激光诱导击穿光谱技术在食品分析中的应用研究进展

瞿丞，贺稚非,2，李洪军,2*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)2(重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆，400715)

随着食品行业的发展，食品分析技术的作用日趋重要，食品分析技术被广泛地应用于食品中微量元素的检测、生产加工环节产品的质量检控和食品的安全性评估等方面。目前的食品分析技术存在检测时间长、成本高和难以实现现场检测等缺点，所以在食品生产销售过程迫切需要灵敏、可靠和快速的食品分析技术。

激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS)技术是一种基于原子发射光谱的分析技术，上个世纪六十年代，由于激光技术的发展，BRECH等[1]提出用激光激发原子发射光谱并用于固态、气态和液态物质元素分析的想法，因此产生了LIBS技术，在随后几十年LIBS技术得到了飞速的发展，是一种极具潜力的快速分析检测技术。相比于原子吸收光谱分析(atomic absorption spectrometry，AAS)、电感耦合等离子体光谱分析(inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS)等传统光谱分析技术，LIBS技术具有如下优点：(1)多种元素同时进行分析；(2)待测样本无需预处理或仅需要简单的预处理，对样本的损伤小，近似于无损检测；(3)检测步骤操作简单，无需专业的操作人员，且检测过程不产生化学污染物；(4)检测设备成本低、速度快；(5)能够实现现场在线分析和远距离样本的检测。近年来，LIBS已经广泛的被用于环境、考古、冶金、地质、材料和医学等领域，但是由于其精确度不足、检测限(limit of detection，LOD)较高和重复性较差等原因，在食品行业的应用相对较少，主要集中在食品掺假分析、食品营养物质分析和食品有害物质物检测等几个方面。国内外学者为了提高LIBS的实用性开展了大量工作，也取得了一定的研究成果，本文综述了国内外关于LIBS技术在食品分析领域的应用，并对其在食品行业的发展方向进行了展望，以期对LIBS技术的发展提供参考。

1 技术原理

LIBS是基于原子发射光谱的多元素分析技术，其基本原理是利用激光脉冲对被测物体进行烧蚀，被测物体由于高温的作用会发生融化、电离，并诱导激发态等离子体产生，高温的等离子体在冷却的过程中会由激发态向基态跃迁，不同元素产生的等离子体在跃迁时会发射出不同的光谱，通过对光谱的收集分析即可实现对被测物体所含元素的检测。LIBS分析包括定性分析和定量分析，定性分析是根据特定元素在特定的波长下产生相应原子光谱或离子光谱的原理，由光谱图对样本所含元素进行判定；定量分析是根据元素含量与对应波长下光谱信号强度成正比的原理，通过光谱信号强度分析待测元素含量。

图1是典型的LIBS技术实验装置图，主要包括激光器、聚焦透镜、样本室、光导纤维、光谱仪、光检测器和计算机等几部分。激光器是LIBS实验装置最重要的部件，激光器的性能显著影响分析效果，目前最常用的激光器是Nd∶YAG激光器。如图1所示，激光器发出的激光经聚焦透镜的聚焦作用使样本被烧蚀产生等离子体，利用光导纤维对等离子体产生的光谱进行收集，光谱仪将光信号转化成电信号，最后由计算机结合不同的分析方法对待测元素光谱进行定性和定量分析。

图1 LIBS实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the LIBS experiment set-up

2 LIBS定量分析的影响因素

2.1 样本的物理形态

LIBS能对不同物理状态的样本进行分析检测，但是分析的精确度存在一定的差异。由于物理形态上的差异，样本在液体状态下会产生表面激波和溅射等现象，影响待测元素的光谱信号，所以通常情况下固态样本发射的等离子体光谱相对易收集，分析结果也较好。为了提高液态样本的分析结果，可以通过预处理将样本从液态转变成固态，其方法包括以下几种：(1)通过冻结的方法将液态转化为固态；(2)用多孔的固体基质对液态样本进行吸收；(3)利用化学沉淀或物理蒸馏使分析物变为固体；(4)对于黏性液体，可以采用涂膜处理固定形态。固态样本相对于液态样本具有较好的分析结果，但固态样本也会由于表面的形状、基体效应、样本分布不均和混合不充分等因素影响最终的结果，所以为了提高分析的效果，通常会对固态样本进行分离、研磨和混合等预处理，使样本尽量保持均匀一致的状态。

