再加熱雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)對(duì)黃連中Cu和Pb的定量分析

鄭培超 李曉娟 王金梅 鄭爽 趙懷冬

(重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院,光電信息感測(cè)與傳輸技術(shù)重慶重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065)

1 引 言

黃連作為清熱解毒的傳統(tǒng)中藥,在醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域具有重要的作用.但由于中藥材生長(zhǎng)的環(huán)境（水、土壤）易受到重金屬的污染,嚴(yán)重影響中藥材的藥性,進(jìn)而影響到人體的健康.例如,較高濃度的Cu具有溶血作用,引起肝和腎良性壞死;Pb中毒會(huì)危及神經(jīng)消化系統(tǒng)和心血管系統(tǒng),抑制血紅蛋白的合成,引起貧血.因此,有必要利用現(xiàn)代光譜技術(shù)對(duì)中藥材中的重金屬進(jìn)行快速分析研究.目前,應(yīng)用于中藥材檢測(cè)的方法以光譜分析為主,主要有原子吸收光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法[1-3]等,由于以上方法存在樣品制備復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)、不能實(shí)時(shí)在線檢測(cè)等缺點(diǎn),急需發(fā)展更為方便快捷的光譜分析技術(shù).

激光誘導(dǎo)擊穿光譜(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的光譜分析技術(shù),與傳統(tǒng)的光譜檢測(cè)技術(shù)相比,具有多元素在線檢測(cè)、分析速度快、樣品預(yù)處理簡(jiǎn)單、操作便捷等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于材料分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全、生物化學(xué)等領(lǐng)域的定性和定量分析[4-11].最近,LIBS技術(shù)也應(yīng)用到中藥材的檢測(cè)研究中.劉曉娜等[12]通過LIBS技術(shù)對(duì)四種珍寶藏藥進(jìn)行快速元素分析,發(fā)現(xiàn)四種藏藥均含有Ca,Na,K和Mg等,同時(shí)檢測(cè)到C-N分子譜帶,其中,在仁青常覺和二十五味珍珠丸中檢測(cè)到Fe,仁青常覺和仁青芒覺中檢測(cè)到重金屬Cu,Hg,仁青常覺中檢測(cè)到Ag.李占峰等[13]利用LIBS技術(shù)對(duì)黃連中的Pb進(jìn)行定量分析,研究得出線性擬合度R2為0.976,檢測(cè)限為0.19%.此外李占峰等[14]采用1064 nm的納秒脈沖激光器作為激發(fā)光源,以黃連、附片、茯苓作為檢測(cè)對(duì)象,對(duì)Cu元素進(jìn)行定量分析,根據(jù)黃連、附片、茯苓的不同基體情況分別選取適當(dāng)內(nèi)標(biāo)參量進(jìn)行分析,所得線性擬合度分別0.986,0.931,0.975.Wang等[15]通過對(duì)獨(dú)活根LIBS光譜進(jìn)行主成分分析,建立反向傳播（back propagation,BP）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)獨(dú)活根的產(chǎn)地進(jìn)行識(shí)別,并與線性判別分析和支持向量機(jī)方法的識(shí)別結(jié)果進(jìn)行比較;最后對(duì)黨參根產(chǎn)地進(jìn)行鑒別驗(yàn)證主成分分析結(jié)合BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的有效性.目前LIBS對(duì)中藥材中金屬元素的檢測(cè)大多采用單脈沖LIBS,然而單脈沖LIBS技術(shù)探測(cè)靈敏度比較低,難以滿足實(shí)際使用要求.

