楊 平，黃 林，姚明印，陳添兵，胡慧琴，王彩虹，劉木華

(江西農(nóng)業(yè)大學 生物光電及應用實驗室，江西 南昌 330045)

奶粉在加工和生產(chǎn)過程中，容易受到周圍環(huán)境的影響，奶粉事件時有發(fā)生。加強對奶粉中重金屬元素的檢測日益緊迫。目前對重金屬檢測的傳統(tǒng)化學分析方法主要有:石墨爐原子吸收光譜法(GFAAS)、冷蒸汽原子吸收光譜法(CVAAS)、火焰式原子吸收光譜法(FLAAS)、感應耦合電漿質(zhì)譜法(ICP-MS)和分光光度計比色法等。這些方法能夠高靈敏度地檢測出重金屬含量，但是需要對樣品化學消解前處理，操作復雜繁瑣，而且容易造成樣品的二次污染。為此，急需發(fā)展一種快速、綠色的檢測技術(shù)。

激光誘導擊穿光譜(LIBS)技術(shù)是一種快速、新型的無損檢測光譜分析技術(shù)，可實現(xiàn)實時在線多元素同時檢測，它由高能量激光直擊樣品表面，對樣品進行燒蝕出現(xiàn)瞬間等離子體，等離子體中含有高速運動的原子、離子。通過測量等離子體的發(fā)射光譜，可以檢測樣品中的元素成分以及含量信息，是一種綠色環(huán)保的檢測技術(shù)。目前已被廣泛應用于痕量元素檢測［1-2］、水污染［3-4］、食品安全［5-7］、土壤污染［8-9］等領(lǐng)域。

Rai等［10］運用LIBS技術(shù)分析了苦瓜在糖尿病治療中的作用，檢測了Ca、Fe等元素譜線，并且應用自由定標方法分析了這些元素的濃度，結(jié)果表明LIBS技術(shù)檢測元素含量與傳統(tǒng)的原子吸收光譜技術(shù)檢測出的結(jié)果有很好的一致性。Samek等［11］應用飛秒LIBS裝置分析了玉米葉肉和葉脈中Fe元素的相對含量分布，得出葉脈中Fe元素的含量高于葉肉中的結(jié)論。林永增等［12］用等離子體錐形空間約束法檢測土壤中Cr，光譜強度增強了7%，檢測線達到了18.85 μg/mL;但是LIBS在直接分析食品樣品時，由于受到食品復雜基體效應的影響、等離子體壽命極短等因素的影響，使得檢測精度、靈敏度、準確度較差。要使LIBS技術(shù)在食品檢測領(lǐng)域走向成熟，在檢測穩(wěn)定性、靈敏度和精確性方面還有待提高。本試驗利用集成ICCD對奶粉中Cr元素進行分析，分別用外標法和內(nèi)標法兩種方法研究討論，提高LIBS檢測精準性。

1 材料與方法

1.1 樣品制備

本試驗以國家奶粉標準物質(zhì)(國家標準物質(zhì)GBW10017(GSB-8)，地球物理地球化學勘查研究所IGGE)為載體，其樣品中Cr元素含量為(0.39±0.04)μg/g，由于受到復雜基體及LIBS檢測限的制約，原始樣品直接測試探測不到Cr元素譜線。為了探測LIBS技術(shù)檢測奶粉中Cr元素的可行性，需對樣品進行實驗室污染。根據(jù)國家標準《化學試劑雜質(zhì)測定用標準溶液的制備GB/T 602—2002》，用精密電子天平稱取一定量的重鉻酸鉀K2Cr2O7(汕頭市西隴化工廠有限公司，分析純，≥99.8%)，充分溶解于去離子水中混合均勻，配制7 個質(zhì)量濃度依次為 300，500，800，900，1 000，1 200，1 500 μg/mL 的含鉻水溶液;對樣品如下處理:依此取上述溶液6 mL滴入奶粉標準樣品中，用攪拌棒分別攪動，攪拌均勻后放置試驗臺上，為使其充分混合，將混合后的樣品靜置12 h;再將樣品放入烘箱中，為防止溫度過高而破壞基體，溫度設(shè)置為50℃，8 h后取出;將烘箱中取出的樣品置于真空抽濕冷凍機中抽干，根據(jù)真空抽濕冷凍機的抽濕條件48 h才可抽干，48 h后取出。取出后放入搗碎皿中碾碎，用臺式粉末壓片機在28 MPa的壓力下壓制成 30 mm 的餅狀固體。最后殘留在奶粉中 Cr的含量 127.25，211.64，338.52，380.80，424.24，508.09，635.99 μg/g。