2.2 激光的波长与能量

激光击穿样本的过程中，激光和样本的相互作用会促使等离子体的产生，并且在短时间内等离子体会发生跃迁，所以激光的波长和能量会影响等离子体的形成，从而影响定量分析的结果。激光的能量主要影响生成的激发态等离子体的数量、温度和密度，激光的波长主要影响样本中的粒子对激发光源的吸收效率。一般来说，脉冲激光能量过小，产生的光谱信号缺乏稳定性；脉冲激光能量过大，背景噪音辐射增大，会增强对谱线的干扰，影响分析结果。激光波长会影响等离子体对光源能量的吸收效率，不同的波长会产生截然不同的效果，比如，某种波长的激光或许会促进韧致辐射的产生，而另一种波长的激光却会促进样本的电离。所以适当的波长和能量能提高等离子体的质量和数量。MAURY等[2]研究表明激光的能量并非越大越好，适当的激光波长和能量才具有最佳的光谱稳定性和信噪比。

2.3 延迟时间

LIBS在分析样本的过程中，激光击穿样本产生等离子体、等离子体发生跃迁发射光谱以及探测器的响应都需要一定的时间，所以发射光谱的收集需要适宜的延迟时间，最佳的延迟时间能够降低背景噪音的干扰，提高特征谱线的分析效果。等离子体在发射光谱的最初阶段温度较高，密度较大，会引起较强的韧致辐射，从而对特征谱线的分析产生干扰，选择合适的延迟时间能够降低韧致辐射和黑体辐射等干扰谱线的影响，增强谱线的信噪比，提高分析检测的精确度。MAURY等[2]发现随着延迟时间的增加，信噪比呈现先上升后下降的趋势，在中间某一时刻信噪比达到最大值，所以适宜的延迟时间会使的信噪比达到最大，最终带来最佳的定量分析效果。此外，在光谱分析图中，分立谱由于具有较强的光谱强度，在等离子体发射光谱中通常被选择作为特征谱线进行分析，而连续谱由于谱线的区分度小，通常会对分立谱的分析形成干扰。利用分立谱的衰退时间要长于连续谱的特点，选择一个最佳的延迟时间可以避开连续谱对于分立谱的干扰。

2.4 聚焦透镜焦点到样本表面的距离

合适的聚焦透镜焦点到样本表面的距离(lens-to-sample distance，LTSD)能带来良好的信号强度和精确度。LTSD与特征谱线强度、等离子体温度、样本烧蚀程度以及信噪比等因素存在一定的相关性。LTSD的选择直接影响聚焦光斑的面积和聚焦在样本表面单位面积能量的大小。LTSD较小时，激光的聚集程度不够，虽然聚焦光斑烧蚀的面积大，但单位面积的能量减小，因此样本的烧蚀程度不足，导致谱线强度降低；LTSD较大时，虽然激光聚集的能量很大，但聚焦光斑烧蚀的面积较小，产生的等离子体也少，因此会降低谱线强度。POPOV等[3]的研究结果都表明LTSD小于聚焦透镜的焦距时能带来更好的分析结果。

2.5 环境气压与气体成分

环境气压对等离子体有一定的束缚作用，当气压处于真空状态时，原子和离子所受的束缚少，等离子体会快速的冷却衰退，使有效碰撞频率降低，导致谱线强度下降；当气压过大时，过强的束缚作用会使等离子体发射光谱难以被光导纤维所收集，引起谱线强度下降。此外，气体成分也会对分析结果产生影响，通常来说惰性气体的存在会提高仪器的分析性能。HAHN等[4]发现利用氦、氩和二氧化碳等气体可以对激光诱导等离子体的形态、发射特性以及转化过程产生影响，有助于降低检测限。PERUCHI等[5]研究表明用氩气去替代样本室中的空气可以显著增强光谱强度。

