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【技术应用】激光诱导击穿光谱技术快速测量农田重金属镉元素

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        农田土壤的重金属主要包括镉、汞、铅、铬和砷等生物毒性显著的元素。土壤中过量重金属会可引起植物生理功能紊乱、营养失调,镉元素还会富集在作物籽粒中,因此我们以镉(Cd)元素为例研究其快速检测手段及评价方法。

 对于镉元素的检测目前主要的方法是电感耦合等离子体原子发射光谱法,等离子体质谱法,火焰式原子吸收光谱法,分光光度计比色法等。这些传统方法虽然结果较为理想,但是需要长时间和复杂的前处理过程,样品也不能重复使用,污染较大,有腐蚀,对操作人员要求也很高。因此急需一种快速,微损,无污染,可以实时检测元素的方法。激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是一种新兴的元素检测和分析技术。当激光作用于样品表面时,在极短的时间内诱导产生含有样品物质信息的等离子体。通过对等离子体发出的光谱进行收集分析,建立光谱与元素一一对应的关系。由此可以检测出元素周期表中的大部分元素。

 取农田土壤样品为实验样品,将样品烘干、研磨后压片。压力15吨,保压时间5分钟。为了得到更好的信号,我们选取0.4us为测试延迟时间,100%能量输出,20次脉冲累加。经过查询系统内置的ElementLIBS元素识别数据库,得知Cd元素的特征强峰位于340.565nm。通过实验,尽管土壤中实际Cd元素的含量非常低,但是Cd元素的峰值信息依然清晰可见,达到了检测的要求。见左下图。

取土壤样品GBW-07401, GBW-07402, GBW-07408, GBW- 07410, GBW- 07411作为标准样品进行定标曲线的制作,实验参数同上,如右上图所示。所选取的土壤样品与待测农田土壤样品非常接近,经过拟合后,相关系数可达0.996。可以作为后期实际元素含量预测之用。

 为了验证标准曲线的准度,我们取GBW- 07411的第二实验测点的已知数据进行数据反演。先后测量3次取平均,结果的相对偏差为3.457%。达到了我们对准度的预期。见下图。


最后我们根据制作好的标准曲线,进行实际农田待测土壤的Cd元素含量预测计算,实际结果如右上图所示。测量的结果,样地中Cd元素的含量均小于0.3mg/kg。结果表明,农田土壤中Cd元素的含量未超过国家颁布的《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)中二类土壤标准0.6mg/kg。也同时证明了该方法可以检测出镉元素以及其他微量甚至痕量的重金属元素。

 实验装置我们采用EcoChem 激光光谱元素分析系统,该系统采用LIBS技术。激光能量200mJ@1064nm,能量输出0-100%可调;重现率20Hz;光斑大小20-200μm连续可调;检测器谱宽190-1040nm;三维全自动工作台;样品室可通入氦气或氩气。

本实验利用EcoChem激光光谱元素分析系统,采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术检测农田土壤中的重金属镉元素,并利用系统内置的多元变量光谱定量法分析计算元素含量。快速准确,检测限低,可进行微量甚至痕量元素的检测。随着这一技术的发展,今后必将成为新一代的土壤速测必备工具,为我国的土壤研究发挥其更大的功效。


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