1.2 試驗裝置

試驗裝置示意圖如圖1所示，試驗采用Vlite-200型Nd:YAG共軸雙脈沖激光器(北京Beamtech公司，中國)作為光源，最大可輸出波長1 064 nm，單脈沖最大能量為300 mJ，脈沖寬度6～8 ns，重復頻率1～15 Hz可調(diào)。光束照射到45°反射鏡，再穿過穿孔透鏡的小孔，透過穿孔透鏡的光束通過聚焦透鏡激打到焦距為10 cm樣品表面形成激光誘導等離子體，等離子體發(fā)光經(jīng)透鏡形成平行光到達穿孔反射鏡表面，使光路水平入射到聚焦透鏡，聚焦到光纖探頭上，光纖探頭收集激光作用在樣品上所產(chǎn)生的等離子體。為了避免激光打在同一點上，將樣品放在二維旋轉(zhuǎn)移動平臺上，由SC300型二維旋轉(zhuǎn)平臺控制其勻速旋轉(zhuǎn)。再通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)接嬎銠C中存儲并利用專用軟件來進行分析處理。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test

2 結(jié)果與分析

2.1 Cr元素特征譜線的確定

本次試驗在采集延遲時間為2 μs，積分時間為8 μs，曝光時間為0.05 s，增益為200，單束激光的能量為150 mJ的條件下進行，用光譜儀的3#光柵對等離子體信號進行采集。圖2為樣品在417～435 nm波長范圍內(nèi)的激光等離子體發(fā)射光譜。根據(jù)美國NIST數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)標定的譜線，確定Cr元素的主要特征譜線為 CrI 425.43 nm(發(fā)射強度20 000)，CrI 427.48 nm(16 000)，CrI 428.97 nm(10 000)。可知，CrI 425.43 nm(20 000)譜線的相對發(fā)射強度最大。為避免奶粉中基體元素的特征譜線的干擾應盡可能選取特征發(fā)射譜線比較清晰且發(fā)射強度大的作為分析線。因此，選擇CrI425.43 nm作為Cr元素的代表性特征譜線進行分析。

圖2 417～435 nm波段含Cr奶粉LIBS譜線Fig.2 LIBS Spectra of milk between 417 and 435 nm

圖3 Cr 425.43 nm Lorentz擬合曲線Fig.3 Cr 425.43 nm Lorentz Fitting curve

2.2 試驗結(jié)果分析

2.2.1 光譜數(shù)據(jù)預處理 光譜定量分析之前需要對數(shù)據(jù)進行預處理，光譜數(shù)據(jù)預處理主要是把有用與無用信號分開，提取有用信號用于定量分析，為預測未知濃度樣品提供真實準確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。LIBS光譜分析通過特征譜線的強度值推算其對應樣品內(nèi)所含元素的濃度信息，該強度是扣除背景干擾之后的凈強度值。在高溫等離子體中引起特征譜線光譜展寬的主要因素有自然展寬、多普勒展寬、Stark展寬和儀器展寬。自然展寬在光譜分析中可以直接忽略，多普勒展寬決定于離子溫度在分析中同樣也忽略了它的影響。因此，實驗中需要考慮的展寬主要是Stark展寬和儀器展寬。Stark展寬是由高溫等離子體中帶電粒子的碰撞引起的，屬于Stark效應即電場對譜線的影響其線形主要是洛倫茲形［13］。儀器展寬是由于光的衍射效應造成的對于實驗所選用的光譜儀來說其譜線主要為高斯形。為此本次試驗分析采用Lorentz函數(shù)進行光譜輪廓曲線擬合。

圖3是對樣品GBW10017(GSB-8)中Cr元素的Lorentz函數(shù)曲線擬合，其中曲線的漸近線值y0為背景強度，峰值點H為特征譜線的強度值，凈強度值等于峰值點的特征譜線的強度值減去背景強度，在后面的研究中都采用同樣的方法找出每條分析線的背景強度并在光譜數(shù)據(jù)處理過程中減去背景噪聲。

