黄连、附片和茯苓内铜元素激光诱导击穿光谱分析

李占锋， 王芮雯， 邓 琥， 尚丽平

(1. 西南科技大学 制造科学与工程学院，四川 绵阳 621010；2. 西南科技大学 信息工程学院， 四川 绵阳 621010； 3. 特殊环境机器人四川省重点实验室， 四川 绵阳 621010；4. 西南科技大学 极端条件物质特性联合实验室， 四川 绵阳 621010)



黄连、附片和茯苓内铜元素激光诱导击穿光谱分析

李占锋1*， 王芮雯1， 邓 琥2,3， 尚丽平3,4

(1. 西南科技大学 制造科学与工程学院，四川 绵阳 621010；2. 西南科技大学 信息工程学院， 四川 绵阳 621010； 3. 特殊环境机器人四川省重点实验室， 四川 绵阳 621010；4. 西南科技大学 极端条件物质特性联合实验室， 四川 绵阳 621010)

为了验证激光诱导击穿光谱技术对中药内重金属铜元素检测的可行性，以黄连、附片、茯苓作为检测对象，分别为其配制了一系列浓度不同的含铜样品。采用1 064 nm的纳秒脉冲激光器作为激发光源，八通道光谱仪进行光谱采集。选用Cu 324.7 nm作为特征谱线进行分析，实验确定最佳延迟时间为0.5 μs。根据黄连、附片、茯苓的不同基体情况分别选取适当内标参量进行定量分析，所得线性拟合度分别为0.986,0.931,0.975，并与直接定标所得结果进行了对比。实验结果表明，内标法可提升拟合精度，激光诱导击穿光谱技术可用于中药重金属铜元素污染的快速检测。

激光诱导击穿光谱技术； 中药； 重金属； 内标法； 定标曲线

1 引 言

中药是中国医药学的瑰宝，但是近年来，生活污水和工业“三废”(废水、废气、废渣)的违章排放、化肥和农药的过度使用造成适于药用植物生长土壤被污染(主要包括重金属和有机污染物等)，中药的品质[1]下降，疗效降低甚至会危及患者的安全。国家药典委员会颁布的《中国药典》和中华人民共和国外经贸部颁布的《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》，明确规定了药用植物及制剂的绿色品质标准(包括药用植物原料、饮片、提取物及其制剂等的质量标准和检验方法)，其中铜(Cu)是中药重金属污染检测的一个重要指标，其限量指标为小于20 mg/kg。

目前，中药重金属检测的主要方法为化学分析法、原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法[2]。固然这些方法有很高的检测灵敏度，但仍存在着一些不足。化学分析法需要复杂的样品预处理，操作繁琐，分析时间较长且容易造成环境污染；原子吸收光谱法每次仅能分析一种待测元素，且样品预处理复杂；电感耦合等离子体质谱法检测过程中样品预处理复杂，需要使用强酸，容易造成环境污染[3]。因此，发展一种能快速、原位、多元素同时检测的中药重金属污染检测方法对保障中药的品质和安全有着十分重要的意义。

激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS)技术是近些年随着激光技术和光谱仪器的发展而兴起的对元素定性和定量分析的一种光谱技术，具有可同时进行多种元素分析、操作简便、能实现真正的快速分析等优点[4]，在诸多领域广泛应用[5-8]。本文针对黄连(Coptis chinensis)、附片(Aconite root)和茯苓(Poria cocos)这3种常用中药的重金属Cu元素污染，研究了LIBS技术检测的可行性。

2 实 验

2.1 样品表征

实验所用的黄连、附片产于四川，茯苓产于云南，其母样均购于四川省绵阳市某药房。所购中药首先由粉碎机(GX-04，高鑫)打碎成粉末状，再用分样筛(160目，华丰)进行分样处理，最后获得均匀的细粉末母样。

针对3种中药的细粉末母样，采用电感耦合等离子体质谱仪(7700，Agilent technologies，USA)分别对其Cu元素含量进行检测。由表1可知，所购的黄连、附片和茯苓中Cu元素的含量分别为0.282，0.016，0.040 mg/kg，远低于《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》所规定的限量指标20 mg/kg，因此，采用这3种样品进行分析时，可忽略样品本身Cu元素含量的影响。

同时，采用原子吸收光谱仪(AA700，PerkinElmer，USA)分别对3种中药细粉末中的钙(Ca)元素含量进行检测，为其作为内标元素提供依据。由表1可知，所购的黄连、附片和茯苓中Ca元素的含量分别为8.701，348.679，0.012 mg/kg，其中茯苓中的Ca元素含量极低。

