激光诱导击穿光谱技术及其在食品分析中的应用研究进展

温荣欣，扈莹莹，于 晶，孔保华，陈 倩*

（东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

激光诱导击穿光谱（laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）技术是一种原子发射光谱技术，利用激光照射被测物体表面，使微量样品发生灼烧，瞬间气化产生等离子体，通过检测等离子体光谱实现对物质成分的定性和定量分析。其已被广泛应用于矿产分析[1]、环境污染监测[2]、冶金[3]、生物制药[4]、太空探测[5]等领域。随着LIBS技术的发展，近年来其逐渐成为食品行业一种新兴的材料表征和鉴定分析技术[6]。通常用于食品检测的原子吸收光谱、电感耦合等离子体-原子发射光谱、X射线荧光光谱等传统光谱分析技术，样品预处理过程较为复杂，检测过程中需要使用昂贵的化学试剂，且易产生有毒废物。而LIBS技术作为快速、微创的食品分析工具，具有样品预处理过程简单、环保高效、便携等特点，适合在食品生产现场进行快速检测分析[7]。基于LIBS技术的诸多优点，其在食品领域中的应用日益增加。本文主要介绍了LIBS技术的原理及其在食品分析检测中的应用，并对其未来的性能发展做出展望。

1 LIBS技术概述

LIBS技术的出现可以追溯到20世纪60年代，1962年，Brech等[8]首次提出将激光作为原子发射光谱激发源的想法。1963年，Q开关脉冲激光器被发明出来，LIBS技术被应用于样品表面成分分析[9-10]，到20世纪90年代，国内外大量的科研人员参与了LIBS相关的研究工作，LIBS技术打破学科界限，逐步被多个学科领域广泛应用。近年来，LIBS技术走出实验室开始了产业化发展，也逐渐被应用到各项食品分析中。

1.1 LIBS技术的基本原理

LIBS技术主要是通过脉冲激光器向样品发射高能脉冲，然后激光能量被样品吸收，随后样品表面温度升高，当其温度升高至熔点时，少量样品发生熔融，随着温度继续升高，样品中能量存积逐渐增多，熔融状态的样品发生气化、雾化及电离，最终生成高温高压的等离子体。产生的这些等离子体包含样品中存在的原子、离子和自由电子，等离子体继续吸收激光后续的能量，导致其向外发生膨胀，最终在外部形成冲击波。当激光脉冲停止，等离子体开始冷却，膨胀速度也随之减小，其中的原子、离子和电子会逐渐损失能量。在这样的高温体系中，原子、离子等会被激发到不同的能级上，因而会发生由高能级到低能级的跃迁，产生很强的发射光谱[10-11]，具体过程见图1。该等离子谱线的波长和强度分别表示样品中元素组成及含量。

图1 激光诱导击穿过程的示意图[11]Fig. 1 Schematic diagram of laser-induced breakdown[11]

1.2 LIBS系统

LIBS系统示意图如图2所示，它由脉冲激光器、样品室、等离子体光学采集系统、光谱仪、增强电荷耦合器件（intensified charge-coupled detector，ICCD）、脉冲延时器、计算机等组成。激光器提供激发光源，产生高度集中的高能单脉冲，将激光束汇聚在样品表面，进而激发样品发生能量沉积，逐渐烧灼、熔融，最终产生高温、高电子密度的等离子体；随后，光学采集系统采集等离子体的发射谱线，然后通过光纤把光学信号传导到光谱仪上，进行时间分辨或空间分辨；最后通过计算机进行成分分析。LIBS技术能够实现元素的定性定量分析，主要是根据元素的谱线特征及元素的含量与信号强度成比例的关系完成的[12-13]。

图2 LIBS系统示意图[12]Fig. 2 Schematic diagram of LIBS[12]

1.2.1 脉冲激光器和激光聚焦系统

在食品分析领域，LIBS系统多采用的是高功率Q开关的Nd：YAG固体激光器，该激光器产生的高能单脉冲可以形成良好聚焦的激光光束[12]。激光聚焦系统通常包含一个聚焦透镜，该聚焦透镜将激光光束汇聚到待测样品的固定位点上，由于一些可燃性样品经灼烧易产生较高的火焰，聚焦透镜应具有小倍率、长工作距离、高损伤阈值等特点[14]。新兴的FO-LIBS采用光纤代替聚焦透镜，能够将激光光束发送到样品的准确位置以便于远程测量，同时也使便携式点对点LIBS设备成为可能，但在食品分析中尚鲜有应用[15]。

