激光誘導擊穿光譜技術在食品分析中的應用研究進展

瞿丞，賀稚非,2，李洪軍,2*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶，400715)

隨著食品行業的發展，食品分析技術的作用日趨重要，食品分析技術被廣泛地應用于食品中微量元素的檢測、生產加工環節產品的質量檢控和食品的安全性評估等方面。目前的食品分析技術存在檢測時間長、成本高和難以實現現場檢測等缺點，所以在食品生產銷售過程迫切需要靈敏、可靠和快速的食品分析技術。

激光誘導擊穿光譜(laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS)技術是一種基于原子發射光譜的分析技術，上個世紀六十年代，由于激光技術的發展，BRECH等[1]提出用激光激發原子發射光譜并用于固態、氣態和液態物質元素分析的想法，因此產生了LIBS技術，在隨后幾十年LIBS技術得到了飛速的發展，是一種極具潛力的快速分析檢測技術。相比于原子吸收光譜分析(atomic absorption spectrometry，AAS)、電感耦合等離子體光譜分析(inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS)等傳統光譜分析技術，LIBS技術具有如下優點：(1)多種元素同時進行分析；(2)待測樣本無需預處理或僅需要簡單的預處理，對樣本的損傷小，近似于無損檢測；(3)檢測步驟操作簡單，無需專業的操作人員，且檢測過程不產生化學污染物；(4)檢測設備成本低、速度快；(5)能夠實現現場在線分析和遠距離樣本的檢測。近年來，LIBS已經廣泛的被用于環境、考古、冶金、地質、材料和醫學等領域，但是由于其精確度不足、檢測限(limit of detection，LOD)較高和重復性較差等原因，在食品行業的應用相對較少，主要集中在食品摻假分析、食品營養物質分析和食品有害物質物檢測等幾個方面。國內外學者為了提高LIBS的實用性開展了大量工作，也取得了一定的研究成果，本文綜述了國內外關于LIBS技術在食品分析領域的應用，并對其在食品行業的發展方向進行了展望，以期對LIBS技術的發展提供參考。

1 技術原理

LIBS是基于原子發射光譜的多元素分析技術，其基本原理是利用激光脈沖對被測物體進行燒蝕，被測物體由于高溫的作用會發生融化、電離，并誘導激發態等離子體產生，高溫的等離子體在冷卻的過程中會由激發態向基態躍遷，不同元素產生的等離子體在躍遷時會發射出不同的光譜，通過對光譜的收集分析即可實現對被測物體所含元素的檢測。LIBS分析包括定性分析和定量分析，定性分析是根據特定元素在特定的波長下產生相應原子光譜或離子光譜的原理，由光譜圖對樣本所含元素進行判定；定量分析是根據元素含量與對應波長下光譜信號強度成正比的原理，通過光譜信號強度分析待測元素含量。

圖1是典型的LIBS技術實驗裝置圖，主要包括激光器、聚焦透鏡、樣本室、光導纖維、光譜儀、光檢測器和計算機等幾部分。激光器是LIBS實驗裝置最重要的部件，激光器的性能顯著影響分析效果，目前最常用的激光器是Nd∶YAG激光器。如圖1所示，激光器發出的激光經聚焦透鏡的聚焦作用使樣本被燒蝕產生等離子體，利用光導纖維對等離子體產生的光譜進行收集，光譜儀將光信號轉化成電信號，最后由計算機結合不同的分析方法對待測元素光譜進行定性和定量分析。

圖1 LIBS實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the LIBS experiment set-up

