基于光谱分析的土壤重金属镉含量无损检测方法

2020-08-23宏哲

当代化工 2020年7期

摘要：为了获得具有针对性的土壤土质改善方法，对土质中重金属镉含量进行监测。传统方法受到外界因素的影响，导致土壤中重金属铬的检测效果不佳。为此，引入光谱分析，提出了基于光谱分析的土壤重金属镉含量无损检测方法。提取土壤样本中重金属含量，制定LIBS光谱的校准曲线，检测样本在不同灰化温度下的吸光度值。设计土壤金属镉含量检测流程，结合Saha方程对土壤样本中重金属镉含量进行计算，并优化土壤检测步骤，进一步利用Zeeman-352型原子吸收光谱仪和PHS-6C型精密pH检测计实现对土壤重金属镉含量的无损检测。为验证基于光谱分析无损检测方法的检测效果，设计对比实验。结果表明：基于光谱分析的土壤重金属镉含量无损检测方法具有较高的完整性和准确性，充分满足研究要求。

关键词：光谱分析;土壤检测;金属镉;金属含量

中图分类号：O657.3 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）07-1552-05

Nondestructive Testing Method of Cadmium

Content in Soil Based on Spectral Analysis

HONG Zhe

（Zhangjiakou Environmental Protection Bureau Inspection Station， Zhangjiakou Hebei 075000， China）

Abstract：In order to obtain targeted soil improvement methods， cadmium content in soil need be monitored. The traditional method is affected by external factors， resulting in the poor detection effect of heavy metal chromium in soil. In this paper， spectral analysis was introduced and a non-destructive testing method based on spectral analysis was proposed. The content of heavy metals in soil samples was extracted， the calibration curve of LIBS spectrum was established， and the absorbance value of samples at different ashing temperature was detected. the detection process of cadmium content in soil was designed， and the cadmium content in soil samples was calculated by Saha equation.And the soil detection steps were optimized， and Zeeman-352 atomic absorption spectrometer and PHS-6C precision pH detector were used to achieve the non-destructive detection of cadmium content in soil. In order to verify the detection effect of the non-destructive testing method based on spectral analysis， a comparative experiment was designed. The results showed that the nondestructive testing method based on spectral analysis had high integrity and accuracy， and fully met the research requirements.

Key words：Spectral analysis; Soil detection; Metal cadmium; Metal content

隨着当前科技的飞速发展，人类在日常的工作和生产过程中易产生大量重金属有害物质，渗入土壤。土壤中常见的重金属污染物有汞、铬、镉、铅等，导致土壤结构和功能受到破坏的同时会对区域内植物和生态系统产生一定影响^[1]。由于重金属元素在深入土壤后，移动性较小，且过滤和降解都相对困难，一旦渗入到农作物中会对人体产生极大危害^[2-3]。相关学者进行了大量研究，得到了一定的研究成果。

例如，邢小茹等对污染土壤重金属检测方式进行研究，设定具体实验指标，通过对比检测结果与样品标准值的差异，分析统计数据显著偏离程度，此方法具有较好的准确性，偏离程度较低，但是检测时间较长^[4]。任佳与高勋提出一种飞秒细丝-纳秒激光诱导击穿光谱技术的土壤重金属Pb元素检测方法，通过脉冲激光诱导击穿光谱技术分析土壤中重金属铅元素含量，根据纳秒脉冲激光增强发射光谱强度，减少了检测损失，但是此方法的准确率仍需要提高^[5]。

为解决上述问题，对土壤重金属镉含量进行无损检测成为当前行业研究的重点内容之一。调查研究发现，传统的土壤重金属元素检测方法主要依赖于化学元素特征分析方法，该方法在实际操作过程中步骤相对较为繁琐，工序处理时间较长。为了解决以上问题，设计一种基于光谱分析的土壤重金属镉含量无损检测方法。

1 土壤重金属镉含量无损检测方法

1.1 土壤样本重金属含量提取

对采集到的多份土壤样品进行金属元素的提取，通过高强度激光聚焦处理土壤样本，其中重金属镉等离子体结构如图1所示^[6]。

基于以上重金属镉等离子体结构特征，进一步结合光谱分析原理进行激光诱导击穿处理，判断重金属镉在土壤环境中的元素性质及其变化情况^[7]，如图2所示。

基于以上结构特征，进一步对重金属镉元素的原子r和离子发射谱波频k进行优化^[8-9]。结合光谱分析检测方法对镉元素进行光谱激光诱导，若光谱激光诱导度为f，进一步获取土壤结构中的等离子局部热平衡数值，记为n。结合Saha方程对土壤中镉元素的单重电离离子与原子之间的比率进行计算，具体的计算方法如式（1）：

（1）

式中：—镉元素的单重电离离子与原子之间的比率;

f —光譜激光诱导度;

n —等离子局部热平衡数值;

r —重金属镉元素的原子;

k —离子发射谱波频。

在进行元素提取的过程中，产生的等离子体温度记为，表示土壤中镉元素的第一电离电势^[10]，进一步对土壤中的镉元素进行镉提取，具体算法为：

（2）

式中：La —元素的价离子;

h_i—金属元素中的稳定原子;

△s —镉元素的电子溶解质密度，g·cm^-1;

T —光谱分析消耗时长， s;

K_i（t）—产生的等离子体温度，℃;

