激光誘導擊穿光譜結合偏最小二乘法定量分析臍橙中Cd含量*

張旭 姚明印 劉木華

(江西農業大學工學院,生物光電與應用重點實驗室,南昌 330045)

(2012年8月9日收到;2012年9月19日收到修改稿)

1 引言

臍橙以其營養豐富、色澤鮮艷等特點,深受人們喜愛.其中贛南臍橙品質優良、果大形正、肉質脆嫩、風味濃香,是我國產銷最大的臍橙,受到國內外的高度評價,也給當地帶來了巨大的經濟效益.但隨著工業污染的加劇,尤其是電池、冶煉及橡膠等污染較嚴重的工業,其污染物中含有大量有毒重金屬鎘(Cd),未經處理的污染物大量排放到環境中,嚴重污染植物生長所必須的土壤、水和空氣等環境.隨著植物的不斷生長,有毒的Cd元素通過水、土壤和空氣的吸收進入果實中,給人類健康帶來危害.Cd元素進入人體后影響肝、腎臟等器官的功能,導致骨質疏松和軟化,甚至會誘發腎臟發生癌變,致人死亡[1?3].因此,快速靈敏的檢測出臍橙中Cd含量用以防止污染嚴重的臍橙進入市場而影響到人體健康具有非常重要的意義.

目前檢測農產品重金屬元素Cd的主要方法有原子吸收光譜法(atomic absorption spectroscopy,AAS)、電感耦合等離子體原子發射光譜法(inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy,ICP-AES)、電感耦合等離子體質譜法(inductively coupled plasma massspectrometry,ICP-MS)、原子熒光光譜 (atomic fl uorescence spectrometry,AFS)[4?6]等.由于用光譜法和質譜法檢測樣品時,前處理時間長且復雜,無法實現實時、在線、原位和快速檢測.激光誘導擊穿光譜(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)技術是近幾十年發展起來的一種光譜檢測技術.其基本原理是:一束高能脈沖激光經聚焦透鏡聚焦到樣品上,在激光能量密度高于樣品的擊穿閾值時,樣品表面將電離產生大量激光誘導等離子體,其中等離子體主要有分子,原子和離子組成,并發射出不同頻率的光子,用光纖將各波段的光譜收集并傳輸到光譜儀中,利用不同元素產生不同波長的譜線這一特性,再用計算機進行定性及定量分析各種元素[7?9].由于LIBS具有快速、實時、非接觸式、多元素同時檢測等特點[10?13],并且LIBS技術無需樣品前處理,裝置系統操作簡單快捷,且不受檢測對象的約束,目前該技術越來越廣泛的用于液體、固體以及氣體的物質成分檢測[14?16].

LIBS技術應用的關鍵在于檢測物質中元素成分及含量信息,提高精度和穩定性已成為LIBS技術急需突破的重要問題,而目前最為普遍的LIBS定量分析方法為利用元素真實濃度和特征波長的光譜強度建立相應的關系[17,18].但是LIBS技術中的基體效應和自吸收現象在很大程度上影響到定量分析的精度和穩定性.對于基體復雜的樣品,單純的強度-濃度定標法難以滿足要求.為此,研究出合理的數據預處理方法來建立定量檢測模型對LIBS技術的運用具有非常重要的作用.本文將運用合理的數據預處理方法和偏最小二乘法(PLS)建立贛南臍橙中Cd含量的定量分析模型.

2 實驗裝置

LIBS實驗裝置如圖1所示.主要有以下幾部分組成:激光光源為調Q納秒級Nd:YAG 1064 nm激光器(BeamTech,Nimma-200,China),激光脈沖寬度為8 ns,單脈沖最高能量可以達到200 mJ,發散角不大于1 mrad,光束直徑6 mm;使用DG535數字脈沖信號發生器(Stanford research systems,USA)控制激光脈沖與光譜采集之間的延遲時間;高精度八通道光纖光譜儀(AvaSpec-2048F T-8RM,Netherlands)收集光譜,其光譜范圍為200—1050 mm,每個通道覆蓋的波長分別為 200—317,315—417,415—499,497—565,563—673,671—750,748—931,929—1050 nm,最小分辨率達到0.07 nm,光譜儀內置增強型電荷耦合器件(CCD,累加次數20次,曝光時間0.05 s,增益200,門寬2.0μs);系統中使用兩塊直徑為30 mm,焦距為100 mm的平凸透鏡;檢測時樣品被放置在旋轉位移臺上(SC300-1A,卓立漢光儀器有限公司,北京),使樣品實現轉動,以防止樣品被局部灼傷.