2 LIBS定量分析的影響因素

2.1 樣本的物理形態

LIBS能對不同物理狀態的樣本進行分析檢測，但是分析的精確度存在一定的差異。由于物理形態上的差異，樣本在液體狀態下會產生表面激波和濺射等現象，影響待測元素的光譜信號，所以通常情況下固態樣本發射的等離子體光譜相對易收集，分析結果也較好。為了提高液態樣本的分析結果，可以通過預處理將樣本從液態轉變成固態，其方法包括以下幾種：(1)通過凍結的方法將液態轉化為固態；(2)用多孔的固體基質對液態樣本進行吸收；(3)利用化學沉淀或物理蒸餾使分析物變為固體；(4)對于黏性液體，可以采用涂膜處理固定形態。固態樣本相對于液態樣本具有較好的分析結果，但固態樣本也會由于表面的形狀、基體效應、樣本分布不均和混合不充分等因素影響最終的結果，所以為了提高分析的效果，通常會對固態樣本進行分離、研磨和混合等預處理，使樣本盡量保持均勻一致的狀態。

2.2 激光的波長與能量

激光擊穿樣本的過程中，激光和樣本的相互作用會促使等離子體的產生，并且在短時間內等離子體會發生躍遷，所以激光的波長和能量會影響等離子體的形成，從而影響定量分析的結果。激光的能量主要影響生成的激發態等離子體的數量、溫度和密度，激光的波長主要影響樣本中的粒子對激發光源的吸收效率。一般來說，脈沖激光能量過小，產生的光譜信號缺乏穩定性；脈沖激光能量過大，背景噪音輻射增大，會增強對譜線的干擾，影響分析結果。激光波長會影響等離子體對光源能量的吸收效率，不同的波長會產生截然不同的效果，比如，某種波長的激光或許會促進韌致輻射的產生，而另一種波長的激光卻會促進樣本的電離。所以適當的波長和能量能提高等離子體的質量和數量。MAURY等[2]研究表明激光的能量并非越大越好，適當的激光波長和能量才具有最佳的光譜穩定性和信噪比。

2.3 延遲時間

LIBS在分析樣本的過程中，激光擊穿樣本產生等離子體、等離子體發生躍遷發射光譜以及探測器的響應都需要一定的時間，所以發射光譜的收集需要適宜的延遲時間，最佳的延遲時間能夠降低背景噪音的干擾，提高特征譜線的分析效果。等離子體在發射光譜的最初階段溫度較高，密度較大，會引起較強的韌致輻射，從而對特征譜線的分析產生干擾，選擇合適的延遲時間能夠降低韌致輻射和黑體輻射等干擾譜線的影響，增強譜線的信噪比，提高分析檢測的精確度。MAURY等[2]發現隨著延遲時間的增加，信噪比呈現先上升后下降的趨勢，在中間某一時刻信噪比達到最大值，所以適宜的延遲時間會使的信噪比達到最大，最終帶來最佳的定量分析效果。此外，在光譜分析圖中，分立譜由于具有較強的光譜強度，在等離子體發射光譜中通常被選擇作為特征譜線進行分析，而連續譜由于譜線的區分度小，通常會對分立譜的分析形成干擾。利用分立譜的衰退時間要長于連續譜的特點，選擇一個最佳的延遲時間可以避開連續譜對于分立譜的干擾。

2.4 聚焦透鏡焦點到樣本表面的距離

合適的聚焦透鏡焦點到樣本表面的距離(lens-to-sample distance，LTSD)能帶來良好的信號強度和精確度。LTSD與特征譜線強度、等離子體溫度、樣本燒蝕程度以及信噪比等因素存在一定的相關性。LTSD的選擇直接影響聚焦光斑的面積和聚焦在樣本表面單位面積能量的大小。LTSD較小時，激光的聚集程度不夠，雖然聚焦光斑燒蝕的面積大，但單位面積的能量減小，因此樣本的燒蝕程度不足，導致譜線強度降低；LTSD較大時，雖然激光聚集的能量很大，但聚焦光斑燒蝕的面積較小，產生的等離子體也少，因此會降低譜線強度。POPOV等[3]的研究結果都表明LTSD小于聚焦透鏡的焦距時能帶來更好的分析結果。

