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,光電信息感測與傳輸技術(shù)重慶重點實驗室,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)對中藥材中的重金屬進行快速分析研究.目前,應(yīng)用于中藥材檢測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、耗時長、不能實時在線檢測等缺點,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)的光譜檢測技術(shù)相比,具有多元素在線檢測、分析速度快、樣品預(yù)處理簡單、操作便捷等優(yōu)點,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于材料分析、環(huán)境監(jiān)測、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)用到中藥材的檢測研究中.劉曉娜等[12]通過LIBS技術(shù)對四種珍寶藏藥進行快速元素分析,發(fā)現(xiàn)四種藏藥均含有Ca,Na,K和Mg等,同時檢測到C-N分子譜帶,其中,在仁青常覺和二十五味珍珠丸中檢測到Fe,仁青常覺和仁青芒覺中檢測到重金屬Cu,Hg,仁青常覺中檢測到Ag.李占峰等[13]利用LIBS技術(shù)對黃連中的Pb進行定量分析,研究得出線性擬合度R2為0.976,檢測限為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、茯苓作為檢測對象,對Cu元素進行定量分析,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)參量進行分析,所得線性擬合度分別0.986,0.931,0.975.Wang等[15]通過對獨活根LIBS光譜進行主成分分析,建立反向傳播（back propagation,BP）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對獨活根的產(chǎn)地進行識別,并與線性判別分析和支持向量機方法的識別結(jié)果進行比較;最后對黨參根產(chǎn)地進行鑒別驗證主成分分析結(jié)合BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的有效性.目前LIBS對中藥材中金屬元素的檢測大多采用單脈沖LIBS,然而單脈沖LIBS技術(shù)探測靈敏度比較低,難以滿足實際使用要求.

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)點的前提下增強光譜強度[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)光譜信號強度分別增強了30倍和100倍,與單脈沖相比,雙脈沖可以增強光譜信號強度.Ahmed等[20]使用共線雙脈沖誘導(dǎo)Cu樣品,觀測到在合適的激光波長和脈沖能量比時,雙脈沖可達到30倍的光譜信號增強.王金梅等[21]通過采用再加熱雙脈沖方法以黃連為研究對象,得到Fe,Al,Ca,CN的光譜強度較單脈沖分別增強了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,但對黃連中重金屬元素的檢測性能未做對比分析.

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

2 實驗及理論

2.1 實驗裝置

本文采用的實驗裝置如圖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的平凸透鏡對等離子體進行再加熱,兩激光器之間的脈沖延時由四通道數(shù)字脈沖延時器(美國SRS,DG535)進行控制,兩激光器輸出波長均為1064 nm,工作頻率為20 Hz,等離子的輻射信號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)進行分光,并通過增強電荷耦合器件(ICCD)進行光電轉(zhuǎn)換,此外,為使激光均勻燒蝕樣品,通過二維電動位移平臺(SC300-2A)固定樣品,最后使用計算機處理.

圖1 正交RDP-LIBS實驗裝置Fig.1.Schematic diagram of the experimental setup for orthogonal re-heating DP-LIBS.

2.2 樣品制備

實驗所用的樣品購買于重慶中藥材市場,為實現(xiàn)再加熱雙脈沖LIBS技術(shù)對中藥材重金屬元素檢測性能的評估,對黃連進行了標(biāo)準(zhǔn)樣品的制備,首先通過粉碎機把不規(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(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探測延時分析

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,所以通過調(diào)節(jié)ICCD的探測延時可以觀察特征譜線在等離子生命周期內(nèi)的時間演化規(guī)律.本文首先把激光脈沖頻率、ICCD探測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探測延時變化范圍為0—4 μs,間隔為0.5 μs,特征譜線凈光譜強度和信噪比隨ICCD探測延時的變化如圖3所示.特征譜線Cu I (324.46 nm)和Pb I(405.78 nm)的光譜強度隨延時的增加而降低,而信噪比隨著探測延時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行能量交換,連續(xù)背景輻射很強[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,特征譜線的強度減弱,所以信噪比也逐漸減弱,綜合考慮信噪比和信號強度這兩個因素,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)的最佳探測延時.