再加熱雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜(re-heating double pulse laser-induced breakdown spectroscopy,RDP-LIBS)技術(shù)可以保留單脈沖優(yōu)點(diǎn)的前提下增強(qiáng)光譜強(qiáng)度[16-18].St-Onge等[19]使用共線雙脈沖誘導(dǎo)鋁合金樣品,觀察到在相同兩束激光能量值相等的條件下,Si I (288.16 nm)和Al II(281.62 nm)光譜信號(hào)強(qiáng)度分別增強(qiáng)了30倍和100倍,與單脈沖相比,雙脈沖可以增強(qiáng)光譜信號(hào)強(qiáng)度.Ahmed等[20]使用共線雙脈沖誘導(dǎo)Cu樣品,觀測(cè)到在合適的激光波長(zhǎng)和脈沖能量比時(shí),雙脈沖可達(dá)到30倍的光譜信號(hào)增強(qiáng).王金梅等[21]通過采用再加熱雙脈沖方法以黃連為研究對(duì)象,得到Fe,Al,Ca,CN的光譜強(qiáng)度較單脈沖分別增強(qiáng)了4.0,5.5,10.0和3.5倍,并發(fā)現(xiàn)RDP-LIBS下的等離子體電子激發(fā)溫度和電子數(shù)密度均比SP-LIBS下的有所提高,但對(duì)黃連中重金屬元素的檢測(cè)性能未做對(duì)比分析.

本文采用正交RDP-LIBS裝置,對(duì)清熱解毒類的黃連中重金屬元素Cu,Pb進(jìn)行了檢測(cè),通過分析探測(cè)延時(shí)、激光能量和脈沖間隔等參數(shù),對(duì)比了單脈沖LIBS和再加熱雙脈沖LIBS條件下的檢測(cè)限,實(shí)現(xiàn)了中藥材重金屬元素的檢測(cè).

2 實(shí)驗(yàn)及理論

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本文采用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,脈沖激光器1 (Quantel,Ultra 100)作為激發(fā)源輸出垂直樣品表面的激光,經(jīng)全反射鏡通過焦距f=100 mm的平凸透鏡聚焦在黃連樣品上產(chǎn)生等離子體,激光器2 (Quantel,Q-smart 450)輸出平行于樣品表面的激光,經(jīng)過焦距f=75 mm的平凸透鏡對(duì)等離子體進(jìn)行再加熱,兩激光器之間的脈沖延時(shí)由四通道數(shù)字脈沖延時(shí)器(美國(guó)SRS,DG535)進(jìn)行控制,兩激光器輸出波長(zhǎng)均為1064 nm,工作頻率為20 Hz,等離子的輻射信號(hào)通過集成的光譜收集器耦合至傳輸光纖并送到中階梯光柵光譜儀(Andor Model SR-750)進(jìn)行分光,并通過增強(qiáng)電荷耦合器件(ICCD)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,此外,為使激光均勻燒蝕樣品,通過二維電動(dòng)位移平臺(tái)(SC300-2A)固定樣品,最后使用計(jì)算機(jī)處理.

圖1 正交RDP-LIBS實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1.Schematic diagram of the experimental setup for orthogonal re-heating DP-LIBS.

2.2 樣品制備

實(shí)驗(yàn)所用的樣品購(gòu)買于重慶中藥材市場(chǎng),為實(shí)現(xiàn)再加熱雙脈沖LIBS技術(shù)對(duì)中藥材重金屬元素檢測(cè)性能的評(píng)估,對(duì)黃連進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)樣品的制備,首先通過粉碎機(jī)把不規(guī)則的黃連樣品粉碎成粉末,過篩(100目),然后配置成含Cu濃度分別為20,40,80,160,300,500,800 mg/kg,含Pb濃度分別為200,400,800,1600,3200,6400和10000 mg/kg的樣品,最后,使用液壓機(jī)(10 MPa,2 min)將其壓成直徑13 mm,厚2 mm的中藥材樣品,如圖2所示.

圖2 黃連樣品Fig.2.CoptidisChinensissamples.

