■ 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)大學工學院，江西南昌 330045；2.江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，江西南昌 330045；3.江西農(nóng)業(yè)大學動物科學技術學院，江西南昌 330045；4.江西省果蔬采后處理關鍵技術與治理安全協(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)機體神經(jīng)體液和免疫反應等作用[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對仔豬的食欲、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銅的需要，但以玉米、谷物等為基礎日糧時，仍需補充銅[3]。飼料是養(yǎng)豬的物質(zhì)基礎[4]，現(xiàn)代動物養(yǎng)殖與飼料工業(yè)公認天然飼料難以平衡地滿足動物的營養(yǎng)需要，科學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、便利的促生長添加劑在養(yǎng)豬業(yè)中被廣泛應用,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)象已相當普遍[5]。由于體內(nèi)銅積累量高，長期食用高銅飼料會導致豬肝臟內(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動物生長已逐漸受到限制。銅含量超標的飼料不僅對豬自身造成一定影響，還會導致機體中毒，危害人體健康，也會對環(huán)境造成污染。

目前飼料中Cu元素檢測分析技術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處理步驟繁瑣，容易造成樣品二次污染，不能達到無損檢測等缺點。

激光誘導擊穿光譜(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，從而分析推導出樣品的元素組成成分及含量[6]。LIBS具有便捷快速、實時分析、無需復雜的樣品預處理且可實現(xiàn)對多種元素同時分析等優(yōu)勢，目前該技術已被廣泛應用于金屬冶煉[7-8]、土壤污染[9-10]、水體污染[11-12]和農(nóng)產(chǎn)品檢測[13]等領域。

對于Cu元素的LIBS檢測，國內(nèi)外都有相關報道。Ferreira E C[14]提出了一種神經(jīng)網(wǎng)絡用于LIBS校準策略，旨在測定土壤樣品中的銅。從異種組參考土壤樣品和59個樣品的光譜分析高銅濃度用于校準和驗證。簡單線性回歸（單反相機）和包裝方法是用來選擇一組波長的人工神經(jīng)網(wǎng)絡學習的兩種方法。應用交叉驗證，依據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡訓練，對預測的準確性驗證。雖然儀器比較簡單，但是人工神經(jīng)網(wǎng)絡對銅的預測顯示出良好的預測結果。該方法的銅檢測限為2.3 mg/dm3和均方誤差預測為0.5。傅院霞等[15]研究闡述了Cu原子LIBS光譜信號的時間演化特性，激光功率密度對LIBS光譜信號的影響，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324.75 nm譜線的強度，由定標曲線擬合結果得到銅元素的檢測限為23 mg/kg。林永增等[16]對臍橙樣品做了時間特性和能量特性影響的試驗，通過信背比的計算比較，得到最佳延遲時間1 200 ns，最佳的激光能量100 MJ，且相對標準偏差為10.32%,然后在這一試驗參數(shù)下，對6個含不同Cu濃度的臍橙樣品進行試驗，建立Cu元素濃度與其特征光譜強度之間的定標曲線，線性擬合相關系數(shù)為0.96，通過定標曲線計算得到Cu的檢測限為10.81 μg/g。

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

1 材料與方法

1.1 樣品制備

試驗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（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。最后用手動壓片機（T69YP-15A,天津市科器高新技術公司）壓制成直徑30 mm，厚度5 mm的圓餅狀樣品。

1.2 試驗裝置

試驗所用LIBS系統(tǒng)試驗裝置如圖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)臺和計算機組成。

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；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)生的光譜信號經(jīng)光纖傳輸，通過光譜儀收集光譜信號，最終將光譜信號顯示在計算機上，為了避免激光打在同一點上，樣品放置于水平精密旋轉(zhuǎn)臺上。