2.2.2 外標法定標曲線分析 定量分析所依據(jù)的理論模型如下所述。Lomakin-Scheibe公式是最為常見的光譜定量分析的基本公式［14］，它是由實驗得出的一個經(jīng)驗公式，表述為

(1)式中:I為所測的光譜線強度;a和b為常數(shù)。a的值取決于激發(fā)條件;C為分析元素的濃度;b 為分析元素本身濃度的函數(shù)，b=b(C)，其取值范圍為 0.5 ～1。對 127.25，211.64，338.52，380.80，424.24，508.09，635.99 μg/g 7個含鉻不同濃度的奶粉樣品依次進行定標分析。通過線性擬合方法建立奶粉中Cr元素濃度與其LIBS強度關(guān)系模型如圖4所示，曲線的橫坐標為被測元素的濃度，縱坐標為元素的光譜強度，擬合曲線線性相關(guān)系數(shù)為0.946 52，從擬合曲線中可以看出擬合度較低的原因是奶粉380.80 μg/g樣品的強度明顯偏弱，可能是因為樣品本身基體效應引起試驗參數(shù)波動導致。

圖4 定標曲線Fig.4 Calibration curve

圖5 定標曲線Fig.5 Calibration curve

2.2.3 內(nèi)標標法定標曲線分析 在定量分析過程中，通?？梢赃x擇內(nèi)標元素來降低實驗參數(shù)波動和基體效應的影響。一般是選擇樣品含量變化非常小的元素作為內(nèi)標，而且所選的元素與所分析元素具有相近的理化性質(zhì)和電離能，傳統(tǒng)的內(nèi)標法選擇元素非常嚴格適應范圍有限。本次試驗選用Ca作為內(nèi)標元素，奶粉標準物質(zhì)GBW10017(GSB-8)中Ca的質(zhì)量分數(shù)為(0.94+0.03)%，Ca 在 422.67 nm處的峰值譜線明顯且穩(wěn)定而且與CrI 425.43 nm處的峰值譜線具有相近的電離能，所以用Ca作為內(nèi)標元素來降低實驗參數(shù)波動和基體效應的影響是可行的。

在使用內(nèi)標法的LIBS測量中，存在各種實驗參數(shù)的波動導致等離子體信號強度的變化，基體效應或者激光脈沖能量波動等因素的影響將導致光譜強度變化，從而直接為元素含量測量帶來誤差。為解決此問題，在此引入強度歸一化［15］對光譜數(shù)據(jù)進行處理。以被測元素與內(nèi)標元素含量比的對數(shù)值和被測元素光譜線強度與內(nèi)標元素光譜強度之比的對數(shù)值建立定標曲線。

具體方法如下，先對Lomakin-Scheibe公式變形，利用譜線強度的比值來進行定標，即有:

由于內(nèi)標元素含量的變化范圍較小，在本文分析元素含量變化范圍之內(nèi)，可以認為自吸系數(shù)b/b0為一恒定常數(shù)，且C的變化對b影響較小。

(3)式中:R為分析線與內(nèi)標線的相對強度;Cn被測元素與內(nèi)標元素濃度比;A為新的常數(shù)。

再把(2)式和(3)式相結(jié)合兩邊同時取對數(shù)，可以得到

(4)式中:B=log(A/A0)，B為表征檢測限的常數(shù)，由于選取無自吸收的分析線和內(nèi)標線，可以忽略自吸收系數(shù)等的影響。

根據(jù)上述強度歸一化法建立定標曲線，對 127.25，211.64，338.52，380.80，424.24，508.09，635.99 μg/g 7個含鉻不同濃度的奶粉樣品依次進行定標分析。如圖5所示，其中曲線的橫坐標為被測元素的濃度與內(nèi)標元素比的對數(shù)，縱坐標為元素Cr譜線凈強度與Ca元素譜線凈強度之比的對數(shù)，擬合曲線線性相關(guān)系數(shù)為0.991，比上述定標曲線的擬合曲線的線性相關(guān)系數(shù)好。說明內(nèi)標法定量分析在一定程度上可以提高測量準確度。