2.5 環境氣壓與氣體成分

環境氣壓對等離子體有一定的束縛作用，當氣壓處于真空狀態時，原子和離子所受的束縛少，等離子體會快速的冷卻衰退，使有效碰撞頻率降低，導致譜線強度下降；當氣壓過大時，過強的束縛作用會使等離子體發射光譜難以被光導纖維所收集，引起譜線強度下降。此外，氣體成分也會對分析結果產生影響，通常來說惰性氣體的存在會提高儀器的分析性能。HAHN等[4]發現利用氦、氬和二氧化碳等氣體可以對激光誘導等離子體的形態、發射特性以及轉化過程產生影響，有助于降低檢測限。PERUCHI等[5]研究表明用氬氣去替代樣本室中的空氣可以顯著增強光譜強度。

2.6 其他影響因素

LIBS除了與上述因素有關外，還與基體效應和自吸收等因素有關。基體效應和自吸收現象是影響分析結果的重要因素。由于分析物通常都不是單一的化合物，分析檢測總會受到來自其它不相關基體的干擾，所以就會產生基體效應?；w效應主要是由分析樣本的物理特性和化學組成所引起，減小基體效應可以有效增強譜線強度。造成物理基體效應的因素主要包括汽化、導熱系數、吸收率和水含量等；造成化學基體效應的因素主要包括基體元素的電離程度和化學形式，電離程度和化學形式會影響分析元素的發射譜線。為了減少基體效應對分析譜線的干擾，目前常采用分離化合物、稀釋樣本濃度和內標法校正等方法降低基體效應。自吸收現象是由于在高密度的等離子體中存在不同能級的原子或離子，能量上的差異會引起基態的原子吸收激發態等離子體所發射的光譜，導致譜線平頂或譜線凹陷(自蝕)的現象出現。基體效應和自吸收現象會導致分析結果偏低，為了避免這種現象，目前通常采用標準校正(standard calibration)曲線、偏最小二乘法(partial least square，PLS)、判別分析法(discriminant analysis，DA)和主成分分析(principal component analysis，PCA)等化學計量方法進行誤差校正。

3 提高光譜信號強度的技術方法

分析精確度、激光穩定性和操作可重復性等問題一直阻礙著LIBS在實際生產中的應用，提升光譜信號強度能有效解決上述問題，近年來為了提升LIBS技術的光譜信號強度，很多學者也展開了相關的研究，主要的解決技術包括以下幾種：(1)雙脈沖LIBS；(2)微波輔助LIBS；(3)空間限制LIBS；(4)磁場約束LIBS；(5)放電脈沖LIBS。

提高光譜信號強度的基本原理包括兩類，一類是通過延長等離子體的存在時間來增強光譜信號強度，如雙脈沖LIBS、微波輔助LIBS和放電脈沖LIBS；另一類是在空間上限制等離子體的膨脹來增強光譜信號，包括空間限制LIBS和磁場約束LIBS。雙脈沖LIBS用兩束激光先后以一定的角度(通常是共線或者垂直)燒蝕樣本，第一束激光的作用主要是促使樣本產生等離子體，第二束激光的作用主要是使等離子體吸收激光能量產生二次電離，延長等離子體存在的時間增強光譜信號。微波輔助LIBS是利用電子振動的方式將吸收的微波能量傳遞給其它粒子，使等離子體的溫度和密度升高，促進等離子體的二次激發。放電脈沖LIBS是用高電壓回路增加等離子體所帶的電能，激發等離子體的二次電離，降低激發樣本所需能量，增強光譜信號強度?？臻g限制LIBS是采用不同外形的微腔對等離子體的膨脹進行限制，將等離子體限制在一定區域內，增強等離子體的碰撞幾率，使光譜信號的穩定性和強度增加。磁場約束LIBS是將外加磁場作用于等離子體，使等離子體在發射過程中的物理特性發生改變，提高電子碰撞頻率。此外，采用皮秒或微秒的激光脈沖間隔結合上述5種技術也能提高光譜信號強度。