1.2.2 样品室

在进行测定时，样品需置于样品室的样品台上，样品室是经过特殊设计的容器，具有激光防护窗，能保证操作的安全性，并且可以控制样品所在的大气条件。为提高测量质量，样品台应具备旋转和平移的功能，避免样品被激光击中时发生偏移，便于准确对焦[12]。

1.2.3 光学采集系统和探测系统

光学采集系统由透镜和反射镜组成，样品的等离子体激发光通过该系统聚焦于光纤的入口或光谱仪入射狭缝处。等离子体光谱探测系统由光谱仪、ICCD和脉冲延时器组成，光谱范围、分辨率和采集时间是决定光谱仪性能的3 个重要参数，宽光谱范围允许同时记录多个元素，分辨率决定了光谱仪解析电磁波谱特征的能力[16]。采集时间主要由延迟时间和积分时间组成，均由与激光器同步的脉冲延时器控制。ICCD的主要功能是将激光照射产生的光学信号转换成光谱[17]。LIBS的多元素检测能力要求系统具有宽光谱覆盖范围且高分辨率的光谱仪和高灵敏度的ICCD。

LIBS技术与其他原子发射光谱法相比，主要有以下特点：1）该技术可以同时进行多元素检测，样品被烧灼部位含有的所有元素都可以被测定；2）样品制备过程简单、检测时间短，几秒之内即可生成光谱数据，适合在大型工业和分析现场应用；3）作为一种光学技术，无辐射、无接触，在检测过程中，仅样品表面极少部分发生烧灼，破坏性小，可作为一种近似无损检测技术。

1.3 用于LIBS技术的样品制备

食品组成成分复杂，为提高LIBS技术的检测准确度，需要对一些样品进行适当的预处理。不过与其他检测方法相比，LIBS技术所需的样品制备过程较为简单，耗时较短。

1.3.1 固体样品

由于样品的不均匀性会影响LIBS检测的准确度，通常将固体样品制成干燥的粉末，然后压制成颗粒进行检测[18]。制成粉末状态可以改善样品的粒度分布和微观均匀性，降低基质效应，获得更精准的测量结果，但松散的粉末在检测过程中表面会发生冲击波，导致散焦以及辐照度脉冲间的波动[19]。将固体粉末压制成颗粒后，可以提供更坚固、更均匀的样品表面[20]。当粉末不能形成黏性颗粒时，可使用黏合剂进行处理，改善颗粒的内聚力。黏合剂应选择自身不产生强烈基质效应的材料，并且不含任何分析物或干扰元素，以免影响检测结果[21]。

1.3.2 液体样品

液体样品不能直接进行LIBS分析，因为不仅液体表面的波纹、内部的气泡会对激光束和发射光产生影响，而且液体样品具有较短的等离子体持续时间，并且在检测过程中易发生液体飞溅、形成表面气溶胶等问题[14]。为了克服这些缺陷，可以将液体样品转化为固体状态进行检测，主要通过对液体进行冷冻或将少量溶液沉积到多孔固体基材上并在环境条件下干燥，还可以根据待检元素的性质将液体进行沉淀[22]。此外，也可将液体旋涂在玻璃片上，使得激光束聚焦线处的液体具有均匀的厚度，通过优化测量条件获得稳定的等离子体[23]。

1.3.3 气体样品

LIBS技术应用在气溶胶样品中也是可行的，目前已经在环境科学领域得到了应用，主要用于监测工业废气中的重金属含量[24]。该技术的实现主要通过两种方法，直接方法是将激光脉冲准确的聚焦在气体中，从而获得相应的等离子体，间接方法是通过过滤器等器具收集样品之后进行检测[25]。虽然尚鲜有在食品研究中进行应用，但是根据其应用情况分析，该技术具有在食品中检测气体样品的潜力。

