林永增，姚明印，涂建平，徐雪紅，彭秋梅，陳添兵，劉木華

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生物光電及應(yīng)用重點實驗室，江西南昌330045)

1 引言

江西贛南是臍橙種植的重要基地，2010年贛南臍橙種植面積在全市達160萬畝，產(chǎn)量突破110萬噸，銷往國內(nèi)外，給當?shù)貛砹司薮蟮慕?jīng)濟價值。但是，隨著地區(qū)經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，贛南地區(qū)的環(huán)境污染問題越來越嚴重，水果重金屬污染問題也受到廣泛關(guān)注。由于重金屬不能降解，通過水果進入到人體內(nèi)部，并且在體內(nèi)不斷富集，超過一定量時勢必危害到人體健康，于是國家對水果中重金屬含的量也頒布了嚴格限量標準。因此，對水果重金屬實時監(jiān)測研究具有重要意義。目前，水果中重金屬的檢測分析技術(shù)主要有電感耦合等離子體－原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)、電感耦合等離子體－質(zhì)譜法(ICPMS)、原子吸收分光光度法(AAS)、化學(xué)比色法等。但是這些檢測方法需要繁瑣復(fù)雜的樣品前處理，且易造成樣品二次污染，不能夠?qū)崿F(xiàn)快速無損檢測。因此需要尋找一種新的綠色環(huán)保的快速無損檢測技術(shù)。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(Laser-Induced Breakdown Spectrocopy，LIBS)是利用高能量脈沖激光聚焦到待測樣品上，在局部產(chǎn)生高溫、高密度的等離子體，等離子體中包含的原子、離子和一些分子以超音速向四周擴散并迅速冷卻。等離子體中的離子和原子產(chǎn)生能量躍遷，當由激發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)到基態(tài)時就會發(fā)射其特征光譜，根據(jù)特征光譜所在的波長和信號強度就可以獲得待測物內(nèi)的元素種類和元素含量信息［1］。因為該技術(shù)無需復(fù)雜的樣品預(yù)處理，操作簡單，具有實時、環(huán)保和快速無損檢測等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于痕量元素檢測［2］、遠程環(huán)境檢測［3－4］、細胞鑒別［5］、水 污 染［6］、土 壤 污 染［7］、食 品 安 全［8］等領(lǐng)域。

近年來，隨著食品安全問題的日益突出和LIBS技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者在農(nóng)產(chǎn)品檢測分析上做了很多的研究工作。Nilesh K.Rai［9］等人運用 LIBS技術(shù)分析了苦瓜在糖尿病治療中的作用機制，檢測了 Na、K、Mg、Ca、Fe、Al等元素譜線，并且應(yīng)用自由定標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。O.Samek［10］等人應(yīng)用飛秒LIBS裝置分析了玉米葉肉和葉脈中Fe元素的相對含量分布，得出葉脈中Fe元素的含量高于葉肉中的結(jié)論。Lidiane Cristina Nunes［11］等人應(yīng)用 LIBS 方法檢測了經(jīng)低溫、干燥、研磨后的甘蔗葉中的大量和微量元素，結(jié)果說明LIBS技術(shù)檢測的元素濃度與ICP-OES結(jié)果有很好的一致性。張大成［12－13］等人將LIBS技術(shù)應(yīng)用于食品安全的相關(guān)領(lǐng)域，分別比較了真空凍干的草莓、獼猴桃和蘋果三種水果中，以及真空凍干的百合和土豆中 Ca、Na、K、Fe、Al、Mg 六種金屬元素的相對含量。

