赣南脐橙中的铜的激光诱导击穿光谱检测分析

林永增，姚明印，涂建平，徐雪红，彭秋梅，陈添兵，刘木华

(江西农业大学生物光电及应用重点实验室，江西南昌330045)

1 引言

江西赣南是脐橙种植的重要基地，2010年赣南脐橙种植面积在全市达160万亩，产量突破110万吨，销往国内外，给当地带来了巨大的经济价值。但是，随着地区经济的迅猛发展，赣南地区的环境污染问题越来越严重，水果重金属污染问题也受到广泛关注。由于重金属不能降解，通过水果进入到人体内部，并且在体内不断富集，超过一定量时势必危害到人体健康，于是国家对水果中重金属含的量也颁布了严格限量标准。因此，对水果重金属实时监测研究具有重要意义。目前，水果中重金属的检测分析技术主要有电感耦合等离子体－原子发射光谱法(ICP-AES)、电感耦合等离子体－质谱法(ICPMS)、原子吸收分光光度法(AAS)、化学比色法等。但是这些检测方法需要繁琐复杂的样品前处理，且易造成样品二次污染，不能够实现快速无损检测。因此需要寻找一种新的绿色环保的快速无损检测技术。

激光诱导击穿光谱技术(Laser-Induced Breakdown Spectrocopy，LIBS)是利用高能量脉冲激光聚焦到待测样品上，在局部产生高温、高密度的等离子体，等离子体中包含的原子、离子和一些分子以超音速向四周扩散并迅速冷却。等离子体中的离子和原子产生能量跃迁，当由激发态转到基态时就会发射其特征光谱，根据特征光谱所在的波长和信号强度就可以获得待测物内的元素种类和元素含量信息［1］。因为该技术无需复杂的样品预处理，操作简单，具有实时、环保和快速无损检测等优点，已被广泛应用于痕量元素检测［2］、远程环境检测［3－4］、细胞鉴别［5］、水 污 染［6］、土 壤 污 染［7］、食 品 安 全［8］等领域。

近年来，随着食品安全问题的日益突出和LIBS技术的发展，国内外学者在农产品检测分析上做了很多的研究工作。Nilesh K.Rai［9］等人运用 LIBS技术分析了苦瓜在糖尿病治疗中的作用机制，检测了 Na、K、Mg、Ca、Fe、Al等元素谱线，并且应用自由定标方法分析了这些元素的浓度，结果表明LIBS技术检测元素含量与传统的原子吸收光谱技术检测出的结果有很好的一致性。O.Samek［10］等人应用飞秒LIBS装置分析了玉米叶肉和叶脉中Fe元素的相对含量分布，得出叶脉中Fe元素的含量高于叶肉中的结论。Lidiane Cristina Nunes［11］等人应用 LIBS 方法检测了经低温、干燥、研磨后的甘蔗叶中的大量和微量元素，结果说明LIBS技术检测的元素浓度与ICP-OES结果有很好的一致性。张大成［12－13］等人将LIBS技术应用于食品安全的相关领域，分别比较了真空冻干的草莓、猕猴桃和苹果三种水果中，以及真空冻干的百合和土豆中 Ca、Na、K、Fe、Al、Mg 六种金属元素的相对含量。

前人的研究工作充分说明了LIBS技术农产品元素检测方面的可行性。所以，为了防治水果重金属污染，提高水果产品的质量，本实验采用绿色环保的LIBS无损检测技术对赣南脐橙中的重金属进行了初步检测研究。检测过程中的延迟时间、激光能量、环境气体、实验系统等诸多因素都会影响LIBS技术的检测结果，而且水果的基体复杂。因此，应用LIBS技术检测水果产品时，需在特定的环境下对延迟时间和激光能量等参数进行优化，以获得稳定的检测环境。本文采用单脉冲纳秒级LIBS检测系统对重金属铜污染的赣南脐橙进行检测分析，研究了时间和激光能量对赣南脐橙中Cu元素的检测特性的影响，并且建立了Cu元素浓度和特征光谱强度之间的定量分析模型。