由于LIBS檢測樣品受到諸如激光能量、延遲時間、積分時間、掃描次數、環境等因素的影響,需要對試驗條件進行優化.研究小組在前期的工作中已經對激光能量和延遲時間做了參數優化,本實驗基于優化的參數進行LIBS檢測Cd初步研究.

圖1 LIBS試驗裝置示意圖

3 樣品處理與檢測

3.1 樣品處理

實驗所用臍橙樣品采摘自信豐縣,由于臍橙產地優良,為了驗證LIBS檢測的臍橙中重金屬元素效果及可行性,需要對樣品進行實驗室污染處理.采用CdCl2(天津市永大化學試劑開發中心,純度99.0%)配制濃度范圍在100—4000μg/mL的52個不同濃度的Cd溶液,在配制的每個溶液中分別放入一個贛南臍橙樣品進行浸泡,48 h后將其逐個取出,并用超純水多次沖洗樣品表面,消除樣品表面殘留的Cd溶液對樣品中Cd的真實含量的影響.由于樣品表面水分將影響LIBS光譜質量,所以將樣品先在常溫空氣中自然風干.

3.2 樣品LIBS檢測

利用本實驗室自主搭建的LIBS檢測裝置平臺,在自然大氣環境下,將浸泡污染后的贛南臍橙樣品放置在旋轉平臺上,并實現勻速旋轉,可以達到消除樣品不均性造成的誤差,以及避免激光重復作用在同一點上而導致樣品表面部分被灼傷的現象.激光脈沖激發出等離子體的過程中,同一元素的等離子體會產生不同波長的光譜,在分析確定樣品中元素及其濃度時,選擇最佳的特征波長譜線對元素的定性和定量分析至關重要.為了確定Cd元素的譜線位置,試驗對配置的Cd溶液和臍橙樣品進行LIBS信號采集,如圖2(a)和(b)所示,根據美國NIST原子數據庫,在波長范圍為210—231 nm之間有三個明顯的Cd元素的特征波長,分別為離子線Cd II 214.441 nm,離子線Cd II 226.502 nm,原子線Cd I 228.802 nm,無論是Cd元素的原子譜線還是離子譜線的信息都能準確反映出Cd元素的存在及其濃度.

3.3 樣品真實濃度檢測

為了獲取52個樣品中Cd元素的真實濃度,用濕法消解法對每個樣品取部分進行消解處理,然后在原子吸收分光光度計儀器上測量得到每個樣品中Cd元素的真實濃度.濕法消解及原子吸收分光光度計測量的具體過程如下:對每個樣品,用電子天平稱稱取激光擊打位置的臍橙2.0 g,放入150 mL錐形瓶中,加入20 mL優級純硝酸,然后置于可調電熱板上進行加熱.隨著消解液溫度的升高,蒸發速度不斷加大,當消解液減少到只有10 mL左右時,觀察其狀態,如顏色仍較深或有未分解物,將錐形瓶取下待冷卻,然后補加5 mL優級純硝酸.如此反復觀察及補加,直到消解液為淺黃色或無色,接著加入1 mL高氯酸,加熱至冒白煙,便取下冷卻.為了符合原子吸收分光光度計的最佳檢測條件,用5%硝酸沖洗52個錐形瓶,并分別定容至50 mL定量瓶中,接著利用原子吸收分光光度計進行測量,得到如表1所示的52個樣品中Cd元素的實際含量.

圖2 波長210—231 nm范圍Cd特征譜線 (a)純Cd溶液;(b)臍橙樣品

表1 樣品中Cd實際含量

4 實驗結果與分析

4.1 光譜數據預處理

將52個樣品分成A,B兩組,其中A組由13個樣品組成,樣品號是根據方程:Y=4X+3,其中Y為樣品號,X依次取0—12,其余39個樣品組成B組.用B組數據來建立PLS模型,A組數據用于模型驗證.由于影響LIBS質量的因素較多,如樣品表面平整度、系統參數、光譜噪聲等因素的影響,其中光譜數據中噪聲對特征信號的影響很大,所以降低噪聲帶來的影響是定量檢測準確性的關鍵.本文使用五點平滑法來處理光譜數據,從而使得光譜數據具有更好的規律性,并可以減小噪聲和誤差給定量分析帶來的負面影響.五點平滑法計算過程為假設五個相鄰數據點橫坐標分別為x=?2,?1,0,1,2,那么根據五點平滑公式:

經過平滑處理后,LIBS裝置系統及環境因素帶來的噪聲和誤差得到了減弱,但是LIBS光譜容易產生光譜曲線漂移現象,導致整個系統無法得到理想的穩定性,然而穩定性也是檢驗LIBS系統定量檢測物質元素重要的標準之一.為了進一步獲得更好的PLS模型所需的數據,解決光譜漂移導致定量分析的不穩定性,在數據平滑處理后,再用數據中心化預處理進行優化處理.如圖3所示,其中圖3(a)為未經平滑處理和中心化處理的平均強度光譜圖,圖3(b)為經過平滑處理和中心化處理的平均強度光譜圖,對比圖3(a)和(b),顯示出經過平滑和中心化預處理的光譜噪聲明顯要低于未經處理的光譜噪聲.