2.6 其他影响因素

LIBS除了与上述因素有关外，还与基体效应和自吸收等因素有关。基体效应和自吸收现象是影响分析结果的重要因素。由于分析物通常都不是单一的化合物，分析检测总会受到来自其它不相关基体的干扰，所以就会产生基体效应。基体效应主要是由分析样本的物理特性和化学组成所引起，减小基体效应可以有效增强谱线强度。造成物理基体效应的因素主要包括汽化、导热系数、吸收率和水含量等；造成化学基体效应的因素主要包括基体元素的电离程度和化学形式，电离程度和化学形式会影响分析元素的发射谱线。为了减少基体效应对分析谱线的干扰，目前常采用分离化合物、稀释样本浓度和内标法校正等方法降低基体效应。自吸收现象是由于在高密度的等离子体中存在不同能级的原子或离子，能量上的差异会引起基态的原子吸收激发态等离子体所发射的光谱，导致谱线平顶或谱线凹陷(自蚀)的现象出现。基体效应和自吸收现象会导致分析结果偏低，为了避免这种现象，目前通常采用标准校正(standard calibration)曲线、偏最小二乘法(partial least square，PLS)、判别分析法(discriminant analysis，DA)和主成分分析(principal component analysis，PCA)等化学计量方法进行误差校正。

3 提高光谱信号强度的技术方法

分析精确度、激光稳定性和操作可重复性等问题一直阻碍着LIBS在实际生产中的应用，提升光谱信号强度能有效解决上述问题，近年来为了提升LIBS技术的光谱信号强度，很多学者也展开了相关的研究，主要的解决技术包括以下几种：(1)双脉冲LIBS；(2)微波辅助LIBS；(3)空间限制LIBS；(4)磁场约束LIBS；(5)放电脉冲LIBS。

提高光谱信号强度的基本原理包括两类，一类是通过延长等离子体的存在时间来增强光谱信号强度，如双脉冲LIBS、微波辅助LIBS和放电脉冲LIBS；另一类是在空间上限制等离子体的膨胀来增强光谱信号，包括空间限制LIBS和磁场约束LIBS。双脉冲LIBS用两束激光先后以一定的角度(通常是共线或者垂直)烧蚀样本，第一束激光的作用主要是促使样本产生等离子体，第二束激光的作用主要是使等离子体吸收激光能量产生二次电离，延长等离子体存在的时间增强光谱信号。微波辅助LIBS是利用电子振动的方式将吸收的微波能量传递给其它粒子，使等离子体的温度和密度升高，促进等离子体的二次激发。放电脉冲LIBS是用高电压回路增加等离子体所带的电能，激发等离子体的二次电离，降低激发样本所需能量，增强光谱信号强度。空间限制LIBS是采用不同外形的微腔对等离子体的膨胀进行限制，将等离子体限制在一定区域内，增强等离子体的碰撞几率，使光谱信号的稳定性和强度增加。磁场约束LIBS是将外加磁场作用于等离子体，使等离子体在发射过程中的物理特性发生改变，提高电子碰撞频率。此外，采用皮秒或微秒的激光脉冲间隔结合上述5种技术也能提高光谱信号强度。

4 LIBS技术在食品分析中的应用

4.1 食品掺假分析

为了节约成本、追逐经济利益，有些不良商家会选择在食品中掺假。食品掺假不仅会导致食品的营养价值下降和经济损失，还会引起过敏等健康问题。目前存在的食品掺假分析技术如高效液相色谱、高效液相色谱质联用和近红外光谱等存在检测成本高、样品预处理复杂和检测耗时长等缺陷[6]，所以需要一种快速准确、成本低和能实现现场分析的食品掺假检测技术。LIBS技术具有分析速度快、设备成本低和样品处理简单等优势，有广阔的发展前景。表1列举了近年来LIBS技术在肉制品[6-8]和乳制品[9-10]等食品中掺假分析的应用研究。