前人的研究工作充分說明了LIBS技術(shù)農(nóng)產(chǎn)品元素檢測方面的可行性。所以，為了防治水果重金屬污染，提高水果產(chǎn)品的質(zhì)量，本實驗采用綠色環(huán)保的LIBS無損檢測技術(shù)對贛南臍橙中的重金屬進行了初步檢測研究。檢測過程中的延遲時間、激光能量、環(huán)境氣體、實驗系統(tǒng)等諸多因素都會影響LIBS技術(shù)的檢測結(jié)果，而且水果的基體復(fù)雜。因此，應(yīng)用LIBS技術(shù)檢測水果產(chǎn)品時，需在特定的環(huán)境下對延遲時間和激光能量等參數(shù)進行優(yōu)化，以獲得穩(wěn)定的檢測環(huán)境。本文采用單脈沖納秒級LIBS檢測系統(tǒng)對重金屬銅污染的贛南臍橙進行檢測分析，研究了時間和激光能量對贛南臍橙中Cu元素的檢測特性的影響，并且建立了Cu元素濃度和特征光譜強度之間的定量分析模型。

2 實驗

2.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，采用調(diào)Q納秒級Nd∶YAG激光器(北京Beamtech公司Nimma－200型)為激光光源，工作波長1064 nm，脈寬為8 ns，工作頻率2 Hz。激光光束經(jīng)45°反射鏡后透過焦距為100 mm的平凸透鏡聚焦于樣品表面。樣品放置在旋轉(zhuǎn)平臺上，以保證激光燒蝕在臍橙樣品的不同位置上。激光燒蝕樣品后產(chǎn)生等離子體，等離子體的發(fā)射信號經(jīng)45°穿孔反射鏡改變光路后由焦距為100 mm的透鏡聚焦到光纖探頭，再由光纖傳輸?shù)桨送ǖ拦饫w光譜儀(法國AvaSpec－2048FT－8RM)。光譜儀內(nèi)部集成了2048像素的CCD探測器，各通道的波長探測范圍分別是200～317 nm，315～417 nm，415～499 nm，497～565 nm，563～673 nm，671～750 nm，748～931 nm和929～1050 nm，對應(yīng)的分辨率分別為0.09 nm，0.07 nm，0.06 nm，0.08 nm，0.08 nm，0.12 nm，0.13 nm和0.11 nm。光譜儀收集的信號再傳輸至計算機中進行記錄存儲。DG535數(shù)字延時發(fā)生器(Mold DG535，美國斯坦福研究系統(tǒng)公司)連接光譜儀和激光器，以控制激光器觸發(fā)和光譜信號采集間的延遲時間。

圖1 LIBS實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of LIBS system

2.2 樣品配備

實驗所用的臍橙樣品產(chǎn)于江西贛南，購于江西農(nóng)業(yè)大學(xué)水果市場。臍橙樣品買回后，挑選出21個大小均勻的臍橙經(jīng)超純水清洗后晾干。然后，取15個臍橙浸泡于1000 μg/mL實驗室配置的硫酸銅溶液中，以用于做時間特性和激光能量特性的實驗。剩余的6個臍橙分別侵泡于6個不同銅含量的硫酸銅溶液中，以用于定量分析臍橙樣品中Cu的濃度。在侵泡48個小時后取出樣品，再用超純水清洗后晾干，待于做LIBS實驗。其中，在LIBS實驗后，對6個用于定量分析的臍橙樣品進行濕法消解，再用原子吸收分光光度計間接測出6個臍橙樣品中Cu的濃度如表1所示。

表1 臍橙樣品中Cu的濃度Tab.1 Concentration of Cu in navel orange sample

3 結(jié)果與討論

3.1 特征光譜分析

實驗中，激光脈沖30次記錄一次光譜，一共記錄5次，通過Avasoft 7.4分析軟件并參照NIST［14］原子光譜數(shù)據(jù)庫得到臍橙樣品中Cu元素的LIBS光譜。臍橙樣品在200～330 nm之間的光譜圖如圖2所示，CuI 324.75 nm和CuI 327.40 nm的特征譜線都很明顯。但是，銅元素在324.75 nm處特征光譜強度較大，有利于檢測分析。因此，選擇CuI 324.75 nm作為研究對象。