4.2 PLS建模及模型驗證

當樣品量較多的情況時,由于環境帶來的誤差、光譜噪聲等一系列影響,用常規的賽伯-羅馬金公式對特征譜線強度與元素濃度進行線性擬合,無法得到線性關系很強的擬合結果.為了實現準確的對贛南臍橙中Cd元素的定量檢測,采用PLS建立模型并進行定量分析.圖4所示為LIBS預測濃度與AAS檢測濃度的PLS擬合曲線模型,擬合所使用的數據為B組的39個樣品數據,擬合得到的定標曲線相關系數為0.9806,表明定標樣品的參考濃度和LIBS預測濃度具有良好的擬合關系.

圖3 LIBS光譜數據預處理前后對比 (a)預處理前;(b)預處理后

圖4 LIBS預測濃度與AAS檢測濃度的PLS擬合曲線

根據上述的定量模型,對A組樣品進行濃度預測,將光譜數據代入到PLS定量模型,計算得到預測樣品中的Cd元素LIBS預測濃度、相對誤差(如表2所示).表2顯示的相對誤差中,1號樣品由于Cd的實際濃度非常小,預測的濃度微小的偏差就會帶來較大的相對誤差,除去1號樣品,其他12個樣品的平均相對誤差為10.94%.

表2 預測樣品中的Cd的濃度信息

4.3 檢測限及靈敏度預測

對于一種檢測技術來說,檢測限及其靈敏度是相當重要的參數.計算LIBS技術檢測限的方法一般都采用LOD=[19],但是此計算方法適用于以濃度和光譜強度來建立定標曲線的方式進行定量分析.由于本文的研究方法不同,因此不能使用這個常規的計算檢測限公式.針對本文提出的PLS定標方法,為了初步估計檢測限,擬分析低濃度的樣品,將1號和2號樣品在PLS模型中進行預測,得到的預測濃度分別為?5.314和11.5μg/g,完全偏離了真實濃度.結合3號樣品的預測結果,可以初步確定LIBS技術結合PLS對臍橙中Cd元素的定量分析檢測限為3μg/g左右.由于實驗僅對激光能量和延遲時間做了優化,影響LIBS檢測效果的因素有很多,因此,實驗檢測限雖然沒有達到國家對水果重金屬元素控制標準,但實驗結果充分體現了LIBS技術對檢測農產品中重金屬元素的可行性,有很大的發展空間,未來的研究重點將致力于降低LIBS檢測限上.

為了初步探測LIBS檢測裝置的靈敏度,取濃度相近的7,8,9和10,11號兩組樣品,對樣品的LIBS信號強度進行分析.結果顯示,10,11號樣品濃度間隔為0.061μg/g,LIBS信號強度間隔13個數值點,其他濃度相近的樣品有相似的結果.說明該LIBS裝置在檢測相近濃度的樣品時,LIBS信號強度在明顯的可觀測范圍內.由于LIBS檢測裝置所采用的激光器、光譜儀、光纖探頭、透鏡等關鍵部件的靈敏度不斷在提高,采用高靈敏度的裝置,對LIBS檢測靈敏度的提升空間很大.

5 結論

利用LIBS檢測裝置獲取經污染處理的臍橙樣品中Cd元素的強度與譜線位置信息,結合五點平滑法和中心化法對樣品光譜數據進行預處理,得到優化的光譜強度信息.使用原子分光光度計測量樣品中Cd含量作為參考濃度,基于PLS對其中的39個樣品建立Cd元素的定量分析模型,再用該模型預測另外13個樣品的Cd含量.對PLS模型進行對比驗證發現,PLS模型中擬合曲線的相關系數為0.9806,12個樣品的驗證結果的相對誤差為10.94%,并初步估計檢測限為3μg/g左右.隨著LIBS檢測儀器靈敏度的提高及實驗條件的不斷優化,檢測的靈敏度、穩定性和精確度將會大大改善.本研究結果表明,激光誘導擊穿光譜技術能夠無損、無需樣品前處理、準確的檢測農產品中重金屬含量,為農產品的安全檢測提供了技術方法,也為將來設計研究便捷式LIBS裝置實現現場快速高效檢測提供支持.

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