2 实验

2.1 实验装置

实验装置如图1所示，采用调Q纳秒级Nd∶YAG激光器(北京Beamtech公司Nimma－200型)为激光光源，工作波长1064 nm，脉宽为8 ns，工作频率2 Hz。激光光束经45°反射镜后透过焦距为100 mm的平凸透镜聚焦于样品表面。样品放置在旋转平台上，以保证激光烧蚀在脐橙样品的不同位置上。激光烧蚀样品后产生等离子体，等离子体的发射信号经45°穿孔反射镜改变光路后由焦距为100 mm的透镜聚焦到光纤探头，再由光纤传输到八通道光纤光谱仪(法国AvaSpec－2048FT－8RM)。光谱仪内部集成了2048像素的CCD探测器，各通道的波长探测范围分别是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，对应的分辨率分别为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。光谱仪收集的信号再传输至计算机中进行记录存储。DG535数字延时发生器(Mold DG535，美国斯坦福研究系统公司)连接光谱仪和激光器，以控制激光器触发和光谱信号采集间的延迟时间。

图1 LIBS实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of LIBS system

2.2 样品配备

实验所用的脐橙样品产于江西赣南，购于江西农业大学水果市场。脐橙样品买回后，挑选出21个大小均匀的脐橙经超纯水清洗后晾干。然后，取15个脐橙浸泡于1000 μg/mL实验室配置的硫酸铜溶液中，以用于做时间特性和激光能量特性的实验。剩余的6个脐橙分别侵泡于6个不同铜含量的硫酸铜溶液中，以用于定量分析脐橙样品中Cu的浓度。在侵泡48个小时后取出样品，再用超纯水清洗后晾干，待于做LIBS实验。其中，在LIBS实验后，对6个用于定量分析的脐橙样品进行湿法消解，再用原子吸收分光光度计间接测出6个脐橙样品中Cu的浓度如表1所示。

表1 脐橙样品中Cu的浓度Tab.1 Concentration of Cu in navel orange sample

3 结果与讨论

3.1 特征光谱分析

实验中，激光脉冲30次记录一次光谱，一共记录5次，通过Avasoft 7.4分析软件并参照NIST［14］原子光谱数据库得到脐橙样品中Cu元素的LIBS光谱。脐橙样品在200～330 nm之间的光谱图如图2所示，CuI 324.75 nm和CuI 327.40 nm的特征谱线都很明显。但是，铜元素在324.75 nm处特征光谱强度较大，有利于检测分析。因此，选择CuI 324.75 nm作为研究对象。

图2 脐橙样品在312～335 nm波段的LIBS光谱Fig.2 LIBS spectrum of orange sample in 312～335 nm

3.2 时间特性分析

在激光脉冲与脐橙样品作用产生瞬间高温等离子体时，等离子体内部的粒子就会出现高速运动，粒子之间发生摩擦碰撞形成轫致辐射。轫致辐射存在于等离子体产生到消亡的全过程中，会影响到对目标信号的检测。但是，在等离子体寿命期内辐射的强弱不同，可以通过控制激光激发等离子体到光谱仪接收等离子体发射信号之间的时间(延迟时间)，以提高对目标元素检测的灵敏度和稳定性。在100 mJ的激光脉冲能量下，对700～1600 ns之间的13个延迟时间点进行实验，通过比较各延迟时间下的特征光谱强度和信背比(Signal-to-Background Ratio，RSB)，以确定最佳的延迟时间。其中RSB由特征光谱经Lorentz拟合后计算所得，其计算公式为:

式中，H为相对特征光谱强度;y0为背景信号强度。特征光谱强度和RSB与延迟时间之间的关系曲线如图3所示，RSB随着延迟时间的增加，呈现先逐渐增大，在1200 ns处出现一个峰值跳跃后，又逐渐增大的趋势。而脐橙样品中CuI 324.75 nm的特征光谱强度随着延迟时间的增加，呈现先出现无规律的起伏变化，在1200 ns处达到最大后逐渐降低趋于平稳的趋势。通过对延迟时间和特征光谱强度的综合考虑，选择实验最佳的延迟时间为1200 ns。

