激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)快速測(cè)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(guò)量重金屬會(huì)可引起植物生理功能紊亂、營(yíng)養(yǎng)失調(diào)，鎘元素還會(huì)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(cè)手段及評(píng)價(jià)方法。
 

 對(duì)于鎘元素的檢測(cè)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(jì)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(zhǎng)時(shí)間和復(fù)雜的前處理過(guò)程，樣品也不能重復(fù)使用，污染較大，有腐蝕，對(duì)操作人員要求也很高。因此急需一種快速，微損，無(wú)污染，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)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(cè)和分析技術(shù)。當(dāng)激光作用于樣品表面時(shí)，在極短的時(shí)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(guò)對(duì)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(duì)應(yīng)的關(guān)系。由此可以檢測(cè)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(shí)間5分鐘。為了得到更好的信號(hào)，我們選取0.4us為測(cè)試延遲時(shí)間，100%能量輸出，20次脈沖累加。經(jīng)過(guò)查詢(xún)系統(tǒng)內(nèi)置的ElementLIBS元素識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)，得知Cd元素的特征強(qiáng)峰位于340.565nm。通過(guò)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(jiàn)，達(dá)到了檢測(cè)的要求。見(jiàn)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(xiàn)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(cè)農(nóng)田土壤樣品非常接近，經(jīng)過(guò)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(cè)之用。
 

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

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最后我們根據(jù)制作好的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，進(jìn)行實(shí)際農(nóng)田待測(cè)土壤的Cd元素含量預(yù)測(cè)計(jì)算，實(shí)際結(jié)果如右上圖所示。測(cè)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(guò)國(guó)家頒布的《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618－1995)中二類(lèi)土壤標(biāo)準(zhǔn)0.6mg/kg。也同時(shí)證明了該方法可以檢測(cè)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(cè)器譜寬190-1040nm；三維全自動(dòng)工作臺(tái)；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(cè)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(jì)算元素含量。快速準(zhǔn)確，檢測(cè)限低，可進(jìn)行微量甚至痕量元素的檢測(cè)。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(cè)必備工具，為我國(guó)的土壤研究發(fā)揮其更大的功效。