表1 黄连、附片和茯苓中Ca和Cu的含量

Tab.1 Caand Cu content of coptis chinensis, aconite root and poria cocos mg/kg

ElementCoptischinensisAconiterootPoriacocosCuCa0.2828.701 0.016348.6790.0400.012

2.2 样品配制

由于所购的黄连、附片和茯苓中Cu元素的含量极低，可忽略不计，因此，我们在3种中药细粉末母样中分别加入质量分数为0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%的硝酸铜并进行研磨。为保证样品的致密度，研磨均匀程度等保持一致，研磨时间均为2 h。然后，通过型粉末压片机(769YP-30T，科器)施加18 MPa压力，持续3 min，压制成直径13 mm、厚度约为3 mm的片状测试样品。

2.3 实验装置

中药重金属LIBS检测装置如图1所示。采用纳秒脉冲激光器(Nd∶YAG Laser，Quanta-Ray Pro，Spectra-physics，USA)作为激发光源，其工作波长为1 064 nm、工作频率为10 Hz。激光光束经过焦距为400 mm的透镜聚焦于样片表面。样品垂直夹持于三维平移台(GTS30V/XMS160/XMS100，Newport，USA)上。激光烧蚀样品后产生等离子体，通过光纤探头(Avantes，Nederland)传输到光谱仪(AvaSpec-2048-8-USB2，Avantes，Nederland)，其平均光谱分辨率为0.1 nm，光谱范围为200～1 100 nm。光谱仪将采集数据传送到计算机上进行显示和分析。纳秒脉冲激光器和光谱仪通过延时触发器(DG645，SRS，USA)进行控制。

图1 中药重金属LIBS检测装置示意图

Fig.1 Device schematic diagram of LIBS detection for heavy metal in Chinese traditional medicine

2.4 实验参数选取

实验选取Cu 324.7 nm作为分析谱线，该谱线受其他谱线干扰较小，且具有较高的强度[9-10]。实验采用的激光能量为60 mJ，在此能量下能够较好地激发出各个谱线且不会过快地在样品上产生较大的烧蚀坑。光谱仪积分时间采用60 ms。

图2 不同延迟时间对发射光谱强度的影响。(a) 黄连；(b) 附片；(c) 茯苓。

Fig.2 Influence of delay time on the signal intensity. (a) Coptis chinensis. (b) Aconite root. (c) Poria cocos.

采用中药重金属LIBS检测装置，在延迟触发器不同延迟时间下(激光脉冲与光谱仪采集之间的时间差)，分别对已配制的不同Cu元素含量的黄连、附片和茯苓进行检测，获得了不同延迟时间对发射光谱强度的影响，如图2所示。分析可知，不同延迟时间对发射光谱强度的影响较大。为进一步确定实验的最佳延迟时间，我们分别对其信噪比和324.7 nm处的发射光谱强度进行了分析。从图3可以看出，当延迟时间为0.5 μs时，信噪比和324.7 nm处的发射光谱强度均为最高。

图3 不同延迟时间下的信噪比和324.7 nm处的发射光谱强度比较。(a) 黄连；(b) 附片；(c) 茯苓。

Fig.3 Signal to noise ratio and intensity of 324.7 nm under different delay time. (a) Coptis chinensis. (b) Aconite root. (c) Poria cocos.

3 结果与讨论

3.1 内标选取

在对黄连、附片和茯苓中Cu元素的定量分析过程中，为了减小实验过程中激光能量波动、样品表面其他杂质以及三维平移台所带来的误差，我们采用内标法进行定标曲线分析。

由表1所示的3种中药中Ca元素含量以及图4所示的3种中药母样的LIBS光谱可知，黄连和附片中Ca元素含量相对较高，在测量时信号强度高且稳定，并且Ca 319.7 nm处的峰值谱线与Cu 324.7 nm处的峰值谱线具有相近的电离能，适用于作为Cu 324.7 nm的内标元素[11]，从而建立定标曲线；而茯苓中Ca元素含量极低，在上述实验条件下无法激发出Ca 319.7 nm处的谱线，且在附近没有强度较高且信号稳定的谱线作为内标，故以323.5～325.5 nm的光谱面积为内标[12]，从而建立定标曲线。

图4 3种中药母样在313.0～328.0 nm处的LIBS光谱

Fig.4 LIBS spectra of three kinds of Chinese herbal medicine from 313.0 to 328.0 nm

