李占鋒， 王芮雯， 鄧 琥， 尚麗平

(1. 西南科技大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 621010；2. 西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院， 四川 綿陽 621010； 3. 特殊環(huán)境機(jī)器人四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 綿陽 621010；4. 西南科技大學(xué) 極端條件物質(zhì)特性聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室， 四川 綿陽 621010)

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黃連、附片和茯苓內(nèi)銅元素激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析

李占鋒1*， 王芮雯1， 鄧 琥2,3， 尚麗平3,4

(1. 西南科技大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 621010；2. 西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院， 四川 綿陽 621010； 3. 特殊環(huán)境機(jī)器人四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 綿陽 621010；4. 西南科技大學(xué) 極端條件物質(zhì)特性聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室， 四川 綿陽 621010)

為了驗(yàn)證激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)對(duì)中藥內(nèi)重金屬銅元素檢測(cè)的可行性，以黃連、附片、茯苓作為檢測(cè)對(duì)象，分別為其配制了一系列濃度不同的含銅樣品。采用1 064 nm的納秒脈沖激光器作為激發(fā)光源，八通道光譜儀進(jìn)行光譜采集。選用Cu 324.7 nm作為特征譜線進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)確定最佳延遲時(shí)間為0.5 μs。根據(jù)黃連、附片、茯苓的不同基體情況分別選取適當(dāng)內(nèi)標(biāo)參量進(jìn)行定量分析，所得線性擬合度分別為0.986,0.931,0.975，并與直接定標(biāo)所得結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)標(biāo)法可提升擬合精度，激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)可用于中藥重金屬銅元素污染的快速檢測(cè)。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)； 中藥； 重金屬； 內(nèi)標(biāo)法； 定標(biāo)曲線

1 引 言

中藥是中國(guó)醫(yī)藥學(xué)的瑰寶，但是近年來，生活污水和工業(yè)“三廢”(廢水、廢氣、廢渣)的違章排放、化肥和農(nóng)藥的過度使用造成適于藥用植物生長(zhǎng)土壤被污染(主要包括重金屬和有機(jī)污染物等)，中藥的品質(zhì)[1]下降，療效降低甚至?xí)＜盎颊叩陌踩?guó)家藥典委員會(huì)頒布的《中國(guó)藥典》和中華人民共和國(guó)外經(jīng)貿(mào)部頒布的《藥用植物及制劑進(jìn)出口綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》，明確規(guī)定了藥用植物及制劑的綠色品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(包括藥用植物原料、飲片、提取物及其制劑等的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)方法)，其中銅(Cu)是中藥重金屬污染檢測(cè)的一個(gè)重要指標(biāo)，其限量指標(biāo)為小于20 mg/kg。

目前，中藥重金屬檢測(cè)的主要方法為化學(xué)分析法、原子吸收光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法[2]。固然這些方法有很高的檢測(cè)靈敏度，但仍存在著一些不足。化學(xué)分析法需要復(fù)雜的樣品預(yù)處理，操作繁瑣，分析時(shí)間較長(zhǎng)且容易造成環(huán)境污染；原子吸收光譜法每次僅能分析一種待測(cè)元素，且樣品預(yù)處理復(fù)雜；電感耦合等離子體質(zhì)譜法檢測(cè)過程中樣品預(yù)處理復(fù)雜，需要使用強(qiáng)酸，容易造成環(huán)境污染[3]。因此，發(fā)展一種能快速、原位、多元素同時(shí)檢測(cè)的中藥重金屬污染檢測(cè)方法對(duì)保障中藥的品質(zhì)和安全有著十分重要的意義。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS)技術(shù)是近些年隨著激光技術(shù)和光譜儀器的發(fā)展而興起的對(duì)元素定性和定量分析的一種光譜技術(shù)，具有可同時(shí)進(jìn)行多種元素分析、操作簡(jiǎn)便、能實(shí)現(xiàn)真正的快速分析等優(yōu)點(diǎn)[4]，在諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[5-8]。本文針對(duì)黃連(Coptis chinensis)、附片(Aconite root)和茯苓(Poria cocos)這3種常用中藥的重金屬Cu元素污染，研究了LIBS技術(shù)檢測(cè)的可行性。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 樣品表征