BILGE等[6]根据猪肉、鸡肉和牛肉中Zn、Mg、Ca、Na和K元素含量的差异，用LIBS技术结合PCA辨别肉的种类，此外，还用LIBS技术结合PLS分析牛肉中掺假猪肉、牛肉中掺假鸡肉的掺假率，结果表明LIBS技术结合PCA定性分析肉的种类的识别率达到83.37%，猪肉掺假和鸡肉掺假的检测限分别为20 mg/g和44 mg/g。CASADO-GAVALDA等[7]根据牛肉和牛肝中Cu含量的差异，用LIBS技术结合PLS分析牛肉中牛肝的掺假率，结果检测限达到了132 mg/L。MONCAYO等[10]用LIBS技术结合PCA和人工神经网络模型(neural network，NN)定性分析不同动物奶粉制品的混合和定量分析婴儿配方奶粉中三聚氰胺的含量，结果显示定性分析奶粉混合的识别率为98%，多变量分析结合NN模型定量分析三聚氰胺掺假具有较好的灵敏度和稳定性，校正系数为0.999。BILGE等[9]根据乳清与奶粉元素组成的差异，用LIBS技术结合PCA和PLS对奶粉中掺假乳清粉进行分析，实验结果显示LIBS技术可以用于定量检测乳清粉的掺假。

表1 LIBS技术在食品掺假分析中的应用Table 1 The applications of LIBS technology in food adulteration analysis

注：“-”表示文献中未明确提及。

4.2 食品营养物质分析

在食品的生产加工以及销售过程中，对食品中所含营养物质的分析能够帮助生产者和消费者了解食品的品质。LIBS技术具有现场在线分析、预处理简单等优势，可以被应用于食品原料的挑选、食品品质的检测等方面。表2列举了近年来LIBS技术在食品营养物质分析中的应用，主要包括乳制品[15-17]、面粉制品[18-22]和肉制品[23-25]等。

表2 LIBS技术在食品营养物质分析中的应用Table 2 The applications of LIBS technology in food nutrient analysis

注：“-”表示文献中未明确提及。

降低LIBS技术的检测限，是目前的LIBS技术研究的重点与难点之一。MEHDER等[26]用LIBS技术检测海枣中的Ca、Mg和Cr的含量，检测限分别为6、17和1 mg/L；MARKIEWICZ-KESZYCKA等[20]用LIBS技术结合PCA检测6种无麸质面粉中的灰分、K和Mg，灰分、K和Mg的检测限分别为3.7、0.85和0.29 mg/g；GONDAL等[27]用LIBS技术检测6种茶叶中的特征元素，结果显示Br、Fe、Cr、K、Ca、Cu、Si检测限分别为22、12、14、11、6、1、12 mg/L，研究结果表明LIBS技术有潜力用于食品纯度和品质的分析；CAMA-MONCUNILL等[16]成功地将LIBS技术用于婴儿配方奶粉中Ca含量的检测，检测限达到3.69 mg/g。此外，根据食品中存在的特征性元素，可以用LIBS技术对食品中元素和化合物的含量进行分析。过量摄入食盐会导致高血压等健康问题，所以对食品中的食盐进行监控是十分必要的，BILGE等[22]通过LIBS技术分析Na在589 nm处的光谱实现了对焙烤食品中NaCl的快速定量检测。蛋白质是人体所需的重要营养素，在面粉和奶粉中的含量较高，部分研究表明LIBS技术可用于食品中蛋白质含量的测定[17, 19]；如ABDEL-SALAM等[17]通过LIBS技术分析母乳和婴儿配方奶粉的元素和蛋白质含量差异，结果发现母乳中Mg，Ca，Na，Fe和蛋白质含量均高于婴儿配方奶粉，30岁以上女性母乳中的Mg，Ca，Na，Fe和蛋白质含量低于30岁以下女性。SEZER等[19]用LIBS技术对小麦粉和粗面粉中的N元素进行分析，实现了蛋白质的快速检测。LIBS技术还可以用于食品加工过程的快速检测，DOS等[15]根据奶粉和膳食补充剂中的Ca、Mg和K的含量差异，用LIBS技术结合PLS建立分析检测模型，实现了每小时60个样本的快速检测，减少了繁琐的操作并且不产生有毒化学残留。

