LIBS光譜對水系沉積物的分類及鉻元素測定研究

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）是光譜分析領(lǐng)域的一種嶄新分析手段，其原理是通過高能量激光在分析樣品的表面產(chǎn)生高強(qiáng)度的等離子體，樣品激發(fā)所產(chǎn)生的光通過光譜檢測系統(tǒng)進(jìn)行分析。因此LIBS 技術(shù)具有便捷、無需預(yù)處理、可同時(shí)分析多種元素等特點(diǎn)。

隨著工業(yè)化的繼續(xù)推進(jìn)，水系沉積物中的重金屬成為了影響環(huán)境質(zhì)量的重要影響因素。水體中重金屬可與沉積物結(jié)合，沉積物在環(huán)境條件發(fā)生改變后，會遷移或釋放其中的重金屬。因此，通過對水系沉積物中的重金屬污染物進(jìn)行檢測和分析，既是反演和追溯該區(qū)域金屬污染歷史的主要根據(jù)，更是查明水系環(huán)境重金屬污染狀況的關(guān)鍵。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多含有重金屬的污染物排放至河流，對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害。目前，我國已列入環(huán)境優(yōu)先污染物黑名單的重金屬有Cd 、As、Be、Cr、Cu、Pb、Hg、Ni 和Ti[10]。其中鉻對人體健康的危害尤為引起了人們的重視。鉻金屬的污染主要來自于化工、耐火材料、電鍍、制革、顏料和鉻礦冶煉等工業(yè)生產(chǎn)以及燃料燃燒排出的含鉻廢氣、廢水及廢渣等，相關(guān)研究表明六價(jià)鉻能引起貧血、神經(jīng)炎、腎炎、循環(huán)系統(tǒng)衰竭等疾病，長期攝入會導(dǎo)致肺癌、腺癌。因此對水系沉積物中的鉻進(jìn)行檢測和監(jiān)測具有非常重要的意義。

LIBS技術(shù)除了對水系沉積物進(jìn)行定量分析外，還可根據(jù)不同地區(qū)重金屬的分布特征對其進(jìn)行分類研究。而對于淺覆蓋區(qū)的地質(zhì)研究，往往只有水系沉積物或土壤的資料，因此通過LIBS 技術(shù)及采用主成分分析方法對水系沉積物進(jìn)行分類，還可進(jìn)一步用于淺覆蓋區(qū)巖石的巖性與構(gòu)造識別的研究，而目前此方面研究很少。

王陽恩等基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)對水系沉積物中鉻元素進(jìn)行快速定量檢測為目的，利用采用美國應(yīng)用光譜公司生產(chǎn)的RT100-HP 激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀（型號現(xiàn)更新為J200）對標(biāo)樣和樣品進(jìn)行了分析，建立了標(biāo)樣中鉻元素濃度與其激光誘導(dǎo)擊穿光譜強(qiáng)度間的定標(biāo)曲線，線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.992，得到了樣品中的鉻含量。同時(shí)利用主成分分析方法對樣品進(jìn)行了分析，結(jié)果表明LIBS 技術(shù)可用于水系沉積物的分類和鑒定的研究。
                                     

 標(biāo)樣及樣本光譜圖   
              

 
定標(biāo)曲線

                                                       
通過定標(biāo)曲線可以計(jì)算出樣品鉻元素的含量：
 
樣本中鉻元素含量
（樣品1到5分別取自城中村居民區(qū)水渠沉積物、涂料廠旁小河沉積物、護(hù)城河沉積物、長江
河道泥土、長江河道砂石）
                                         

根據(jù)以上結(jié)果可以推測樣品中的鉻含量與河流受到的污染程度相關(guān)。由于近年來城中村居民區(qū)水渠與護(hù)城河附近水域環(huán)境保護(hù)治理的效果不錯(cuò)，故樣品1、3 較其他樣品的鉻含量偏低。而涂料廠旁的小河正因?yàn)橛型苛蠌S生產(chǎn)防腐涂料的污染，故樣品2 中所含鉻偏高。隨著長江受到的污染逐漸加重，導(dǎo)致樣品2 的鉻含量較高。樣品5 中的鉻含量與地殼中鉻的含量較為近似。

                                       

待測樣本的主成分二維散點(diǎn)分布圖

從圖中可以看到五種樣品的主成分二維散點(diǎn)分布明顯不同，說明在主成分二維散點(diǎn)分布圖上, 決定二維散點(diǎn)位置的主要原因是樣品的性質(zhì)。這一結(jié)果可為水系沉積物的分類提供新的方法, 并將在進(jìn)一步的水系沉積物的定量分析中表現(xiàn)出其應(yīng)用潛力。
 
結(jié)論
通過LIBS 技術(shù)對水系沉積物進(jìn)行分析，利用鉻在302.156nm 的特征譜線及對標(biāo)樣進(jìn)行定標(biāo)，完成了樣品中鉻含量的定量分析，結(jié)果表明水質(zhì)的污染對沉積物中鉻元素的含量有較大的影響。同時(shí)通過對樣品進(jìn)行主成分分析，表明LIBS 技術(shù)可用于水系沉積物的分類與鑒定。
 
 
說明：以上內(nèi)容主要摘錄自2014年王陽恩等發(fā)表在《激光雜志》上的文章“激光誘導(dǎo)擊穿光譜對水系沉積物的分類及鉻元素測定的研究”
 
美國ASI 公司的J200激光質(zhì)譜聯(lián)用元素分析儀是美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory）30多年激光化學(xué)分析基礎(chǔ)理論研究成果的結(jié)晶，創(chuàng)造了激光等離子光譜化學(xué)分析技術(shù)的新時(shí)代，首次將LIBS技術(shù)與LA-ICP-MS相結(jié)合。 實(shí)現(xiàn)了從氫元素到钚元素幾乎全元素的測量，包括H、N、O等輕元素以及鹵族等其他傳統(tǒng)方法（包括ICP-MS）不能測量的元素，測量速度快，數(shù)秒即可得到結(jié)果。此外，J200激光質(zhì)譜聯(lián)用元素分析儀還可將剝蝕出的納米級固體樣品微粒直接送入ICP-MS進(jìn)行更精確的分析，有效避免酸溶、消解等復(fù)雜樣品前處理帶來的二次污染和可能的誤差引入，同時(shí)大大提升了元素檢測限，實(shí)現(xiàn)了ppb以下到100%的寬范圍測量。

目前，J200激光質(zhì)譜聯(lián)用元素分析儀已廣泛用于國際高端和國家級實(shí)驗(yàn)室，如美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室、美國大克拉曼多犯罪實(shí)驗(yàn)室 、巴西圣保羅大學(xué)、 美國西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室等眾多知名機(jī)構(gòu)。

 

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