4 LIBS技術在食品分析中的應用

4.1 食品摻假分析

為了節約成本、追逐經濟利益，有些不良商家會選擇在食品中摻假。食品摻假不僅會導致食品的營養價值下降和經濟損失，還會引起過敏等健康問題。目前存在的食品摻假分析技術如高效液相色譜、高效液相色譜質聯用和近紅外光譜等存在檢測成本高、樣品預處理復雜和檢測耗時長等缺陷[6]，所以需要一種快速準確、成本低和能實現現場分析的食品摻假檢測技術。LIBS技術具有分析速度快、設備成本低和樣品處理簡單等優勢，有廣闊的發展前景。表1列舉了近年來LIBS技術在肉制品[6-8]和乳制品[9-10]等食品中摻假分析的應用研究。

BILGE等[6]根據豬肉、雞肉和牛肉中Zn、Mg、Ca、Na和K元素含量的差異，用LIBS技術結合PCA辨別肉的種類，此外，還用LIBS技術結合PLS分析牛肉中摻假豬肉、牛肉中摻假雞肉的摻假率，結果表明LIBS技術結合PCA定性分析肉的種類的識別率達到83.37%，豬肉摻假和雞肉摻假的檢測限分別為20 mg/g和44 mg/g。CASADO-GAVALDA等[7]根據牛肉和牛肝中Cu含量的差異，用LIBS技術結合PLS分析牛肉中牛肝的摻假率，結果檢測限達到了132 mg/L。MONCAYO等[10]用LIBS技術結合PCA和人工神經網絡模型(neural network，NN)定性分析不同動物奶粉制品的混合和定量分析嬰兒配方奶粉中三聚氰胺的含量，結果顯示定性分析奶粉混合的識別率為98%，多變量分析結合NN模型定量分析三聚氰胺摻假具有較好的靈敏度和穩定性，校正系數為0.999。BILGE等[9]根據乳清與奶粉元素組成的差異，用LIBS技術結合PCA和PLS對奶粉中摻假乳清粉進行分析，實驗結果顯示LIBS技術可以用于定量檢測乳清粉的摻假。

表1 LIBS技術在食品摻假分析中的應用Table 1 The applications of LIBS technology in food adulteration analysis

注：“-”表示文獻中未明確提及。

4.2 食品營養物質分析

在食品的生產加工以及銷售過程中，對食品中所含營養物質的分析能夠幫助生產者和消費者了解食品的品質。LIBS技術具有現場在線分析、預處理簡單等優勢，可以被應用于食品原料的挑選、食品品質的檢測等方面。表2列舉了近年來LIBS技術在食品營養物質分析中的應用，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技術在食品營養物質分析中的應用Table 2 The applications of LIBS technology in food nutrient analysis

注：“-”表示文獻中未明確提及。

降低LIBS技術的檢測限，是目前的LIBS技術研究的重點與難點之一。MEHDER等[26]用LIBS技術檢測海棗中的Ca、Mg和Cr的含量，檢測限分別為6、17和1 mg/L；MARKIEWICZ-KESZYCKA等[20]用LIBS技術結合PCA檢測6種無麩質面粉中的灰分、K和Mg，灰分、K和Mg的檢測限分別為3.7、0.85和0.29 mg/g；GONDAL等[27]用LIBS技術檢測6種茶葉中的特征元素，結果顯示Br、Fe、Cr、K、Ca、Cu、Si檢測限分別為22、12、14、11、6、1、12 mg/L，研究結果表明LIBS技術有潛力用于食品純度和品質的分析；CAMA-MONCUNILL等[16]成功地將LIBS技術用于嬰兒配方奶粉中Ca含量的檢測，檢測限達到3.69 mg/g。此外，根據食品中存在的特征性元素，可以用LIBS技術對食品中元素和化合物的含量進行分析。過量攝入食鹽會導致高血壓等健康問題，所以對食品中的食鹽進行監控是十分必要的，BILGE等[22]通過LIBS技術分析Na在589 nm處的光譜實現了對焙烤食品中NaCl的快速定量檢測。蛋白質是人體所需的重要營養素，在面粉和奶粉中的含量較高，部分研究表明LIBS技術可用于食品中蛋白質含量的測定[17, 19]；如ABDEL-SALAM等[17]通過LIBS技術分析母乳和嬰兒配方奶粉的元素和蛋白質含量差異，結果發現母乳中Mg，Ca，Na，Fe和蛋白質含量均高于嬰兒配方奶粉，30歲以上女性母乳中的Mg，Ca，Na，Fe和蛋白質含量低于30歲以下女性。SEZER等[19]用LIBS技術對小麥粉和粗面粉中的N元素進行分析，實現了蛋白質的快速檢測。LIBS技術還可以用于食品加工過程的快速檢測，DOS等[15]根據奶粉和膳食補充劑中的Ca、Mg和K的含量差異，用LIBS技術結合PLS建立分析檢測模型，實現了每小時60個樣本的快速檢測，減少了繁瑣的操作并且不產生有毒化學殘留。