4.3 食品有害物质检测

食品中有害物质物来源包括食品原材料自身所带、生产加工过程产生以及运输销售过程中储存不当产生。食品含有的有害物质会带来营养价值下降、货架期缩短和危害人体健康等问题。有害物质分析对于提高食物品质和降低人体危害是非常必要的。目前研究表明LIBS技术可以用于食品中重金属污染检测[30-35]、食品农药残留检测[36-37]、食品添加剂超标检测[38]和微生物污染检测[39]等几个方面，表3列举了近年来LIBS技术在食品有害物质检测中的应用研究进展。

表3 LIBS技术在食品有害物质检测中的应用Table 3 The applications of LIBS technology for detecting the harmful substances in food

注：“-”表示文献中未明确提及

KBrO3的添加对于面包的生产有漂白作用和增强发酵的作用，但Br的超标会影响机体健康，对机体造成威胁，MEHDER等[30]用LIBS技术检测出4种不同面包中Br的含量分别为352，157，451，和311 mg/L。环境中排放的重金属元素可以通过生物富集作用存在于动物性食品和植物性食品中，ALVIRA等[31]的研究表明LIBS技术可以用于定性和半定量分析新鲜鱼肉中的Pb和Cu含量。同样的，LIN等[32]的研究也表明LIBS技术可以用于检测猪肉中Cr的超标。YAO等[34]用LIBS技术结合3种不同波长Cd元素谱线分析新鲜蔬菜叶中的Cd，结果表明LIBS的分析检测限能够达到食品中重金属检测的标准。LIBS技术也可被用于食品添加剂的分析。TiO2可以作为染色剂应用于食品中，SEZER等[38]用LIBS技术结合PLS分析白色的鹰嘴豆中Ti的含量，检测限为33.9 mg/L。LiCl与NaCl有相似的化学特性，但Li对于人体来说是一种有毒元素，SEZER等[33]用LIBS技术分析Li在610 nm处的谱线，检测肉丸中Li的含量，检测限为4.64 mg/L。此外，KIM等[36]的研究表明LIBS技术可用于检测菠菜和大米是否有杀虫剂残留。

4.4 食品分类鉴定

无论是动物性食品还是植物性食品，由于气候、温度和营养等因素的影响，会造成不同来源食品中的元素组成和含量存在一定的差异，而LIBS技术可以根据食品中的这些差异，实现对食品的快速分类鉴定。在目前的文献研究中，LIBS技术针对食品的快速分类鉴定主要集中在食品产地的分类[40-44]、食品品质的分级[45-46]和不同食品的分类[47-48]，表4列举了近年来LIBS技术在食品分类鉴定中的应用研究进展。

表4 LIBS技术在食品快速分类鉴定中的应用Table 4 The applications of LIBS technology for the rapid classification and identification of food

