基于二維相關的土壤養分元素激光誘導擊穿光譜分析

梅岸君，李 佳，王長偉，董 鑫，王麗麗，王天瑛，呂程序

(1.中國農業機械化科學研究院土壤植物機器系統國家重點實驗室，北京100083；2.中機華豐(北京)科技有限公司，北京100083)

0 引言

土壤是農業生產的基本資料，為農作物生長提供必需的營養元素。當土壤養分不能滿足農作物需求時，現代農業通過施肥來保證農產品的產量和質量。測土配方施肥是合理化肥投入，優化農業資源配置，提高農業生產效率的重要手段。2005年中央1號文件明確提出“搞好沃土工程建設，推廣測土配方施肥”，至2018年此推廣工程已獲國家106億元的資金投入。目前，我國土肥檢測主要使用實驗室化學分析的方法，在實驗室環境下對采集的樣本進行指標檢出與含量測定。其優點在于準確可靠、誤差小；缺點在于測試周期長、有毒化學試劑污染環境和單一檢測方法無法同時測量多指標。

激光誘導擊穿光譜(Laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS)是一種原子發射光譜技術，利用脈沖激光激發物體表面，產生瞬態等離子體，進而發射出帶有樣本元素特征的譜線，用光譜儀采集其波長和強度信號，可進行定性和定量分析。因樣本損耗少、遠距離原位測量、全組分同步分析、靈敏度高和檢測限低等優點，被研究用于土壤氮、磷、鉀等養分元素的定量分析。研究者使用曲線回歸、自由定標、支持向量機和遺傳算法等方法檢測土壤中鉀元素含量，檢測限達10 mg/kg、均方根誤差1.49 g/kg[1-3]。使用曲線回歸和自由訂標等方法檢測土壤中磷元素含量，線性相關系數0.991[4-6]。在保護氣吹掃或者真空樣本倉的條件下檢測土壤中的氮元素含量，檢測限0.8%、平均相對誤差2.07%[7-9]。由于受到基質效應的影響，激光誘導擊穿光譜定量模型的精度、適用性及穩定性均有待提升。土壤激光誘導擊穿光譜的譜線豐富，根據譜線間的相關關系解析實際譜線歸屬，對于改善模型具有重要的意義。

二維相關分析(Two-dimensional correlation spectroscopy，2DCOS)最早源于核磁共振技術，由時域上原子核自旋弛豫過程衰減信號雙傅里葉變換得到[10]。因核磁共振技術毫秒和微秒級時間標尺較紅外等光譜技術的皮秒級時間標尺長，二維相關技術曾僅應用于核磁共振領域。直到1986年，日本學者NODA I對二維相關進行了概念上的拓展，提出將射頻脈沖看作一種外部擾動，從而使二維相關方法擴展到紅外光譜領域，通過時間分辨的正弦波外部擾動，測定弛豫過程紅外振動光譜，進一步擴展為廣義二維相關光譜[11-12]。廣義二維相關方法破除了外擾波形、光譜類型的局限，廣泛應用于紅外光譜、拉曼光譜和X射線等領域，在譜線歸屬指派與解析方面展現了巨大的潛力[13-16]。

本文利用二維相關方法構建土壤激光誘導擊穿光譜的同步譜和異步譜，通過自動峰和交叉峰解析，并比對NIST標準數據庫，解析氮、磷、鉀營養元素在激光誘導擊穿光譜上的譜峰歸屬與相關性，優選適宜光譜分析的特征譜峰。

1 材料與方法

購買14個土壤標準物質，來源于9個省市的9種不同類型土壤，包括湖南黃紅壤、廣東磚紅壤和赤紅壤、江西紅壤、陜西黃土、黑龍江風沙土、內蒙古沙化土和鹽堿土、湖南江河沉積物、浙江江河沉積物、安徽江河沉積物。氮元素含量平均為0.075 8%±0.046 8%，一般在0.010 6%～0.162 0%；磷元素含量平均為0.061 6%±0.026 0%，一般在0.022 8%～0.115 0%；鉀元素含量平均為1.65%±0.78%，一般在0.17%～2.80%。為防止采集光譜時激光擊穿樣本飛濺，利用DY-30型壓片機(天津市科器高新技術公司)把樣品壓入Φ36×5 mm的鋁盒中，壓片條件為20 MPa保壓1 min。