3 結(jié)果與分析

3.1 雙脈沖LIBS探測(cè)延時(shí)分析

由于特征譜線和背景輻射在激光誘導(dǎo)等離子的生命周期里表現(xiàn)出不同的特點(diǎn),所以通過調(diào)節(jié)ICCD的探測(cè)延時(shí)可以觀察特征譜線在等離子生命周期內(nèi)的時(shí)間演化規(guī)律.本文首先把激光脈沖頻率、ICCD探測(cè)門寬和脈沖間隔分別固定為4 Hz,0.2 μs和1.5 μs,主脈沖激光能量為E1=25 mJ和再加熱脈沖激光能量E2=25 mJ;ICCD探測(cè)延時(shí)變化范圍為0—4 μs,間隔為0.5 μs,特征譜線凈光譜強(qiáng)度和信噪比隨ICCD探測(cè)延時(shí)的變化如圖3所示.特征譜線Cu I (324.46 nm)和Pb I(405.78 nm)的光譜強(qiáng)度隨延時(shí)的增加而降低,而信噪比隨著探測(cè)延時(shí)的增加先增加之后降低.這是由于在等離子體產(chǎn)生初期主要由軔致輻射占主導(dǎo),高溫等離子迅速向外膨脹并與外界進(jìn)行能量交換,連續(xù)背景輻射很強(qiáng)[22],但是連續(xù)背景輻射的衰減速度比特征譜線的衰減速度要快,故隨著延時(shí)的增加,信噪比逐漸增加,最后由于等離子體逐漸消失,特征譜線的強(qiáng)度減弱,所以信噪比也逐漸減弱,綜合考慮信噪比和信號(hào)強(qiáng)度這兩個(gè)因素,選擇1.5 μs和1.7 μs作為特征譜線Cu I (324.46 nm)與Pb I(405.78 nm)的最佳探測(cè)延時(shí).

圖3 光譜強(qiáng)度和信噪比隨探測(cè)延時(shí)的變化規(guī)律Fig.3.Evolutions of spectral intensity and signal-to-noise ratio (SNR)at different delay times.

3.2 雙脈沖LIBS激光能量分析

LIBS特征譜線信號(hào)強(qiáng)度值會(huì)受到激光能量的影響,從理論上講,隨著激光能量的增大樣品的燒蝕質(zhì)量也會(huì)增加,從而特征譜線的輻射概率也隨之增加.但是,由于本文的樣品是采用固體壓片的方法,若第一束激光能量值過高會(huì)損害物理壓片的平整效果,造成的燒蝕坑要比理論上更大,致使樣品質(zhì)量損失嚴(yán)重,同時(shí)增加擊穿樣品的粉塵濺射,在短時(shí)間內(nèi)粉塵都會(huì)籠罩在樣品上方,對(duì)第二束激光脈沖激發(fā)等離子體產(chǎn)生影響,降低光譜信號(hào)的強(qiáng)度.

為了研究?jī)墒す饽芰勘壤龑?duì)等離子體發(fā)射光譜強(qiáng)度的影響,實(shí)驗(yàn)設(shè)定兩束激光的總能量值為50 mJ,分為e1 (E1=40 mJ,E2=10 mJ),e2(E1=15 mJ,E2=35 mJ),e3 (E1=30 mJ,E2=20 mJ),e4 (E1=25 mJ,E2=25 mJ),e5 (E1=20 mJ,E2=30 mJ)共5組數(shù)據(jù),研究Cu I(324.46 nm)和Pb I (405.78 nm)特征譜線光譜強(qiáng)度隨不同能量組的變化.Cu I (324.46 nm)和Pb I(405.78 nm)的探測(cè)延時(shí)分別為1.5 μs和1.7 μs,激光頻率和脈沖間隔分別為4 Hz和1.5 μs;結(jié)果如圖4所示,對(duì)于特征譜線Cu I (324.46 nm)和Pb I (405.78 nm)在e2 (E1=15 mJ,E2=35 mJ)處光譜強(qiáng)度值最大,可能由于當(dāng)?shù)谝皇す庾饔糜跇悠泛笏查g形成等離子體,等離子體隨后向外擴(kuò)散演化,逐漸冷卻衰減,特征光譜強(qiáng)度也會(huì)逐漸減弱,此時(shí)第二束激光脈沖經(jīng)聚焦透鏡會(huì)聚后產(chǎn)生高功率的激光能量能夠再次加熱冷卻衰減的等離子體,加劇等離子體內(nèi)部的粒子間碰撞[23],使特征光譜強(qiáng)度得到增強(qiáng),因此定量分析選擇該能量組.