对于食品产地的快速分析，目前的研究存在于茶叶、食盐和红酒等食品。WANG等[40]分析茶叶中Mg、Mn、Ca、Al、Fe、K、CN、C2元素，用LIBS技术实现了对龙井茶、蒙顶黄芽、白茶、铁观音、武夷红茶和普洱茶的快速分类。LEE等[41]用LIBS技术分析了来自10个国家的食盐，并根据元素之间谱线强度的相关性分为K、Mg和Li；Ca和Sr；Al、Si、Ti和Fe三组，结果发现相关性高的同一组元素的食盐是来自于同一产地，由此可以实现对海盐的快速分类。此外，LEE的团队[42]还将LIBS技术与激光烧蚀电感耦合等离子质谱(laser-ablation inductively coupled plasma mass spectrometry，LA-ICP-MS)技术结合起来对来自10个国家的14种食盐进行分析，结果表明两种技术能产生互补，提供更精确的分析结果。MONCAYO等[44]将液体红酒转化为固体的凝胶态，用LIBS技术对38种不同产地的西班牙红酒进行分析，结果表明LIBS技术可以应用于酒类饮料的分级和质量监控。食品品质的分级可以应用于食品原材料的挑选。Ca的是肉制品中重要的一类元素，ANDERSEN等[45]用LIBS技术实现了对小于20 mg/100 g、介于20～90 mg/100 g和大于90 mg/100 g的Ca含量的机械切割家禽肉的分级。咖啡豆变黑、变绿和变酸会严重影响咖啡的品质，SILVA等[46]根据C、CN、C2和N元素的发射光谱，用LIBS技术对咖啡豆的品质进行了分级。

4.5 食品元素分布图

LIBS技术还可以应用于检测食品中元素的浓度分布，其基本原理是根据元素谱线强度与元素浓度成正比，用不同颜色的色标去代表不同的谱线强度，由颜色的深浅来反映元素浓度的分布。元素分布分析可以检测表面污染是否对分析结果产生影响，CAMA-MONCUNIL等[49]用LIBS技术分析婴儿配方奶粉样本同一位置不同水平的元素分布，根据元素分布图判断样本内部元素与表面是否存在差异，排除表面污染干扰，提供更准确的分析结果。此外，根据LIBS技术绘制的元素分布图还可以应用于产品监控和工艺参数优化。DIXIT等[50]用LIBS技术绘制Na的元素分布图，成功分析了2 h到24 h内NaCl在牛排中的渗透过程，可以用于最佳腌制时间的确定。

5 总结与展望

LIBS技术与其他的食品分析技术相比存在诸多优势，但由于受到许多现存的因素干扰，存在检测限高、灵敏度差和重复性差等缺陷，导致LIBS技术的定量分析结果并不如人意，很多研究只能局限于实验室，无法完全投入实际的食品生产中，经过国内外科研人员的努力，LIBS技术的分析性能得到了一定的提升。近年来LIBS技术在食品行业的分析检测的应用呈逐年上升趋势，主要包括食品掺假分析、食品营养物质分析、食品有害物质检测和食品快速分类鉴定等几个方面。针对LIBS技术在食品分析方面的研究进展，对LIBS技术在食品行业的发展方向做出如下展望：(1)便携式LIBS技术是其发展方向之一，可移动性和方便携带性是其最大的优势，可以实现食品的现场即时检测，便携式LIBS技术对掺假和重金属污染等问题食品的定性和半定量分析，可以减少食品分析的成本和时间，增加检测的灵活性；(2)LIBS技术有潜力应用于食品原材料的分级，根据食品原材料的元素和营养成分的含量差异，对原材料进行快速挑选，保证食品的营养价值。(3)因为有分析食品元素分布的能力，LIBS技术还可能应用于食品加工工艺的优化，比如LIBS技术可以通过监测腌制过程中Na的渗透过程，确定最佳的腌制时间；(4)无损检测也是LIBS技术发展的一个方向，由于LIBS技术无需或仅需简单的样本预处理，且分析所需样本的质量少，有望成为一种新型的无损检测技术，实现对食品的即时监控与检测。LIBS技术在食品行业有巨大的潜力和前景，在未来有希望广泛的应用于食品生产过程中产品质量的控制与食品成品的检测，随着定量分析性能的进一步提升，LIBS技术有望取代传统的食品分析技术。