4.3 食品有害物質檢測

食品中有害物質物來源包括食品原材料自身所帶、生產加工過程產生以及運輸銷售過程中儲存不當產生。食品含有的有害物質會帶來營養價值下降、貨架期縮短和危害人體健康等問題。有害物質分析對于提高食物品質和降低人體危害是非常必要的。目前研究表明LIBS技術可以用于食品中重金屬污染檢測[30-35]、食品農藥殘留檢測[36-37]、食品添加劑超標檢測[38]和微生物污染檢測[39]等幾個方面，表3列舉了近年來LIBS技術在食品有害物質檢測中的應用研究進展。

表3 LIBS技術在食品有害物質檢測中的應用Table 3 The applications of LIBS technology for detecting the harmful substances in food

注：“-”表示文獻中未明確提及

KBrO3的添加對于面包的生產有漂白作用和增強發酵的作用，但Br的超標會影響機體健康，對機體造成威脅，MEHDER等[30]用LIBS技術檢測出4種不同面包中Br的含量分別為352，157，451，和311 mg/L。環境中排放的重金屬元素可以通過生物富集作用存在于動物性食品和植物性食品中，ALVIRA等[31]的研究表明LIBS技術可以用于定性和半定量分析新鮮魚肉中的Pb和Cu含量。同樣的，LIN等[32]的研究也表明LIBS技術可以用于檢測豬肉中Cr的超標。YAO等[34]用LIBS技術結合3種不同波長Cd元素譜線分析新鮮蔬菜葉中的Cd，結果表明LIBS的分析檢測限能夠達到食品中重金屬檢測的標準。LIBS技術也可被用于食品添加劑的分析。TiO2可以作為染色劑應用于食品中，SEZER等[38]用LIBS技術結合PLS分析白色的鷹嘴豆中Ti的含量，檢測限為33.9 mg/L。LiCl與NaCl有相似的化學特性，但Li對于人體來說是一種有毒元素，SEZER等[33]用LIBS技術分析Li在610 nm處的譜線，檢測肉丸中Li的含量，檢測限為4.64 mg/L。此外，KIM等[36]的研究表明LIBS技術可用于檢測菠菜和大米是否有殺蟲劑殘留。

4.4 食品分類鑒定

無論是動物性食品還是植物性食品，由于氣候、溫度和營養等因素的影響，會造成不同來源食品中的元素組成和含量存在一定的差異，而LIBS技術可以根據食品中的這些差異，實現對食品的快速分類鑒定。在目前的文獻研究中，LIBS技術針對食品的快速分類鑒定主要集中在食品產地的分類[40-44]、食品品質的分級[45-46]和不同食品的分類[47-48]，表4列舉了近年來LIBS技術在食品分類鑒定中的應用研究進展。

表4 LIBS技術在食品快速分類鑒定中的應用Table 4 The applications of LIBS technology for the rapid classification and identification of food