圖4 光譜強(qiáng)度隨激光能量的變化Fig.4.Variation of spectral intensity in different energy groups.

3.3 雙脈沖LIBS脈沖間隔分析

脈沖間隔是影響雙脈沖LIBS光譜強(qiáng)度的重要參數(shù)[24,25],因?yàn)槊}沖間隔會(huì)影響第二束激光與第一束激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體相互作用的過程.實(shí)驗(yàn)選擇了800 mg/kg黃連樣品作為研究對(duì)象,通過控制數(shù)字脈沖延時(shí)發(fā)生器改變兩束激光脈沖之間的時(shí)間變化,主脈沖激光能量為E1=15 mJ,再加熱脈沖激光能量為E2=35 mJ,Cu I (324.46 nm)與Pb I (405.78 nm)特征譜線的ICCD探測(cè)延時(shí)分別為1.5 μs和1.7 μs,激光脈沖頻率為4 Hz,ICCD探測(cè)門寬為0.2 μs的條件下,獲得Cu和Pb元素光譜強(qiáng)度和信噪比隨脈沖間隔的變化,如圖5所示.分析圖5可知Cu I (324.46 nm)譜線在0—0.8 μs之間光譜信號(hào)強(qiáng)度很高,信噪比很低,這是由于第一束激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體隨著脈沖間隔的變大,體積增大,進(jìn)一步吸收了第二束激光能量,使等離子體電子激發(fā)溫度升高,從而導(dǎo)致等離子體的軔致輻射增強(qiáng),但是隨著脈沖間隔的繼續(xù)變大,Cu I (324.46 nm)譜線特征信號(hào)開始減弱,信噪比逐漸增大再減少.而對(duì)于Pb I (405.78 nm)是該現(xiàn)象發(fā)生在1.2 μs之后.綜合考慮光譜強(qiáng)度和信噪比兩個(gè)因素,選擇1.4 μs和1.6 μs分別作為Cu I (324.46 nm)與Pb I (405.78 nm)定量分析的脈沖間隔實(shí)驗(yàn)條件.

圖5 光譜強(qiáng)度和信噪比隨脈沖間隔的變化Fig.5.Variations of signal intensity and SNR as a function of pulse interval time.

3.4 SP-LIBS與RDP-LIBS光譜強(qiáng)度對(duì)比

對(duì)重金屬元素Cu與Pb進(jìn)行定量分析時(shí),實(shí)驗(yàn)參數(shù)激光脈沖頻率設(shè)置為4 Hz,特征譜線Cu I(324.46 nm)在SP-LIBS條件下的激光能量值為50 mJ,ICCD探測(cè)延時(shí)為1.5 μs;RDP-LIBS的激光能量組值為(E1=15 mJ,E2=35 mJ),脈沖間隔和探測(cè)延時(shí)分別為1.4 μs和1.5 μs;同理特征譜線Pb I (405.78 nm)在SP-LIBS的條件下激光能量值為50 mJ,探測(cè)延時(shí)為1.7 μs,RDP-LIBS的激光能量組值為(E1=15 mJ,E2=35 mJ),脈沖間隔和探測(cè)延時(shí)分別為1.6 μs和1.7 μs.所得光譜見圖6,可以看出Cu I (324.46 nm)特征譜線的光譜強(qiáng)度約從5779 counts增加到12749 counts,增強(qiáng)了約2.2倍;Pb I (405.78 nm)特征譜線的光譜強(qiáng)度約從4703 counts增加到15838 counts,增強(qiáng)了約3.3倍.這是因?yàn)樵诤线m的時(shí)間間隔內(nèi),第二束激光對(duì)第一束激光形成的等離子體再加熱,導(dǎo)致光譜信號(hào)增強(qiáng),同時(shí)說明,與SP-LIBS相比,RDPLIBS可以提高被測(cè)元素的光譜強(qiáng)度.