圖1 LIBS試驗裝置示意圖

1.3 激光誘導擊穿光譜采集

試驗中，激光脈沖每10次記錄1次光譜，一共記錄10次，且每個樣品選取3個位置測量，每個位置上樣品旋轉(zhuǎn)采集100個點，即每1幅光譜圖是激光作用在100個不同點的平均結果。

2 結果與討論

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，因為CuⅠ324.74 nm光譜強度更大，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 試驗參數(shù)條件的優(yōu)化

2.2.1 單因素試驗

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，把采集延時時間定為1.28 μs,把激光能量分別設為60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%，共7個能量點，7個能量點的值分別為70.5、110、146.2、179.5、212、240、240.7 MJ，然后在每個激光能量下進行激光能量特性試驗，共采集70幅光譜圖。試驗得到各激光能量下特征光譜CuⅠ324.74 nm的光譜強度、相對標準偏差（RSD）與激光能量之間的關系如圖3。從圖3中可以看到，隨著激光能量的增強，光譜強度先增強后減小，在80%處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折；RSD隨著激光能量的增強基本沒呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，當激光能量為85%時RSD最小值。結合兩條曲線變化可知：激光能量為85%時RSD接近10%，光譜強度接近最大值，因此取85%為最佳激光能量點，即240 MJ。

圖3 CuⅠ 324.74 nm的LIBS強度、RSD與激光能量的關系曲線

相對標準偏差(RSD)，又稱變異系數(shù)，該值通常用來表示分析測試結果的精密度。

式中：SD——標準偏差；

xˉ——計算結果的算術平均值。

2.2.1.2 采集延時時間的優(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，把采集延時時間分別設為1.28、1.38、1.48、1.58、1.68、1.78、1.88、1.98、2.08 μs，共9個采集延時點，共采集90幅光譜圖。試驗得到各延時時間下特征光譜CuⅠ324.74 nm的光譜強度、RSD與采集延時之間的關系如圖4所示。從圖4中可以看出，光譜強度隨著采集延時的增大而減小，1.28 μs時最大，在1.98 μs處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，RSD出現(xiàn)多次轉(zhuǎn)折點，1.28 μs處RSD最接近10%，說明這個延時光譜采集最穩(wěn)定，但是如圖5所示，采集延時1.28 μs的譜線基線太高，該延時下譜線往上漂移量高達1 500 a.u.；而延時為1.58 μs時譜線往上漂移量為400 a.u.左右。結合兩條關系曲線圖，延時1.38 μs以后光譜強度均處于下降趨勢，延時1.58 μs處RSD接近10%，光譜強度適中，基線較平穩(wěn)，因此最佳采集延時時間取1.58 μs。

圖4 CuⅠ 324.74 nm的LIBS強度、RSD與采集延時的關系曲線

圖5 采集延時1.28 μs和1.58 μs的光譜譜線

對其中四個光譜強度和RSD綜合效果較好的采集延時和激光能量參數(shù)進行全面試驗。其對應試驗方案如表1所示。

2.2.2 多因素試驗

根據(jù)3.2.1中試驗的討論結果，選擇四個水平采集延時(μs)(A)和激光能量(MJ)(B)，試驗因素及水平見表2。

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

表2 因素水平

圖6 各方案CuⅠ 324.74 nm的LIBS強度、RSD的關系曲線

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行分析。以樣品中Cu元素的真實濃度為橫坐標，以Cu在324.74 nm處的譜線強度為縱坐標建立定標曲線，如圖7所示。由圖7(a)可以看出，Cu在324.74 nm處的特征譜線強度與其濃度的線性關系較好，定標曲線的線性相關系數(shù)R2為0.985 2。

由圖7(b)可知，預測濃度與真實濃度線性相關系數(shù)為0.989 1。利用建立的單變量定標模型,對預測集樣品中的Cu元素進行定量分析，表3列出了分析結果，預測的平均相對誤差為4.77%。

圖7 Cu元素單變量定標模型預測結果

表3 預測集樣品中Cu含量的定標預測結果

3 結論

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