實(shí)驗(yàn)所用的黃連、附片產(chǎn)于四川，茯苓產(chǎn)于云南，其母樣均購(gòu)于四川省綿陽市某藥房。所購(gòu)中藥首先由粉碎機(jī)(GX-04，高鑫)打碎成粉末狀，再用分樣篩(160目，華豐)進(jìn)行分樣處理，最后獲得均勻的細(xì)粉末母樣。

針對(duì)3種中藥的細(xì)粉末母樣，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(7700，Agilent technologies，USA)分別對(duì)其Cu元素含量進(jìn)行檢測(cè)。由表1可知，所購(gòu)的黃連、附片和茯苓中Cu元素的含量分別為0.282，0.016，0.040 mg/kg，遠(yuǎn)低于《藥用植物及制劑進(jìn)出口綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》所規(guī)定的限量指標(biāo)20 mg/kg，因此，采用這3種樣品進(jìn)行分析時(shí)，可忽略樣品本身Cu元素含量的影響。

同時(shí)，采用原子吸收光譜儀(AA700，PerkinElmer，USA)分別對(duì)3種中藥細(xì)粉末中的鈣(Ca)元素含量進(jìn)行檢測(cè)，為其作為內(nèi)標(biāo)元素提供依據(jù)。由表1可知，所購(gòu)的黃連、附片和茯苓中Ca元素的含量分別為8.701，348.679，0.012 mg/kg，其中茯苓中的Ca元素含量極低。

表1 黃連、附片和茯苓中Ca和Cu的含量

Tab.1 Caand Cu content of coptis chinensis, aconite root and poria cocos mg/kg

ElementCoptischinensisAconiterootPoriacocosCuCa0.2828.701 0.016348.6790.0400.012

2.2 樣品配制

由于所購(gòu)的黃連、附片和茯苓中Cu元素的含量極低，可忽略不計(jì)，因此，我們?cè)?種中藥細(xì)粉末母樣中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%的硝酸銅并進(jìn)行研磨。為保證樣品的致密度，研磨均勻程度等保持一致，研磨時(shí)間均為2 h。然后，通過型粉末壓片機(jī)(769YP-30T，科器)施加18 MPa壓力，持續(xù)3 min，壓制成直徑13 mm、厚度約為3 mm的片狀測(cè)試樣品。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

中藥重金屬LIBS檢測(cè)裝置如圖1所示。采用納秒脈沖激光器(Nd∶YAG Laser，Quanta-Ray Pro，Spectra-physics，USA)作為激發(fā)光源，其工作波長(zhǎng)為1 064 nm、工作頻率為10 Hz。激光光束經(jīng)過焦距為400 mm的透鏡聚焦于樣片表面。樣品垂直夾持于三維平移臺(tái)(GTS30V/XMS160/XMS100，Newport，USA)上。激光燒蝕樣品后產(chǎn)生等離子體，通過光纖探頭(Avantes，Nederland)傳輸?shù)焦庾V儀(AvaSpec-2048-8-USB2，Avantes，Nederland)，其平均光譜分辨率為0.1 nm，光譜范圍為200～1 100 nm。光譜儀將采集數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行顯示和分析。納秒脈沖激光器和光譜儀通過延時(shí)觸發(fā)器(DG645，SRS，USA)進(jìn)行控制。

圖1 中藥重金屬LIBS檢測(cè)裝置示意圖

Fig.1 Device schematic diagram of LIBS detection for heavy metal in Chinese traditional medicine

2.4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)選取

實(shí)驗(yàn)選取Cu 324.7 nm作為分析譜線，該譜線受其他譜線干擾較小，且具有較高的強(qiáng)度[9-10]。實(shí)驗(yàn)采用的激光能量為60 mJ，在此能量下能夠較好地激發(fā)出各個(gè)譜線且不會(huì)過快地在樣品上產(chǎn)生較大的燒蝕坑。光譜儀積分時(shí)間采用60 ms。

圖2 不同延遲時(shí)間對(duì)發(fā)射光譜強(qiáng)度的影響。(a) 黃連；(b) 附片；(c) 茯苓。

Fig.2 Influence of delay time on the signal intensity. (a) Coptis chinensis. (b) Aconite root. (c) Poria cocos.