光譜采集裝備如圖1所示，由CFR200型激光器(Quantel Laser)、SR-OPT8024型光纖(Andor Technology)、SR500型光譜儀(Andor Technology)、Istar ICCD(Andor Technology)組成。光譜采集參數：波長范圍188～981 nm、分辨率0.11 nm、采集光譜門寬1 μs、采集光譜延遲時間范圍0～49 μs、光譜采集延時間距1 μs。為避免空氣影響使用氬氣吹掃、每個樣本采集3條光譜取平均值。采集的光譜如圖2所示。

圖1 激光誘導擊穿光譜儀Fig.1 Laser-induced breakdown spectrophotometer

圖2 土壤激光誘導擊穿光譜Fig.2 Laser-induced breakdown spectra of soil

(1)

(2)

式中v——光譜變量

變量v1和v2處的同步二維相關強度?可以表示為

(3)

式中m——動態光譜數目

異步二維相關強度ψ表示為

(4)

(5)

式中Njk——離散的Hilbert-Noda變換矩陣第j行k列元素

2 氮元素特征譜線解析

文獻已報道N元素特征波長有498.2、498.9、499.0、499.9、500.6、501.6、503.0、567.96、742.36、742.4、744.23、744.2、746.83、818.80、821.63和824.24 nm[1-3，7-9，17]。由圖2可知，樣本在498.174、499.101、499.948和500.717 nm存在譜峰；在503.639 nm存在一個受503.409 nm影響的肩峰；在503、568、742、744、746和824 nm處未見明顯譜線。因此，主要針對498.174、499.101、499.948和500.717 nm處的4個特征譜線開展解析。

N元素在497～504 nm的2DCOS光譜如圖3所示。圖3a中，498.174、499.101、499.948和500.717nm存在強自動峰，說明該處對時間外擾敏感；503.639 nm處自動峰較弱，且處于與503.409 nm形成的集團中，對外擾敏感性差。φ(498.174 nm，499.101 nm)、φ(498.174 nm，499.948 nm)、φ(498.174 nm，500.717 nm)、φ(499.101 nm，499.948 nm)、φ(499.101 nm，500.717 nm)、φ(499.948 nm，500.717 nm)6處交叉峰均為正，說明498.174、499.101、499.948和500.717 nm譜峰變化趨勢一致。圖3b中，Ψ(498.174 nm，499.101 nm)、Ψ(498.174 nm，499.948 nm)、Ψ(498.174 nm，500.717 nm)、Ψ(499.101 nm，499.948 nm)、Ψ(499.101 nm，500.717 nm)、Ψ(499.948 nm，500.717 nm)6處均未見交叉峰，說明498.174、499.101、499.948和500.717 nm的4處譜線的變化是同時發生的。NIST顯示498.174、499.101、499.948和500.717 nm附近存在N元素譜線，均來自于N原子發射光譜，建議選用此譜線開展后續定性或定量分析。

圖3 氮元素二維相關圖Fig.3 Two dimensional correlation spectra of nitrogen

3 磷元素特征譜線解析

文獻報道P元素特征波長有253.4、253.6、253.56、255.3、255.32、255.5、255.49和519.10 nm[4-6，8-9]。由圖2可知，253.323、253.649和519.240 nm存在明顯譜峰；255.301、255.494 nm存在弱小的譜峰。