3.2 定标曲线分析

黄连、附片、茯苓的定标曲线如图5所示。其中横坐标为样品中Cu的浓度，左侧纵坐标为无内标的定标曲线，以Cu 324.7 nm处的发射光谱峰值强度表示，分别获得黄连、附片和茯苓Cu元素含量的线性拟合度分别为0.914,0.916,0.837；右侧纵坐标为采用内标所得的定标曲线，以Cu 324.7 nm处的发射光谱峰值强度与所选取内标之比表示，获得黄连、附片和茯苓Cu元素含量的线性拟合度分别为0.986,0.916,0.975。

通过定标曲线对比发现，使用内标法可有效提高线性拟合度。其中附片的提高幅度较小，主要是因为附片粉末的粘合度最差，制成的片状测试样品较软、易碎；并且在进行LIBS检测时，会产生更大的烧蚀坑且更容易击穿，造成测试结果的随机性和不稳定性增加。可见，采用LIBS技术进行样品检测时，样品本身的物理性质以及激发时烧蚀坑的深度都会对检测精度造成较大的影响。

图5 黄连(a)、附片(b)、茯苓(c)的定标曲线比较。

Fig.5 Comparison of calibration curves of coptis chinensis(a), aconite root(b), and poria cocos(c), respectively.

根据图5所得黄连、附片、茯苓的定标曲线，结合相对偏差计算方法，我们分别对不同浓度的测试样品的相对偏差进行了计算，结果如表2所示，其相对偏差均小于±4%。

表2 不同浓度测试样品的相对偏差

4 结 论

采用LIBS技术对黄连、附片和茯苓中的Cu元素进行了检测，通过对不同延迟时间下的发射光谱强度及信噪比的分析，获得了最佳延迟时间为0.5 μs。采用直接定标和利用内标法定标对Cu 324.7 nm处的发射光谱强度进行了定量分析，获得了内标条件下黄连、附片和茯苓Cu元素含量的线性拟合度，分别为0.987,0.932,0.976。通过对比可知，使用内标法可减小误差、提升精度。根据定标曲线，分别计算得到了不同浓度测试样品的相对偏差均小于±4%，表明该测试方法具有较好的精度。实验结果表明，LIBS技术可运用于黄连、附片、茯苓中Cu元素的检测，且内标法在定量分析中可有效提高精度。

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李占锋(1966-)，男，黑龙江勃利人，教授，1991年于哈尔滨工业大学获硕士学位，主要从事检测技术及应用、光谱传感技术等方面的研究。

E-mail： 109181294@qq.com

Laser Induced Breakdown Spectros Copy of Cu in Coptis Chinensis， Aconite Root and Poria Cocos

LI Zhan-feng1*, WANG Rui-wen1, DENG Hu2,3, SHANG Li-ping3,4

(1.SchoolofManufacturingScienceandEngineering,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,China; 2.SchoolofInformationEngineering,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,China; 3.RobotTechnologyUsedforSpecialEnvironmentKeyLaboratoryofSichuanProvince,Mianyang621010,China; 4.LaboratoryforExtremeConditionsMatterProperties,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,China)*CorrespondingAuthor,E-mail: 109181294@qq.com

In order to verify the laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) is feasible for the detection of heavy metal elements in Chinese traditional medicine, using coptis chinensis, aconite root and poria cocos as detection object, a series of Cu element samples with different concentrations were prepared. 1 064 nm Nd∶YAG solid pulse laser was used as the excitation source, the eight channel spectrometer was used for spectral data acquisition. Cu 324.7 nm was selected as characteristic spectral line, and the optimal delay time was determined for 0.5 μs. According to the different substrate conditions of coptis chinensis, aconite root and poria cocos, the appropriate internal standard parameters were selected, and the linear degree was 0.986, 0.931, 0.975, respectively. The results were compared with the results of direct calibration. The experiment results show that the internal standard method can improve fitting accuracy and LIBS can be used for the rapid detection of heavy metal Cu pollution of traditional Chinese medicine.

laser induced breakdown spectroscopy; traditional Chinese medicine; heavy metal; internal standard method; calibration curve

∶1000-7032(2016)01-0100-06

2015-09-08；

2015-11-21

国家自然科学基金(11176032)； 极端条件物质特性实验室资助课题(12zxjk05,13zxjk02)； 特殊环境机器人技术四川省重点实验室开放基金(13zxtk0502)资助项目

O567.32

A

10.3788/fgxb20163701.0100