采用中藥重金屬LIBS檢測(cè)裝置，在延遲觸發(fā)器不同延遲時(shí)間下(激光脈沖與光譜儀采集之間的時(shí)間差)，分別對(duì)已配制的不同Cu元素含量的黃連、附片和茯苓進(jìn)行檢測(cè)，獲得了不同延遲時(shí)間對(duì)發(fā)射光譜強(qiáng)度的影響，如圖2所示。分析可知，不同延遲時(shí)間對(duì)發(fā)射光譜強(qiáng)度的影響較大。為進(jìn)一步確定實(shí)驗(yàn)的最佳延遲時(shí)間，我們分別對(duì)其信噪比和324.7 nm處的發(fā)射光譜強(qiáng)度進(jìn)行了分析。從圖3可以看出，當(dāng)延遲時(shí)間為0.5 μs時(shí)，信噪比和324.7 nm處的發(fā)射光譜強(qiáng)度均為最高。

圖3 不同延遲時(shí)間下的信噪比和324.7 nm處的發(fā)射光譜強(qiáng)度比較。(a) 黃連；(b) 附片；(c) 茯苓。

Fig.3 Signal to noise ratio and intensity of 324.7 nm under different delay time. (a) Coptis chinensis. (b) Aconite root. (c) Poria cocos.

3 結(jié)果與討論

3.1 內(nèi)標(biāo)選取

在對(duì)黃連、附片和茯苓中Cu元素的定量分析過程中，為了減小實(shí)驗(yàn)過程中激光能量波動(dòng)、樣品表面其他雜質(zhì)以及三維平移臺(tái)所帶來的誤差，我們采用內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行定標(biāo)曲線分析。

由表1所示的3種中藥中Ca元素含量以及圖4所示的3種中藥母樣的LIBS光譜可知，黃連和附片中Ca元素含量相對(duì)較高，在測(cè)量時(shí)信號(hào)強(qiáng)度高且穩(wěn)定，并且Ca 319.7 nm處的峰值譜線與Cu 324.7 nm處的峰值譜線具有相近的電離能，適用于作為Cu 324.7 nm的內(nèi)標(biāo)元素[11]，從而建立定標(biāo)曲線；而茯苓中Ca元素含量極低，在上述實(shí)驗(yàn)條件下無法激發(fā)出Ca 319.7 nm處的譜線，且在附近沒有強(qiáng)度較高且信號(hào)穩(wěn)定的譜線作為內(nèi)標(biāo)，故以323.5～325.5 nm的光譜面積為內(nèi)標(biāo)[12]，從而建立定標(biāo)曲線。

圖4 3種中藥母樣在313.0～328.0 nm處的LIBS光譜

Fig.4 LIBS spectra of three kinds of Chinese herbal medicine from 313.0 to 328.0 nm

3.2 定標(biāo)曲線分析

黃連、附片、茯苓的定標(biāo)曲線如圖5所示。其中橫坐標(biāo)為樣品中Cu的濃度，左側(cè)縱坐標(biāo)為無內(nèi)標(biāo)的定標(biāo)曲線，以Cu 324.7 nm處的發(fā)射光譜峰值強(qiáng)度表示，分別獲得黃連、附片和茯苓Cu元素含量的線性擬合度分別為0.914,0.916,0.837；右側(cè)縱坐標(biāo)為采用內(nèi)標(biāo)所得的定標(biāo)曲線，以Cu 324.7 nm處的發(fā)射光譜峰值強(qiáng)度與所選取內(nèi)標(biāo)之比表示，獲得黃連、附片和茯苓Cu元素含量的線性擬合度分別為0.986,0.916,0.975。

通過定標(biāo)曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)，使用內(nèi)標(biāo)法可有效提高線性擬合度。其中附片的提高幅度較小，主要是因?yàn)楦狡勰┑恼澈隙茸畈睿瞥傻钠瑺顪y(cè)試樣品較軟、易碎；并且在進(jìn)行LIBS檢測(cè)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更大的燒蝕坑且更容易擊穿，造成測(cè)試結(jié)果的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性增加?？梢姡捎肔IBS技術(shù)進(jìn)行樣品檢測(cè)時(shí)，樣品本身的物理性質(zhì)以及激發(fā)時(shí)燒蝕坑的深度都會(huì)對(duì)檢測(cè)精度造成較大的影響。

圖5 黃連(a)、附片(b)、茯苓(c)的定標(biāo)曲線比較。

Fig.5 Comparison of calibration curves of coptis chinensis(a), aconite root(b), and poria cocos(c), respectively.