圖2 臍橙樣品在312～335 nm波段的LIBS光譜Fig.2 LIBS spectrum of orange sample in 312～335 nm

3.2 時間特性分析

在激光脈沖與臍橙樣品作用產(chǎn)生瞬間高溫等離子體時，等離子體內(nèi)部的粒子就會出現(xiàn)高速運動，粒子之間發(fā)生摩擦碰撞形成軔致輻射。軔致輻射存在于等離子體產(chǎn)生到消亡的全過程中，會影響到對目標信號的檢測。但是，在等離子體壽命期內(nèi)輻射的強弱不同，可以通過控制激光激發(fā)等離子體到光譜儀接收等離子體發(fā)射信號之間的時間(延遲時間)，以提高對目標元素檢測的靈敏度和穩(wěn)定性。在100 mJ的激光脈沖能量下，對700～1600 ns之間的13個延遲時間點進行實驗，通過比較各延遲時間下的特征光譜強度和信背比(Signal-to-Background Ratio，RSB)，以確定最佳的延遲時間。其中RSB由特征光譜經(jīng)Lorentz擬合后計算所得，其計算公式為:

式中，H為相對特征光譜強度;y0為背景信號強度。特征光譜強度和RSB與延遲時間之間的關(guān)系曲線如圖3所示，RSB隨著延遲時間的增加，呈現(xiàn)先逐漸增大，在1200 ns處出現(xiàn)一個峰值跳躍后，又逐漸增大的趨勢。而臍橙樣品中CuI 324.75 nm的特征光譜強度隨著延遲時間的增加，呈現(xiàn)先出現(xiàn)無規(guī)律的起伏變化，在1200 ns處達到最大后逐漸降低趨于平穩(wěn)的趨勢。通過對延遲時間和特征光譜強度的綜合考慮，選擇實驗最佳的延遲時間為1200 ns。

圖3 Cu元素譜線強度和RSB與延遲時間的關(guān)系曲線Fig.3 Line intensity of Cu element and RSB vs delay time

3.3 激光能量特性分析

激光脈沖能量只有超過待測元素的特定閥值時，才能檢測到待測元素的特征光譜信號。但如果激光脈沖能量過大時，就會擴大等離子體瞬間迅速膨脹的范圍，使等離子外沿和中心的粒子出現(xiàn)先后冷卻，引起元素譜線的強烈自吸收效應(yīng)，而且還會引起空氣電離擊穿，降低檢測的靈敏度。因此，在延遲時間為1200 ns下，對30～150 mJ能量范圍內(nèi)的13個激光能量點進行實驗。得到特征光譜強度和RSB與激光脈沖能量之間的關(guān)系曲線如圖4所示，RSB隨著激光脈沖能量的增大，先逐漸減小，在100 mJ處出現(xiàn)一個峰值跳躍后，又逐漸減小。而臍橙樣品中CuI 324.75 nm的特征光譜強度隨著激光脈沖能量的增加，呈現(xiàn)逐漸增大的總趨勢，但在激光能量為100 mJ處出現(xiàn)一個明顯的峰值跳躍。通過對RSB和特征光譜強度的綜合分析，得到在延遲時間1200 ns下的最佳激光脈沖能量為100 mJ，并且在實驗中得到此時的相對標準偏差為10.32%，可知穩(wěn)定性較好。

圖4 Cu元素譜線強度和RSB與激光能量的關(guān)系曲線Fig.4 Line intensity of Cu element and RSB vs laser energy

3.4 定量分析

由延遲時間和激光脈沖能量的特性實驗研究可知，檢測贛南臍橙中Cu元素時的最佳延遲時間和激光脈沖能量分別為1200 ns和100 mJ，在這一條件下對6個定標臍橙樣品進行LIBS檢測。