P元素的2DCOS光譜如圖4所示。圖4a中，自動峰表明253.323和253.649 nm為時間外擾的敏感峰；255.301、255.494 nm未見明顯自動峰。交叉峰φ(253.323 nm，253.649 nm)為正，表明譜峰變化方向一致。圖4b中，(253.323 nm，253.649 nm)處無交叉峰，表明兩處譜峰同時變化。252.374、252.800 nm為Si的原子譜線，與P的原子譜線存在交叉峰，Ψ(253.323 nm，252.374 nm)、Ψ(253.323 nm，252.800 nm)、Ψ(253.649 nm，252.374 nm)、Ψ(253.649 nm，252.800 nm)均為負，表明252.374、252.800 nm的衰減早于253.323、253.649 nm。圖4c中，519.240 nm與硅252.374、252.800 nm和磷253.323、253.649 nm均存在正的交叉峰，表明其變化方向一致。圖4d中，Ψ(252.374 nm，519.240 nm)和Ψ(252.800 nm，519.240 nm)無交叉峰，Ψ(253.323 nm，519.240 nm)和Ψ(253.649 nm，519.240 nm)交叉峰為負，表明519.240 nm處衰減早于253.323和253.649 nm。NIST數據庫顯示，磷519.141 nm(本文519.240 nm)譜線的Ek大于磷253.398(本文253.323 nm)、253.560 nm(本文253.649 nm)，大于硅252.411(本文252.374 nm)、252.851nm(本文252.800 nm)，表明519.240 nm磷原子難于激發、容易冷卻、等離子體持續時間短。因此建議選用253.323、253.649 nm的譜線開展后續P元素分析。

圖4 磷元素二維相關圖Fig.4 Two dimensional correlation spectra of phosphorus

4 鉀元素特征譜線解析

文獻報道K元素特征波長有361.843、404.410、404.700、496.500、766.480、766.490、766.500、769.890、769.896、769.900、779.900、1 169.000、1 177.000、1 243.200、1 252.200、1 516.300和1 516.800 nm，其中766和770 nm為強譜線，受777.19、777.42、777.54 nm處O譜線的干擾，766.49 nm為較常用波長[1，17]。

K元素的2DCOS光譜如圖5所示。可見時間外擾敏感變量存在于742.636、744.212、745.954、747.198、766.414、769.970、775.178、777.409和795.068 nm。其中，746.866 nm處的N譜線由于自蝕的影響分化成745.954、747.198 nm兩個極大值。775.178 nm受777.409 nm處O自蝕影響呈現自動峰。795.068 nm處K譜線在弱小峰中分離出來。圖5a所示同步譜特征譜線間交叉峰均為正。圖5b所示異步譜Ψ(766.414/769.970 nm，742.304/744.129/746.866 nm)存在正交叉峰，表明766.414和769.970 nm的譜線衰減早于742.304、744.129、746.866 nm譜線。Ψ(766.414 nm，769.970 nm)和Ψ(769.970 nm，777.409 nm)處沒有交叉峰，Ψ(766.414 nm，777.409 nm)表明766.414和769.970 nm均為K峰，但是769.970受777.409 nm處O峰影響。Ψ(766.414 nm，795.068 nm)和Ψ(769.970 nm，795.068 nm)為正，表明766.414和769.970 nm的譜峰衰減早于795.068 nm，該3處峰均源于K。NIST數據庫顯示795.15 nm(本文795.068 nm)譜線的Ek較766.50(本文766.414 nm)和769.89 nm(本文769.970 nm)譜線高，因此該譜線較難激發、易冷卻、壽命短。795.068 nm譜線在0～1 μs的時間窗口明顯存在，然而在傳統累積光譜模式下，該窗口常因強背景輻射的原因，被延遲而忽略。在1～5 μs的時間窗口，795.068 nm的譜線較弱，同時受多元素譜線干擾。這也是已發表的土壤中K定量文獻中，較少使用795.068 nm譜線的原因。因此，建議選用766.414、769.970 nm譜線開展后續分析。

圖5 鉀元素二維相關圖Fig.5 Two dimensional correlation spectra of potassium

5 結論

基于2DCOS的土壤養分特征LIBS解析，發現188～981 nm范圍內498.174、499.101、499.948、500.717、503.639 nm存在N特征譜線，503.639 nm譜線受肩峰影響，498.174、499.101、499.948和500.717 nm譜線適用于N元素分析。253.323、253.649和519.240 nm存在P特征譜線，519.141 nm譜線難激發，253.323、253.649 nm適用于P元素分析。766.414、769.970和795.068 nm存在K特征譜線，795.068 nm譜線難激發，766.414、769.970 nm適用于K元素分析。