1.4 LIBS数据分析

LIBS技术是通过将高激光脉冲施加到样品表面上，然后收集等离子体发射出的光来获得光谱；然而，激光器激光能量的波动、光谱仪分辨率差异、外部环境以及样品表面不均匀等因素均会导致采集到的光谱数据中包含大量的干扰信息，如何从复杂的光谱数据中提取有效信息，提高对未知样品定性、定量分析准确度是LIBS技术目前面临的难题[26]。应用化学计量学技术具有数据处理、信号解析和模式识别等功能，可处理LIBS分析所产生的大量数据，消除光谱中干扰信息带来的分析结果误差，提高LIBS技术应用的可靠性与稳定性，已成为LIBS技术发展过程中不可缺少的数据处理工具[27]。

LIBS的数据分析主要可分为3 个方面，即数据预处理、定性分析和定量分析[12]。光谱数据预处理主要包括基线校正、噪声滤除、重叠峰分辨和数据压缩等方法，不仅需要将光谱中的有效信息和干扰信息进行区分，提取有效信息，更重要的是从有效信息中提取可表征待测样品的特征信息，为后续的定性或定量分析提供真实准确的数据基础[26]。在食品领域的定性分析中，通常使用的化学计量学工具是主成分分析（principal component analysis，PCA）[28]和偏最小二乘判别分析（partial least squares discrimination analysis，PLS-DA）[29]，将不同光谱中的差异信息提取出来并进行区分，从而实现对未知样品的归属和分类。定量分析常见的方法有外标法、内标法和自由定标法，在大多数研究中，LIBS技术通常采用自由定标法，相较于其他两种方法，自由定标法无需定标物，更适合实时多变的检测环境，当等离子体达到局部热平衡状态时，直接根据测量谱线的相对强度计算出被测样品中各物质的含量[30-31]。一些化学计量学工具如偏最小二乘法（partial least squares，PLS）[32]和人工神经网络（artificial neural networks，ANN）[33]也经常被用于定量分析中，这些多变量分析的方法可以充分利用LIBS数据信息，提高定量准确性。

2 LIBS技术在食品中的应用

近年来，LIBS技术已经成为光谱分析中的热门技术之一，且逐渐应用到食品领域（表1），主要集中在食品成分分析、掺假检测、污染检测和鉴别分类几方面。

表1 LIBS技术在食品中的应用Table 1 Application of LIBS in food analysis

2.1 食品成分分析

食品的基本组成元素是食品分析的重要内容，也是对食品进行研究与改良的基础。在食品加工过程中，监测食品成分及品质的变化对其加工生产具有现实指导意义。与传统的食品成分分析方法相比，LIBS技术具有简便、环保、高效等优点，近些年在食品分析中得到应用。如表1所示，Abdel-Salam等[34]利用LIBS技术评估母乳和不同市售婴儿配方奶粉中的营养元素，根据形成的光谱计算出不同样品中Mg、Ca、Na和Fe的相对丰度，但没有进行精确定量。之后，Markiewicz-Keszycka等[35]验证了LIBS技术在无麸质面粉中量化K、Mg的能力，两种元素的检测限（limit of detection，LOD）分别达到0.085%和0.029%，证明了该技术在食品元素检测中的应用可行性。

通过分析LIBS技术所测定的元素与食品中大分子物质的相关性，可以实现对食品中脂质、水分、蛋白质等的定量分析。姚平等[36]应用LIBS技术测定油菜籽的含油量，样品中的油菜籽油吸收激光能量后发生气化和降解，分裂出的C原子或离子与空气中的N2结合形成CN分子链，并在388.2 nm波长处发射出谱线，经数据分析后发现，油菜籽含油量的LOD可达到0.096%。氢、氧的原子发射以及羟自由基的分子发射都可以作为水分含量的检测指标。Liu Yuan等[37]通过分析氧原子的光谱强度检测干酪的水分含量。此外，Sezer等[38]利用LIBS技术建立了通过测定谷物中氮元素获得蛋白质含量的方法，并证明该方法比常规分析方法如凯氏定氮法和杜马法更加快速、可靠和环保。这些研究表明，LIBS技术已经由简单的元素检测，发展到对食品中大分子物质进行测定的水平。