3 結(jié)論

試驗采用分辨率高的集成ICCD光譜儀對信號進行采集，利用激光誘導擊穿光譜技術(shù)探測奶粉中Cr元素，采用外標法與內(nèi)標法進行定量分析。選擇具有相近的電離能Ca元素作為內(nèi)標元素，通過數(shù)據(jù)預處理提取光譜凈強度值，以被測元素與內(nèi)標元素濃度比的對數(shù)值和被測元素光譜線強度與內(nèi)標元素光譜強度之比的對數(shù)值建立定標曲線，內(nèi)標法的擬合曲線線性相關(guān)系數(shù)為0.991，對比發(fā)現(xiàn)內(nèi)標法線性相關(guān)性明顯比外標法好。為將來采用內(nèi)標法建模應用于便攜式LIBS測量系統(tǒng)提供了一定依據(jù)。

本文初步驗證了高分辨率光譜儀對LIBS檢測食品中痕量重金屬元素的可行性，由于此次試驗配制的樣品重金屬濃度偏高，達不到實際應用的要求，下一步將對系統(tǒng)各影響參數(shù)深化探討，并對數(shù)據(jù)處理方法進一步優(yōu)化，以期更大程度提高檢測的靈敏度和準確度，并減低檢測限，以期達到國家規(guī)定標準的限量范圍。

［1］Zhang D CH，Ma X W，Wen W Q，et al.Influence of laser wavelength on laser-induced breakdown spectroscopy applied to semi-quantitative analysis of trace-elements in a plant sample［J］.Chinese Physics Letters，2010，27(6):063202.

［2］屈華陽，胡凈宇，趙雷，等.激光誘導擊穿光譜法判斷汽車板表面劃痕缺陷［J］.冶金分析，2013，33(2):13-17.

［3］Shuchi S，Pavitra T，Renu S，et al.Elemental investigation of river ganga water by LIBS［J］.National Academy Science Letters，2013，36(1):57-60.

［4］Al-Adel F F，Dastagee M A，Gasmi K，et al.Optimization of a laser induced breakdown spectroscopy method for the analysis of liquid samples［J］.Journal of Applied Spectroscopy，2013，80(5):767-770.

［5］Lei W Q，El Haddad J，Motto-Ros V，et al.Comparative measurements of mineral elements in milk powders with laser-induced breakdown spectroscopy and inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy［J］.Analytical and Bioanalytical Chemistry，2011，400(10):3303-3313.

［6］徐媛，劉木華，姚明印.激光誘導擊穿光譜檢測牛奶中的Na元素［J］.光電子·激光，2013，24(5):1032-1036.

［7］Abdel-Salam Z，Al Sharnoubi J，Harith M A.Qualitative evaluation of maternal milk and commercial infant formulas via LIBS［J］.Talanta，2013，115:422-426.

［8］陳金忠，白津?qū)?，宋廣聚，等.激光誘導擊穿光譜技術(shù)測定土壤中元素Cr和Pb［J］.紅外與激光工程，2013，42(4):947-950.

［9］黎文兵，姚明印，鄭建鴻，等.激光誘導擊穿光譜檢測冶煉廠土壤中鉻元素系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化研究［J］.江西農(nóng)業(yè)大學學報，2013，35(4):887-891.

［10］Rai N K，Rai P K，Shiwani P，et al.Application of LIBS in detection of antihyperglycemic trace elements in momordica charantia［J］.Food Biopjysics，2009，4(3):167-171.

［11］Samek O，Lambert J，Hergenroder R，et al.Femtosecond laser spectrochemical analysis of plant Samples［J］.Laser Physics Letters，2006，3(1):21-25.

［12］林永增，姚明印，陳添兵，等.基于等離子體錐形空間約束對土壤中Cr的LIBS研究［J］.光譜學與光譜分析，2013，33(11):3120-3123.

［13］鄭澤科，馬曉紅，趙華鳳，等.激光誘導擊穿譜檢測土壤微量銅元素污染研究［J］.光譜學與光譜分析，2009，29(12):3383-3387.

［14］魯翠萍，劉文清，趙南京，等.土壤重金屬鉻元素的激光誘導擊穿光譜定量分析研究［J］.物理學報，2011，60(4):1-5.

［15］汪家升，喬東坡，陸運章，等.強度歸一化法定量分析巖石激光誘導擊穿光譜［J］.中國激光，2010，37(1):225-230.