根據(jù)圖5所得黃連、附片、茯苓的定標(biāo)曲線，結(jié)合相對(duì)偏差計(jì)算方法，我們分別對(duì)不同濃度的測(cè)試樣品的相對(duì)偏差進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如表2所示，其相對(duì)偏差均小于±4%。

表2 不同濃度測(cè)試樣品的相對(duì)偏差

4 結(jié) 論

采用LIBS技術(shù)對(duì)黃連、附片和茯苓中的Cu元素進(jìn)行了檢測(cè)，通過對(duì)不同延遲時(shí)間下的發(fā)射光譜強(qiáng)度及信噪比的分析，獲得了最佳延遲時(shí)間為0.5 μs。采用直接定標(biāo)和利用內(nèi)標(biāo)法定標(biāo)對(duì)Cu 324.7 nm處的發(fā)射光譜強(qiáng)度進(jìn)行了定量分析，獲得了內(nèi)標(biāo)條件下黃連、附片和茯苓Cu元素含量的線性擬合度，分別為0.987,0.932,0.976。通過對(duì)比可知，使用內(nèi)標(biāo)法可減小誤差、提升精度。根據(jù)定標(biāo)曲線，分別計(jì)算得到了不同濃度測(cè)試樣品的相對(duì)偏差均小于±4%，表明該測(cè)試方法具有較好的精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LIBS技術(shù)可運(yùn)用于黃連、附片、茯苓中Cu元素的檢測(cè)，且內(nèi)標(biāo)法在定量分析中可有效提高精度。

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李占鋒(1966-)，男，黑龍江勃利人，教授，1991年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲碩士學(xué)位，主要從事檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用、光譜傳感技術(shù)等方面的研究。

E-mail： 109181294@qq.com

Laser Induced Breakdown Spectros Copy of Cu in Coptis Chinensis， Aconite Root and Poria Cocos

LI Zhan-feng1*, WANG Rui-wen1, DENG Hu2,3, SHANG Li-ping3,4

(1.SchoolofManufacturingScienceandEngineering,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,China; 2.SchoolofInformationEngineering,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,China; 3.RobotTechnologyUsedforSpecialEnvironmentKeyLaboratoryofSichuanProvince,Mianyang621010,China; 4.LaboratoryforExtremeConditionsMatterProperties,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,China)*CorrespondingAuthor,E-mail: 109181294@qq.com

In order to verify the laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) is feasible for the detection of heavy metal elements in Chinese traditional medicine, using coptis chinensis, aconite root and poria cocos as detection object, a series of Cu element samples with different concentrations were prepared. 1 064 nm Nd∶YAG solid pulse laser was used as the excitation source, the eight channel spectrometer was used for spectral data acquisition. Cu 324.7 nm was selected as characteristic spectral line, and the optimal delay time was determined for 0.5 μs. According to the different substrate conditions of coptis chinensis, aconite root and poria cocos, the appropriate internal standard parameters were selected, and the linear degree was 0.986, 0.931, 0.975, respectively. The results were compared with the results of direct calibration. The experiment results show that the internal standard method can improve fitting accuracy and LIBS can be used for the rapid detection of heavy metal Cu pollution of traditional Chinese medicine.

laser induced breakdown spectroscopy; traditional Chinese medicine; heavy metal; internal standard method; calibration curve

∶1000-7032(2016)01-0100-06

2015-09-08；

2015-11-21

國(guó)家自然科學(xué)基金(11176032)； 極端條件物質(zhì)特性實(shí)驗(yàn)室資助課題(12zxjk05,13zxjk02)； 特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(13zxtk0502)資助項(xiàng)目

O567.32

A

10.3788/fgxb20163701.0100