激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)快速測量農(nóng)田重金屬鎘元素

農(nóng)田土壤的重金屬主要包括鎘、汞、鉛、鉻和砷等生物毒性顯著的元素。土壤中過量重金屬會可引起植物生理功能紊亂、營養(yǎng)失調(diào)，鎘元素還會富集在作物籽粒中，因此我們以鎘（Cd）元素為例研究其快速檢測手段及評價方法。
 

 對于鎘元素的檢測目前主要的方法是電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法，等離子體質(zhì)譜法，火焰式原子吸收光譜法，分光光度計比色法等。這些傳統(tǒng)方法雖然結(jié)果較為理想，但是需要長時間和復(fù)雜的前處理過程，樣品也不能重復(fù)使用，污染較大，有腐蝕，對操作人員要求也很高。因此急需一種快速，微損，無污染，可以實(shí)時檢測元素的方法。激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）技術(shù)是一種新興的元素檢測和分析技術(shù)。當(dāng)激光作用于樣品表面時，在極短的時間內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生含有樣品物質(zhì)信息的等離子體。通過對等離子體發(fā)出的光譜進(jìn)行收集分析，建立光譜與元素一一對應(yīng)的關(guān)系。由此可以檢測出元素周期表中的大部分元素。
 

 取農(nóng)田土壤樣品為實(shí)驗(yàn)樣品，將樣品烘干、研磨后壓片。壓力15噸，保壓時間5分鐘。為了得到更好的信號，我們選取0.4us為測試延遲時間，100%能量輸出，20次脈沖累加。經(jīng)過查詢系統(tǒng)內(nèi)置的ElementLIBS元素識別數(shù)據(jù)庫，得知Cd元素的特征強(qiáng)峰位于340.565nm。通過實(shí)驗(yàn)，盡管土壤中實(shí)際Cd元素的含量非常低，但是Cd元素的峰值信息依然清晰可見，達(dá)到了檢測的要求。見左下圖。

取土壤樣品GBW-07401, GBW-07402, GBW-07408, GBW- 07410, GBW- 07411作為標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行定標(biāo)曲線的制作，實(shí)驗(yàn)參數(shù)同上，如右上圖所示。所選取的土壤樣品與待測農(nóng)田土壤樣品非常接近，經(jīng)過擬合后，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.996�？梢宰鳛楹笃趯�(shí)際元素含量預(yù)測之用。
 

 為了驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)曲線的準(zhǔn)度，我們?nèi)�GBW- 07411的第二實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)的已知數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)反演。先后測量3次取平均，結(jié)果的相對偏差為3.457%。達(dá)到了我們對準(zhǔn)度的預(yù)期。見下圖。

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最后我們根據(jù)制作好的標(biāo)準(zhǔn)曲線，進(jìn)行實(shí)際農(nóng)田待測土壤的Cd元素含量預(yù)測計算，實(shí)際結(jié)果如右上圖所示。測量的結(jié)果，樣地中Cd元素的含量均小于0.3mg/kg。結(jié)果表明，農(nóng)田土壤中Cd元素的含量未超過國家頒布的《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618－1995)中二類土壤標(biāo)準(zhǔn)0.6mg/kg。也同時證明了該方法可以檢測出鎘元素以及其他微量甚至痕量的重金屬元素。
 

 實(shí)驗(yàn)裝置我們采用EcoChem 激光光譜元素分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用LIBS技術(shù)。激光能量200mJ@1064nm，能量輸出0-100%可調(diào)；重現(xiàn)率20Hz；光斑大小20-200μm連續(xù)可調(diào)；檢測器譜寬190-1040nm；三維全自動工作臺；樣品室可通入氦氣或氬氣。

 

本實(shí)驗(yàn)利用EcoChem激光光譜元素分析系統(tǒng)，采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）技術(shù)檢測農(nóng)田土壤中的重金屬鎘元素，并利用系統(tǒng)內(nèi)置的多元變量光譜定量法分析計算元素含量�？焖贉�(zhǔn)確，檢測限低，可進(jìn)行微量甚至痕量元素的檢測。隨著這一技術(shù)的發(fā)展，今后必將成為新一代的土壤速測必備工具，為我國的土壤研究發(fā)揮其更大的功效。