圖5 CuI 324.75nm定量分析曲線Fig.5 Quantitative analysis curve of CuI324.75nm

根據(jù)激光燒蝕等離子體的發(fā)射機理，在激光燒蝕等離子體內(nèi)的元素成分與未燒蝕前臍橙樣品中的元素成分一致和忽略自吸效應(yīng)的條件下，元素譜線強度I與含量 C之間呈正比關(guān)系［15］，即 I=a×C。其中a為實驗常數(shù)，與激光能量、樣品均勻性及幾何特性和實驗系統(tǒng)的光學(xué)效率等因素有關(guān)。臍橙樣品中Cu的濃度與其特征光譜強度之間的定標曲線如圖5所示，曲線的擬合相關(guān)系數(shù)為0.96。根據(jù)檢測限(limit of detection，LOD)定義［16］，檢測限等于原子特征譜線附近背景光標準偏差的三倍與定標曲線斜率之間的比值，即LOD=3 δ/k，其中δ為背景光的標準偏差，k為定標曲線的斜率。由此計算得到Cu元素的檢測限為10.81 μg/g，與食品中銅限量衛(wèi)生標準GB151199－94中水果的Cu含量必須小于10 μg/g相比較，還存在一定的差距。因此，LIBS技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品重金屬檢測中的研究還需進一步發(fā)展改善。

4 結(jié)論

本研究應(yīng)用LIBS技術(shù)檢測江西贛南臍橙中的Cu元素，在實驗室自然大氣條件下，用1064 nm的調(diào)Q脈沖Nd∶YAG激光器的激光直擊樣品表面。通過特征譜線分析，選出CuI 324.75 nm為研究對象，對延遲時間和激光脈沖能量特性的影響進行了研究，得到最佳的延遲時間和激光脈沖能量分別為1200 ns和100 mJ。并且得到相對標準偏差為10.32%。然后，在優(yōu)化的實驗參數(shù)下，對6個用于定量分析的臍橙樣品進行實驗，建立樣品中Cu元素的濃度與其特征光譜強度之間的定標曲線，得到線性擬合相關(guān)系數(shù)為0.96，并且通過定標曲線計算得到Cu元素在臍橙中的檢測限為10.81 μg/g。由此表明，把激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)用于檢測贛南臍橙中的重金屬Cu，有很好的應(yīng)用前景，但在樣品檢出限上還有很大的提升空間。

［1］ Ma Yiwen，Du Zhenhui，Meng Fanli，et al.Situation of applications of laser-induced breakdown spectrometry［J］.analytical instruments，2010，(3):9 －14.(in Chinese)馬藝聞，杜振輝，孟繁麗，等.激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)應(yīng)用動態(tài)［J］.分析儀器，2010，(3):9 －14.

［2］ Zhang Dacheng，Ma Xinwen，Wen Weiqiang，et al.Influence of laser wavelength on laser-induced breakdown spectroscopy applied to semi-quantitative analysis of trace-elements in a plant sample［J］.Chinese physics letters，2010，27(6):063202.

［3］ Ryan B Anderson，Richard V Morris，Samuel M Clegg，et al.The influence of multivariate analysis methods and target grain size on the accuracy of remote quantitative chemical analysis of rocks using laser induced breakdown spectroscopy［J］.Icarus，2011，215:608 －627.

［4］ M Darby Dyar，Jonathan M Tucker，Seth Humphries，et al.Strategies for mars remote laser-induced breakdown spectroscopy analysis of sulfur in geological samples［J］.SpectrochimicaActa. PartB:AtomicSpectroscopy，2009，66(1):39 －56.

［5］ Dawn E Lewis，Jorge Martinez，Charlemagne A Akpovo，et al.Discrimination of bacteria from Jamaican bauxite soils using laser-induced breakdown spectroscopy［J］.Analytical and Bioanalytical Chemistry，2011，401(7):2225－2236.