在食品的加工过程中，外源物质的添加至关重要，其含量控制及添加量优化一直是食品行业的热点问题。Bilge等[39]利用LIBS技术测定烘焙食品中的Na含量，提出该技术可以作为防止烘焙食品中食盐超标的简便检测手段。此外，LIBS技术与成像技术结合可以将外源物质进入食品基质的过程变得可视化。Dixit等[40]利用LIBS技术监测牛肉腌制过程中食盐扩散过程，通过589.05 nm波长处的Na发射峰对NaCl扩散过程进行成像；结果显示，随着腌制时间的延长，Na在样品中的分布范围逐渐扩大，且样品表面信号较强，与中心形成Na浓度梯度。该研究证明，LIBS技术具有在工业生产中控制肉类腌制过程的潜力，对优化腌制时间、腌制温度以及食盐用量等方面具有较大作用。以上研究表明，LIBS技术可以有效监测食品中添加的外源物质，对于食品的加工生产及产品开发具有重大意义。

2.2 食品掺假检测

掺假检测是食品工业面临的重要挑战，也是政府监管机构和消费者主要关注的问题。通常用于分析食品掺假的技术有近红外光谱、傅里叶变换红外光谱和拉曼光谱等，然而，这些方法中大多数对于10－6级含量的元素不够敏感，且检测成本相对较高、耗时长且易造成浪费。LIBS技术可以克服这些缺点，可通过对样品中相关元素进行定性及定量分析，从而辨别样品的掺假程度。Bilge等[41]基于奶粉和乳清粉之间K、P、Ca和Na含量的差异，采用LIBS技术鉴定出了脱脂奶粉中掺假的乳清粉。Temiz等[42]利用LIBS技术对黄油和人造黄油进行了检测，发现两者的Ca、Mg、K、Na、Zn、Cu和Fe等元素含量差异显著。此外，Casado-Gavalda等[43]利用LIBS技术间接检测碎牛肉中Cu含量来量化其中掺杂牛肝的程度，发现动物内脏的矿物质含量显著高于肌肉组织，尤其是牛肝中的Cu含量比牛肉高出100 倍；研究结果显示，随着碎牛肉中掺杂牛肝的比例增多，Cu含量显著上升，体现出该技术的灵敏性及提供物质分布空间信息的能力。以上研究表明，LIBS技术可以通过检测样品中物质成分含量的差异对掺假做出判断，相较于传统的掺假检测方法，LIBS技术的快速、环保、便捷等特点体现出其对工业生产的适用性。

2.3 食品污染检测

农药残留属于食品污染的重要部分，当食品中有农药残留时，其中含有的某些特定元素含量会发生变化，利用LIBS技术可以通过检测元素含量的变化值判断农药残留是否超标。Ma Feiyu等[44]利用LIBS技术对喷洒不同浓度毒死蜱的苹果进行检测，结果显示，P、S和Cl的光谱信号峰有易识别性，并且随着毒死蜱浓度的降低，3 种元素的光谱强度显著下降，表明P、S、Cl可以作为毒死蜱检测的特征元素。除农药残留外，重金属残留量也是食品检测中的重要对象。王满苹等[45]选用硝酸铅为标准物质，应用LIBS技术对纸质食品接触材料中Pb元素进行了定量分析，并用不同Pb含量的纸杯样品对检测结果进行验证，平均相对标准偏差为2.93%。Hu Huiqin等[46]利用LIBS技术检测暨南脐橙中的Cu残留，将样品用50～500 μg/mL硫酸铜溶液预处理后进行检测，发现检测结果与原子吸收分光光度计的测定结果之间相对误差较小，证明了LIBS技术检测水果中重金属含量的可行性。此外，微生物污染也是食品安全的一个重大问题。Multari等[47]利用LIBS技术检测食物表面的微生物污染情况，结果表明LIBS技术可以检测到牛奶、肉类和生菜等产品中以及金属排水过滤器、砧板等器具上存在的大肠杆菌O157:H7和肠道沙门氏菌。Abdel-Salam等[48]发现CN和碳（C2）在LIBS光谱中产生的分子谱带与体细胞计数之间呈现良好相关性，而且这种线性关系可用于乳腺炎牛乳样品的鉴定和表征。相较于其他方法，LIBS技术可简便、快捷地区分乳腺炎牛乳和正常牛乳，并且可应用于牧场对乳腺炎奶牛进行早期诊断。目前，用于食品污染检测的方法较为繁琐，无法提供实时评价结果，LIBS不仅方便快捷，还具有便携的特性[16]，在解决食品安全问题方面具有巨大潜力。