對于食品產地的快速分析，目前的研究存在于茶葉、食鹽和紅酒等食品。WANG等[40]分析茶葉中Mg、Mn、Ca、Al、Fe、K、CN、C2元素，用LIBS技術實現了對龍井茶、蒙頂黃芽、白茶、鐵觀音、武夷紅茶和普洱茶的快速分類。LEE等[41]用LIBS技術分析了來自10個國家的食鹽，并根據元素之間譜線強度的相關性分為K、Mg和Li；Ca和Sr；Al、Si、Ti和Fe三組，結果發現相關性高的同一組元素的食鹽是來自于同一產地，由此可以實現對海鹽的快速分類。此外，LEE的團隊[42]還將LIBS技術與激光燒蝕電感耦合等離子質譜(laser-ablation inductively coupled plasma mass spectrometry，LA-ICP-MS)技術結合起來對來自10個國家的14種食鹽進行分析，結果表明兩種技術能產生互補，提供更精確的分析結果。MONCAYO等[44]將液體紅酒轉化為固體的凝膠態，用LIBS技術對38種不同產地的西班牙紅酒進行分析，結果表明LIBS技術可以應用于酒類飲料的分級和質量監控。食品品質的分級可以應用于食品原材料的挑選。Ca的是肉制品中重要的一類元素，ANDERSEN等[45]用LIBS技術實現了對小于20 mg/100 g、介于20～90 mg/100 g和大于90 mg/100 g的Ca含量的機械切割家禽肉的分級?？Х榷棺兒?、變綠和變酸會嚴重影響咖啡的品質，SILVA等[46]根據C、CN、C2和N元素的發射光譜，用LIBS技術對咖啡豆的品質進行了分級。

4.5 食品元素分布圖

LIBS技術還可以應用于檢測食品中元素的濃度分布，其基本原理是根據元素譜線強度與元素濃度成正比，用不同顏色的色標去代表不同的譜線強度，由顏色的深淺來反映元素濃度的分布。元素分布分析可以檢測表面污染是否對分析結果產生影響，CAMA-MONCUNIL等[49]用LIBS技術分析嬰兒配方奶粉樣本同一位置不同水平的元素分布，根據元素分布圖判斷樣本內部元素與表面是否存在差異，排除表面污染干擾，提供更準確的分析結果。此外，根據LIBS技術繪制的元素分布圖還可以應用于產品監控和工藝參數優化。DIXIT等[50]用LIBS技術繪制Na的元素分布圖，成功分析了2 h到24 h內NaCl在牛排中的滲透過程，可以用于最佳腌制時間的確定。

5 總結與展望

LIBS技術與其他的食品分析技術相比存在諸多優勢，但由于受到許多現存的因素干擾，存在檢測限高、靈敏度差和重復性差等缺陷，導致LIBS技術的定量分析結果并不如人意，很多研究只能局限于實驗室，無法完全投入實際的食品生產中，經過國內外科研人員的努力，LIBS技術的分析性能得到了一定的提升。近年來LIBS技術在食品行業的分析檢測的應用呈逐年上升趨勢，主要包括食品摻假分析、食品營養物質分析、食品有害物質檢測和食品快速分類鑒定等幾個方面。針對LIBS技術在食品分析方面的研究進展，對LIBS技術在食品行業的發展方向做出如下展望：(1)便攜式LIBS技術是其發展方向之一，可移動性和方便攜帶性是其最大的優勢，可以實現食品的現場即時檢測，便攜式LIBS技術對摻假和重金屬污染等問題食品的定性和半定量分析，可以減少食品分析的成本和時間，增加檢測的靈活性；(2)LIBS技術有潛力應用于食品原材料的分級，根據食品原材料的元素和營養成分的含量差異，對原材料進行快速挑選，保證食品的營養價值。(3)因為有分析食品元素分布的能力，LIBS技術還可能應用于食品加工工藝的優化，比如LIBS技術可以通過監測腌制過程中Na的滲透過程，確定最佳的腌制時間；(4)無損檢測也是LIBS技術發展的一個方向，由于LIBS技術無需或僅需簡單的樣本預處理，且分析所需樣本的質量少，有望成為一種新型的無損檢測技術，實現對食品的即時監控與檢測。LIBS技術在食品行業有巨大的潛力和前景，在未來有希望廣泛的應用于食品生產過程中產品質量的控制與食品成品的檢測，隨著定量分析性能的進一步提升，LIBS技術有望取代傳統的食品分析技術。