圖3 光譜強度和信噪比隨探測延時的變化規(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特征譜線信號強度值會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,同時增加擊穿樣品的粉塵濺射,在短時間內(nèi)粉塵都會籠罩在樣品上方,對第二束激光脈沖激發(fā)等離子體產(chǎn)生影響,降低光譜信號的強度.

為了研究兩束激光能量比例對等離子體發(fā)射光譜強度的影響,實驗設(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)特征譜線光譜強度隨不同能量組的變化.Cu I (324.46 nm)和Pb I(405.78 nm)的探測延時分別為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散演化,逐漸冷卻衰減,特征光譜強度也會逐漸減弱,此時第二束激光脈沖經(jīng)聚焦透鏡會聚后產(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],使特征光譜強度得到增強,因此定量分析選擇該能量組.

圖4 光譜強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光譜強度的重要參數(shù)[24,25],因為脈沖間隔會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.實驗選擇了800 mg/kg黃連樣品作為研究對象,通過控制數(shù)字脈沖延時發(fā)生器改變兩束激光脈沖之間的時間變化,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探測延時分別為1.5 μs和1.7 μs,激光脈沖頻率為4 Hz,ICCD探測門寬為0.2 μs的條件下,獲得Cu和Pb元素光譜強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之間光譜信號強度很高,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,但是隨著脈沖間隔的繼續(xù)變大,Cu I (324.46 nm)譜線特征信號開始減弱,信噪比逐漸增大再減少.而對于Pb I (405.78 nm)是該現(xiàn)象發(fā)生在1.2 μs之后.綜合考慮光譜強度和信噪比兩個因素,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驗條件.

圖5 光譜強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光譜強度對比

對重金屬元素Cu與Pb進行定量分析時,實驗參數(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探測延時為1.5 μs;RDP-LIBS的激光能量組值為(E1=15 mJ,E2=35 mJ),脈沖間隔和探測延時分別為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,探測延時為1.7 μs,RDP-LIBS的激光能量組值為(E1=15 mJ,E2=35 mJ),脈沖間隔和探測延時分別為1.6 μs和1.7 μs.所得光譜見圖6,可以看出Cu I (324.46 nm)特征譜線的光譜強度約從5779 counts增加到12749 counts,增強了約2.2倍;Pb I (405.78 nm)特征譜線的光譜強度約從4703 counts增加到15838 counts,增強了約3.3倍.這是因為在合適的時間間隔內(nèi),第二束激光對第一束激光形成的等離子體再加熱,導(dǎo)致光譜信號增強,同時說明,與SP-LIBS相比,RDPLIBS可以提高被測元素的光譜強度.

圖6 SP-LIBS和RDP-LIBS光譜強度對比Fig.6.Comparison of spectral intensity between SP-LIBS and RDP-LIBS.

3.5 定量分析

為了對比SP-LIBS和RDP-LIBS技術(shù)的檢測性能,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算Cu I (324.36 nm)和Pb I (405.78 nm)特征譜線的檢測限：

式中,σ為在特征譜線處背景光譜強度的標(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)對黃連中Cu和Pb元素檢測的定標(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)對黃連中重金屬Cu元素的檢測限結(jié)果分別是5.13 mg/kg和1.91 mg/kg,Pb元素的檢測限分別是10.87 mg/kg和3.03 mg/kg.與SP-LIBS對比,采用RDP-LIBS對黃連中重金屬Cu元素的檢測限降低了約10/27,重金屬Pb元素的檢測限降低了約5/18.說明RDP-LIBS方法在對黃連中重金屬元素進行檢測研究時,其檢測性能優(yōu)于SP-LIBS方法,且滿足《藥用植物進出口綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》的要求.

此外,為進一步驗證RDP-LIBS的檢測性能,在上述的定標(biāo)曲線中對重金屬元素Cu和Pb元素進行檢測分析,檢測結(jié)果如表2所列,證明RDPLIBS對重金屬元素Cu和Pb元素檢測性能優(yōu)于SP-LIBS,這是由于RDP-LIBS的第二束激光脈沖會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)射光譜強度更強,并且表明RDPLIBS具有較好的檢測準(zhǔn)確度.

表1 特征譜線的檢測限(LOD)和線性擬合度(R2)對比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檢測能力對比Table 2.Comparison of detection ability between Cu and Pb.

4 結(jié) 論

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