2.4 食品的鉴别分类及原产地保护

食品的准确分类有利于提高工厂生产效率及效益，Andersen等[49]将LIBS技术应用到机械分离禽肉的分类检测中。机械分离禽肉是为提高禽类副产物的利用价值将其进行机械去骨得到的产品[50]，研究表明，在线监测到的Ca含量对产品的骨残留量具有良好的表征能力，并可根据该指标对产品制定生产分类标准。在食品的种类鉴别方面，Bilge等[51]首先利用LIBS技术鉴定猪肉、牛肉和鸡肉，建立了有效鉴定肉类物种的方法。饶刚福等[52]对7 种茶叶品种进行了鉴定，鉴别准确率大于99%，验证了该技术在茶叶分类中的应用。可追溯性已被欧洲食品安全管理局认定为确保食品安全的关键因素，需要快速可靠的分析方法来确定食品地理来源。因此，饶刚福等[53]应用LIBS技术对湖北、四川等7 省市和江西赣州4 区县的纽荷尔脐橙进行检测，发现该技术对7 省市的脐橙产地鉴别准确率大于95%，对赣州4 区县的鉴别准确率大于96%，实现了脐橙的原产地鉴别及优势品牌保护。此外，Moncayo等[33]将LIBS技术与ANN相结合，对来自不同产地的38 种红酒样品进行鉴别和分类，准确率达到98%以上，成功地识别了红酒的地理来源，不仅可以鉴别红酒真实性问题，还保护了其原产地的名称。以上研究表明，LIBS技术可以作为一种食品鉴别分类的方法，并具有成为食品及其原材料可追溯性工具的潜力。

3 结 语

食品是一个复杂的基质，含有碳水化合物、脂质、蛋白质、水、矿物质、维生素等营养物质，而且每种食品的结构各不相同。不同的样品对激光的能量和功率密度要求不同，这就需要LIBS系统中具备高能量的激光光源[54]。另外，食品的组成具有不均匀性，而LIBS技术属于点分析方法，由于聚焦光束的小尺寸和少量样品质量的蒸发，食品的这种组分和分布差异可能导致信号重现性差[55]。LIBS技术在食品中的应用尚处于起步阶段，其对在复杂有机基质中的微量矿物元素和极低浓度重金属的检测灵敏度较低，且样品在进行检测时易发生自吸收、基质效应和不同物质的发射光谱重叠等问题[10]，有方法表明可以通过使用双脉冲或者进行等离子体空间限制增强信号并提高灵敏度[56-57]。LIBS技术如何在工业生产中广泛应用还需进行更深入的改进和优化研究。

LIBS作为一种高新检测分析技术，具有快捷灵敏、无污染、微创、样品前处理简单等优势，可以提供被检样品的多种元素光谱，用于对样品的基本组成元素进行定性和定量分析，是食品生产过程控制和质量管理的有效检测工具，在食品工业中具有巨大的应用潜力。然而，该技术在食品中的应用虽然已经取得较大发展，但仍处于基础研究阶段，今后的研究应着力于解决该技术现存的问题，研发适用于工厂生产现场、对食品加工起指导作用的高性能系统。此外，该技术一直在向便携方式发展，现如今已经研发出多款便携LIBS设备，主要分为背包式和提箱式两种，但由于设备体积的缩小带来许多弊端，导致激光器和光谱仪的应用性能达不到LIBS系统应具有的水平[16]。后续研究应着重于开发高性能的微型激光器和微型光谱仪，使便携式LIBS设备在具体食品生产中得到广泛应用。目前，LIBS技术还未在食品中应用于气体样品，因此未来可以尝试将此技术应用于肉制品风味物质方面的检测，根据其获得的光谱图，对风味物质进行定性及定量分析。该技术在后续发展中，还可以与拉曼光谱技术[58]、荧光光谱技术[59]等相结合，以提高其分析检测性能。基于其在食品行业的发展潜力，可以预知LIBS技术在未来的食品分析领域会有更广泛的应用。