图3 Cu元素谱线强度和RSB与延迟时间的关系曲线Fig.3 Line intensity of Cu element and RSB vs delay time

3.3 激光能量特性分析

激光脉冲能量只有超过待测元素的特定阀值时，才能检测到待测元素的特征光谱信号。但如果激光脉冲能量过大时，就会扩大等离子体瞬间迅速膨胀的范围，使等离子外沿和中心的粒子出现先后冷却，引起元素谱线的强烈自吸收效应，而且还会引起空气电离击穿，降低检测的灵敏度。因此，在延迟时间为1200 ns下，对30～150 mJ能量范围内的13个激光能量点进行实验。得到特征光谱强度和RSB与激光脉冲能量之间的关系曲线如图4所示，RSB随着激光脉冲能量的增大，先逐渐减小，在100 mJ处出现一个峰值跳跃后，又逐渐减小。而脐橙样品中CuI 324.75 nm的特征光谱强度随着激光脉冲能量的增加，呈现逐渐增大的总趋势，但在激光能量为100 mJ处出现一个明显的峰值跳跃。通过对RSB和特征光谱强度的综合分析，得到在延迟时间1200 ns下的最佳激光脉冲能量为100 mJ，并且在实验中得到此时的相对标准偏差为10.32%，可知稳定性较好。

图4 Cu元素谱线强度和RSB与激光能量的关系曲线Fig.4 Line intensity of Cu element and RSB vs laser energy

3.4 定量分析

由延迟时间和激光脉冲能量的特性实验研究可知，检测赣南脐橙中Cu元素时的最佳延迟时间和激光脉冲能量分别为1200 ns和100 mJ，在这一条件下对6个定标脐橙样品进行LIBS检测。

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

根据激光烧蚀等离子体的发射机理，在激光烧蚀等离子体内的元素成分与未烧蚀前脐橙样品中的元素成分一致和忽略自吸效应的条件下，元素谱线强度I与含量 C之间呈正比关系［15］，即 I=a×C。其中a为实验常数，与激光能量、样品均匀性及几何特性和实验系统的光学效率等因素有关。脐橙样品中Cu的浓度与其特征光谱强度之间的定标曲线如图5所示，曲线的拟合相关系数为0.96。根据检测限(limit of detection，LOD)定义［16］，检测限等于原子特征谱线附近背景光标准偏差的三倍与定标曲线斜率之间的比值，即LOD=3 δ/k，其中δ为背景光的标准偏差，k为定标曲线的斜率。由此计算得到Cu元素的检测限为10.81 μg/g，与食品中铜限量卫生标准GB151199－94中水果的Cu含量必须小于10 μg/g相比较，还存在一定的差距。因此，LIBS技术在农产品重金属检测中的研究还需进一步发展改善。

4 结论

本研究应用LIBS技术检测江西赣南脐橙中的Cu元素，在实验室自然大气条件下，用1064 nm的调Q脉冲Nd∶YAG激光器的激光直击样品表面。通过特征谱线分析，选出CuI 324.75 nm为研究对象，对延迟时间和激光脉冲能量特性的影响进行了研究，得到最佳的延迟时间和激光脉冲能量分别为1200 ns和100 mJ。并且得到相对标准偏差为10.32%。然后，在优化的实验参数下，对6个用于定量分析的脐橙样品进行实验，建立样品中Cu元素的浓度与其特征光谱强度之间的定标曲线，得到线性拟合相关系数为0.96，并且通过定标曲线计算得到Cu元素在脐橙中的检测限为10.81 μg/g。由此表明，把激光诱导击穿光谱技术用于检测赣南脐橙中的重金属Cu，有很好的应用前景，但在样品检出限上还有很大的提升空间。

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