圖6 SP-LIBS和RDP-LIBS光譜強(qiáng)度對(duì)比Fig.6.Comparison of spectral intensity between SP-LIBS and RDP-LIBS.

3.5 定量分析

為了對(duì)比SP-LIBS和RDP-LIBS技術(shù)的檢測(cè)性能,本文使用外標(biāo)法分別建立了黃連標(biāo)準(zhǔn)參考樣品的Cu I (324.46 nm)和Pb I (405.78 nm)定標(biāo)模型.使用下列公式分析計(jì)算Cu I (324.36 nm)和Pb I (405.78 nm)特征譜線的檢測(cè)限：

式中,σ為在特征譜線處背景光譜強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差,k為定標(biāo)曲線的斜率.圖7分別給出了采用SPLIBS與RDP-LIBS技術(shù)對(duì)黃連中Cu和Pb元素檢測(cè)的定標(biāo)曲線,具體的性能參數(shù)如表1所列.

分析得知,SP-LIBS技術(shù)與RDP-LIBS技術(shù)對(duì)黃連中重金屬Cu元素的檢測(cè)限結(jié)果分別是5.13 mg/kg和1.91 mg/kg,Pb元素的檢測(cè)限分別是10.87 mg/kg和3.03 mg/kg.與SP-LIBS對(duì)比,采用RDP-LIBS對(duì)黃連中重金屬Cu元素的檢測(cè)限降低了約10/27,重金屬Pb元素的檢測(cè)限降低了約5/18.說明RDP-LIBS方法在對(duì)黃連中重金屬元素進(jìn)行檢測(cè)研究時(shí),其檢測(cè)性能優(yōu)于SP-LIBS方法,且滿足《藥用植物進(jìn)出口綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》的要求.

此外,為進(jìn)一步驗(yàn)證RDP-LIBS的檢測(cè)性能,在上述的定標(biāo)曲線中對(duì)重金屬元素Cu和Pb元素進(jìn)行檢測(cè)分析,檢測(cè)結(jié)果如表2所列,證明RDPLIBS對(duì)重金屬元素Cu和Pb元素檢測(cè)性能優(yōu)于SP-LIBS,這是由于RDP-LIBS的第二束激光脈沖會(huì)使第一束激光脈沖燒蝕產(chǎn)生的等離子體再次激發(fā),使等離子發(fā)射光譜強(qiáng)度更強(qiáng),并且表明RDPLIBS具有較好的檢測(cè)準(zhǔn)確度.

表1 特征譜線的檢測(cè)限(LOD)和線性擬合度(R2)對(duì)比Table 1.Comparison of detection limits and relative standard deviations of characteristic lines.

圖7 SP-LIBS和RDP-LIBS下Cu,Pb元素定標(biāo)曲線擬合圖Fig.7.Linear fitting curves of Cu and Pb in SP-LIBS and RDP-LIBS.

表2 Cu和Pb檢測(cè)能力對(duì)比Table 2.Comparison of detection ability between Cu and Pb.

4 結(jié) 論

本文以黃連作為實(shí)驗(yàn)樣品,通過優(yōu)化ICCD探測(cè)延時(shí)、激光能量和脈沖間隔等影響RDP-LIBS特征譜線信號(hào)強(qiáng)度的重要因素,開展了SP-LIBS與RDP-LIBS中重金屬元素Cu和Pb的光譜強(qiáng)度、檢測(cè)限對(duì)比研究.基于最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件,對(duì)比SPLIBS和RDP-LIBS的光譜強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)RDP-LIBS時(shí)Cu I (324.46 nm)的光譜強(qiáng)度約提高了2.2倍,特征譜線Pb I (405.78 nm)的光譜強(qiáng)度約提高了3.3倍;且Cu元素檢測(cè)限由5.13 mg/kg降低為1.91 mg/kg,Pb元素檢測(cè)限由10.87 mg/kg變?yōu)?.03 mg/kg,表明RDP-LIBS技術(shù)具有更好的檢測(cè)性能.