［6］ Wang Chuanhui，Dai Lin，Zhang Xiaoyi，et al.Investigation on laser-induced breakdown spectroscopy of AlCl3water solution［J］.Chinese Journal of Lasers，2006，23(09):1190 －1194.(in Chinese)王傳輝，戴琳，張先燚，等.AlCl3水溶液的激光誘導(dǎo)擊穿光譜研究［J］.中國激光，2006，23(09):1190 －1194.

［7］ Lu Cuiping，Liu Wenqing，Zhao Nanjing，et al.Measurement and analysis of Copper in soil using laser-induced breakdown spectroscopy［J］.Spectroscopy and spectral analysis，2010，30(11):3132 －3135.(in Chinese)魯翠萍，劉文清，趙南京，等.土壤中銅元素的激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析［J］.光譜學(xué)與光譜學(xué)分析，2011，30(11):3132－3135.

［8］ Li Qiulian，Yao Mingyin，Hu Shufen，et al.Quantitative analysis of metal elements in navel orange by laser induced breakdown spectroscopy［J］.Acta agriculturae universitatis jiangxiensis，2011，33(4):0830 －0834.(in Chinese)李秋連，姚明印，胡淑芬，等.應(yīng)用激光誘導(dǎo)擊穿光譜定量分析臍橙中的金屬元素［J］.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，33(4):0830 －0834.

［9］ Nilesh K Rai，Prashant Kumar Rai，Shiwani Pandhija，et al.Application of LIBS in detection of antihyperglycemic trace elements in momordica charantia［J］.Food Biopjysics，2009，4(03):167 －171.

［10］ O Samek，J Lambert，R Hergenr¨oder，et al.Femtosecond laser spectrochemical analysis of plant Samples［J］.Laser Phys.Lett，2006，3(1):21 －25.

［11］ Lidiane Cristina Nunes，Jez Willian Batista Braga，Lilian Cristina Trevizan，et al.Optimization and validation of a LIBS method for the determination of macro and micronutrients in sugar cane leaves［J］.Journal of Analytical A-tomic Spectrometry，2010，25:1453 －1460.

［12］ Zhang Dacheng，Ma Xinwen，Zhu Xiaolong，et al.Microelements in potato and lily samples studied by laser-induced breakdown spectroscopy technology［J］.Spectroscopy and spectral analysis，2009，29(5):1189 －1192.(in Chinese)張大成，馬新文，朱小龍，等.用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)比較百合和土豆中的微量元素［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2009，29(5):1189 －1192.

［13］ Zhang Dacheng，Ma Xinwen，Zhu Xiaolong，et al.Application of laser-induced breakdown spectroscopy in analyzing microelements in three kinds of fruit samples［J］.Acta physica Sinica，2008，57(10):6348 －6353.(in Chinese)張大成，馬新文，朱小龍，等.激光誘導(dǎo)擊穿光譜應(yīng)用于三種水果樣品微量元素的分析［J］.物理學(xué)報，2008，57(10):6348 －6353.

［14］ http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html.

［15］ Lu Cuiping，Liu Wenqing，Zhao Nanjing，et al.Measurement and analysis of lead in soil uing laser-induced breakdown spectroscopy［J］.Laser ＆ Optoelectronics progress，2011，48(053002):1 －4.(in Chinese)魯翠萍，劉文清，趙南京，等.土壤中鉛元素的激光誘導(dǎo)擊穿光譜測量分析［J］.激光與光電子學(xué)進展，2011，48(053002):1 －4.

［16］ Lu Cuiping，Liu Wenqing，Zhao Nanjing，et al.Quantitative analysis of chrome in soil samples using laser-induced breakdown spectroscopy［J］.Acta Phys.Sin，2011，60(4):045206.(in Chinese)魯翠萍，劉文清，趙南京，等.土壤中重金屬鉻元素的激光誘導(dǎo)擊穿光譜定量分析研究［J］.物理學(xué)報，2011，60(4):045206.