采集延時(shí)為1.58 μs。

表2 因素水平

圖6 各方案CuⅠ 324.74 nm的LIBS強(qiáng)度、RSD的關(guān)系曲線

2.3 定量分析

單變量定量分析是在待測元素的特征譜線中選取一條適合的譜線進(jìn)行分析。以樣品中Cu元素的真實(shí)濃度為橫坐標(biāo)，以Cu在324.74 nm處的譜線強(qiáng)度為縱坐標(biāo)建立定標(biāo)曲線，如圖7所示。由圖7(a)可以看出，Cu在324.74 nm處的特征譜線強(qiáng)度與其濃度的線性關(guān)系較好，定標(biāo)曲線的線性相關(guān)系數(shù)R2為0.985 2。

由圖7(b)可知，預(yù)測濃度與真實(shí)濃度線性相關(guān)系數(shù)為0.989 1。利用建立的單變量定標(biāo)模型,對(duì)預(yù)測集樣品中的Cu元素進(jìn)行定量分析，表3列出了分析結(jié)果，預(yù)測的平均相對(duì)誤差為4.77%。

圖7 Cu元素單變量定標(biāo)模型預(yù)測結(jié)果

表3 預(yù)測集樣品中Cu含量的定標(biāo)預(yù)測結(jié)果

3 結(jié)論

本文對(duì)豬飼料中Cu元素的單脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜檢測技術(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)其參數(shù)條件進(jìn)行了優(yōu)化。研究首先確定了Cu元素的特征分析譜線為CuⅠ324.74 nm；應(yīng)用單脈沖激光作為激發(fā)光源對(duì)飼料中銅元素的光譜強(qiáng)度進(jìn)行采集，為獲得最佳的采集參數(shù)，當(dāng)采集延時(shí)為1.28 μs時(shí)，通過改變激光能量的方式得到當(dāng)激光能量為240 MJ時(shí)，采集效果較好；然后以240 MJ激光能量為固定值，通過改變采集延時(shí)時(shí)間，得到最優(yōu)的采集延時(shí)時(shí)間為1.58 μs。為了驗(yàn)證最佳參數(shù)的選擇的準(zhǔn)確性，采用全面試驗(yàn)方法，通過分析譜線光譜強(qiáng)度和RSD尋找最佳試驗(yàn)參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，最優(yōu)參數(shù)條件是激光能量為240 MJ和采集延時(shí)時(shí)間為1.58 μs。建模集樣品中Cu元素真實(shí)濃度與光譜強(qiáng)度值的相關(guān)擬合系數(shù)為0.985 2，預(yù)測集樣品中Cu元素含量的預(yù)測值與實(shí)際值的線性相關(guān)系數(shù)為0.989 1，平均相對(duì)誤差為4.77%。