U（ev）—土壤中镉元素的第一电离电势， eV。

根据以上公式进行重金属镉含量提取计算。

1.2 土壤重金属镉含量检测步骤

基于上述算法进一步对土壤样品元素中的初始等离子初始检测的吸收系数进行规范，记录3种土壤样品，分别记为：GBW07401、GBW07402、GBW07403，为了更加准确地实现对土壤中的重金属元素进行定量分析，需要进一步制定LIBS光谱的校准曲线。若检测过程中的光谱波长为1 064 nm^[11-13]，电解分离过程中的标准电压为985 V，脉冲数值为8 ns，延迟时间为1.28 s，积分时间为2 ms，重复频率为2 Hz，对土壤样品检测平台进行规范，采集N （N =10）个光谱吸收系数和M（M =100）次脉冲结果^[14]。通过计算，将吸收系数K记为：

5 000、10 000、15 000，进一步依照国标，对镉元素检测温度进行程序升温处理，规范温度分别记为：200、300、400、500、600、700 ℃^[15-18]。

进一步选取3 μL的采集样本作为重金属检测对象，在不同灰化温度下，获取检测样本的吸光度值^[19]，以其为参数进行含量曲线的检测和记录。

基于以上金属吸光度数值检测曲线进行土壤样本中的最佳灰化数值计算^[20]。若土壤中标准重金属含量数值为w，溶液浓度为m，土壤吸光度值为u，荧光强度为e，进一步进行一元线性回归算法，进行连续测定，测定数值算法为：

（3）

式中：w —土壤中标准重金属含量数值;

m —溶液浓度;

u —土壤吸光度值;

e —荧光强度。

基于上述步骤进行土壤中镉含量无损检测，具体的检测流程如图3所示。

根据图3可知，首先需要对待检测土壤进行采样，加入水后进行萃取。然后，经过pH调试与金属盐溶液处理后进行金属镉提取，获得结果，计算出土壤金属镉含量，完成土壤金属镉含量检测过程。基于上述步骤实现对土壤重金属镉含量进行无损检测，以达到简化检测步骤，提高检测精确性，降低检测损耗的研究目标。

2 实验结果分析

为了更好地对基于光谱分析的土壤重金属镉含量无损检测方法的实际应用效果进行检测，进行了对比实验，并对实验环境和实验材料进行统一设置，以保障实验检测结果的有效性。

2.1 实验材料

实验在干燥的无菌实验室进行，选取NX-242R型光谱检测仪，土壤样本15份，进行10 min的仪器预热和测定。对土壤重金属检测器进行展示选取，使用美国瓦里安公司生产的PHS Varian AAS 2402型精密pH检测仪器，具体仪器功能结构如图4所示。

对实验检测仪器、相关实验检测试剂及浓度进行规范，具体如表1和表2所示。

2.2 实验结果

基于上述实验环境和参数，对不同方法下的土壤受损指数和土地重金属积累指数进行检测，并对检测结果进行记录，具体如图5、图6所示。

分析图5可知，检测时间下，对于不同的检测样本，在两种方法下受损指数变化趋势基本一致。传统方法的受损率明显超过40%，并且在20～30 min与40～50 min这两时间段内，出现受损率峰值，最高超过75%，并且此时积累指数较高。本文方法受损率始终控制在30%以下，并且与传统方法出现受损率峰值时间保持一致，但最高受损率为30%，同时积累数值较低，说明本文方法具有较好的检测性能。分析图6可知，不同方法下累积指数分布存在差别，传统方法分布较为分散，本文方法累积指数分布较为有序，说明本文方法的收敛性较高，检测效果较好。

2.3 实验结论

因此，针对上述检测结果进行对比观察发现，传统检测方法受损指数一直处于30%～75%之间，且重金属积累数值相对较多，而本文提出的基于光谱分析的土壤重金属镉含量无损检测方法的受损指数和土地重金属积累指数相对更低，由此证实，基于光谱分析的土壤重金属镉含量无损检测方法检测效果相对更佳，充分满足研究要求。

3 结束语

资源和环境与人类生产生活息息相關，为了更好地保障土壤安全和人体健康，提出了基于光谱分析的土壤重金属镉含量无损检测方法。通过对金属元素检测方法进行优化，改善了检测条件，提高了对土壤受损指数检测的准确性。

参考文献：

[1]项丽蓉，麻志宏，赵欣宇，等. 基于不同化学计量学方法的土壤重金属激光诱导击穿光谱定量分析研究[J]. 光谱学与光谱分析， 2017，37（12）：3871-3876.

[2]李艳，翟开华，李艳丽，等. 基于激光诱导击穿光谱技术的城市土壤重金属含量检测与分析[J]. 湘潭大学自然科学学报，2018，25（3）：86-88.

[3]谈艺干.电感耦合等离子发射光谱分析钢材成分过程中的光谱干扰和消除方法[J].当代化工，2019，48（8）：1675-1678.

[4]邢小茹，刘涛，李帅，等. 污染土壤重金属检测标准样品在能力验证工作中的应用研究[J]. 中国环境监测，2019，22（3）：53-58.

[5]任佳高勋. 飞秒细丝-纳秒激光诱导击穿光谱技术对土壤重金属Pb元素检测[J]. 光学精密工程，2019，27（5）：1069-1074.

[6]梁琼，王玉霞，倪霞，等. 甘肃土壤重金属元素含量及潜在生态危害评价[J]. 国外医学地理分册，2017，38（4）：336-338.

[7]沙拉·托合塔尔汗，娜孜拉·扎曼别克. 土壤中重金属含量检测技术分析[J]. 中国资源综合利用，2018，36（4）：120-121.