激光诱导击穿光谱检测土壤中重金属Pb和Mn的试验研究

构建了激光诱导击穿光谱检测土壤重金属元素的试验平台,探讨了激光诱导击穿光谱检测土壤重金属元素的原理.土壤中重金属Pb和Mn元素的激光诱导击穿光谱谱线分别选定为405.78 nm和257.61 nm,利用试验数据建立了Pb和Mn含量的定标曲线.研究结果表明,激光诱导击穿光谱技术易于识别土壤中重金属Pb和Mn元素,同时也验证了激光诱导击穿光谱检测Pb和Mn元素的可能性.     

土壤和马铃薯中元素铬的激光诱导击穿光谱研究

利用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对马铃薯及其生长土壤中的元素铬的光谱特性进行了研究。在425~430nm波长范围内分析比较了土壤样本和马铃薯样本中Cr元素的等离子体特征谱线,选取铬元素425.435nm的特征谱线作为分析线,测定了不同Cr掺杂浓度下的等离子体特征谱线强度,并建立了定标曲线。结果表明:在相同的Cr掺杂浓度下,由于土壤样本基体效应的存在,其特征谱线强度要整体高于马铃薯样本;根据元素谱线强度与浓度的关系,在低浓度条件下,铬元素谱线强度随浓度的增加而增加;通过定标曲线计算得到铬元素在土壤样本和马铃薯样本中的检测限分别为22.6μg·g-1和17.5μg·g-1。     

土壤中重金属元素Cr的激光诱导光谱测量分析

利用Nd:YAG脉冲激光器作为光源,以高分辨率、宽光谱段的中阶梯光谱仪和ICCD为谱线分离与探测器件,测量并分析了土壤中Cr元素的激光诱导击穿光谱特性。以Cr的357.869nm特征谱线作为分析线,对不同含量Cr元素的土壤样品进行测量,建立样品中Cr元素含量与其激光诱导击穿光谱强度间的定标曲线,线性相关系数达到0.9954,检测限为37.38mg/kg。测量分析表明,所测化工厂附近土壤中含有Cr元素,且离化工厂越近,Cr含量可能越高。     

纸质食品接触材料中重金属铅的激光诱导击穿光谱快速测定

[目的]建立快速测定纸质食品接触材料中重金属铅的激光诱导击穿光谱的方法。[方法]制备了纯的硝酸铅样品、不同铅含量的硝酸铅样品、纸杯样品以及纸质食品袋,利用激光诱导击穿光谱技术对样品进行了检测,得到了激光诱导击穿光谱,对光谱数据进行分析,选取Pb原子谱线405.78 nm为特征谱线。[结果]采用不同铅含量的硝酸铅样品的谱线强度和铅含量建立定标曲线,决定系数为0.996,用不同铅含量的纸杯样品对测试结果进行验证,平均相对标准偏差为2.93%,用该方法检测8种不同的食品包装袋,得到激光诱导击穿光谱。[结论]激光诱导击穿光谱方法可以应用于纸质食品接触材料中重金属铅含量的检测。     

水中重金属元素镉的激光诱导击穿光谱快速检测研究

以激光诱导击穿光谱技术实时检测水中的重金属镉元素为研究目的,对不同浓度的含镉水溶液进行激光诱导击穿光谱试验。确定在以361.05 nm为镉元素特征分析谱线时,较佳采集延迟时间为1 680 ns,较佳的激光能量值为110 m J。采用线性拟合的方法对镉元素进行定量分析,拟合曲线的线性相关系数为0.995 38,两验证样品的相对误差分别为9.21%、8.50%。研究表明激光诱导击穿光谱技术对水中镉元素进行实时、在线检测是可行的,但检测灵敏度还有待进一步提高。     

海带中铬含量的激光诱导击穿光谱研究分析

以基于激光诱导击穿光谱技术对海带中铬元素进行快速定量检测为目的。采用1 064 nm的调Q纳秒级Nd:YAG激光器作为光源,用高精度光谱仪进行采集光谱。研究分析Cr元素激光诱导击穿光谱强度的时间演化特性,实验表明最佳延时时间为1.2μs。对含有不同的浓度Cr元素的海带样品进行测量,建立样品中Cr元素浓度与其激光诱导击穿光谱强度间的定标曲线,线性相关系数达到0.990 29,检测限为54.62μg/g。研究表明:激光诱导击穿光谱技术能够用于检测海带中铬元素含量,并具有实时快速无损的测量能力。     

激光诱导击穿光谱与火焰光度法定量分析土壤钾元素含量

利用激光诱导击穿光谱技术(Laser Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)对漯河市周边5个不同地点收集的土壤样品进行K元素含量测定,评估LIBS技术对土壤K元素含量的分析能力。采用火焰光度法获得K元素含量参考值,火焰光度法平行测量误差为±5%。在K元素含量9～35μg·g-1范围内,5个点的土壤样品测量相对标准偏差分别为0.075%、0.081%、0.096%、0.134%和0.47%。采用洛仑兹拟合算法,计算K元素在766.49 nm和769.90 nm谱线上的信噪比,通过对比选取766.49 nm为土壤K元素LIBS特征光谱线。用离差标准化(Min-Max Normalization)和统计权重矩阵对LIBS试验数据进行分析,建立K元素含量定标曲线,5种样品相关系数分别为0.913、0.917、0.88、0.914和0.866。     

不同耕作施肥方式的水稻营养元素的激光诱导击穿光谱分析

利用激光诱导击穿光谱(LIBS)分析方法,选取N、K为水稻特征元素,对5种耕作施肥方式种植下水稻幼穗分化期的叶、穗、茎进行光谱特征分析。由于水稻作物含有复杂的有机和无机元素,为了快速分析特征元素谱线,选取特征元素发射谱线互不干扰,基体效应低的670.875 9、742.364 1、744.229 8、746.831 2、824.238 9、856.773 5、862.923 5、868.028 2 nm的氮原子谱线及766.491 1、769.897 4 nm的钾原子谱线作为主要分析对象。以N、K两种特征谱线为主,对数据进行均值归一化(Mean Normalization)及距离标准化(Range Normalization)处理,减少实验过程中外界及内在因素干扰,同时采用主成分分析(PCA)方法对数据进行成分得分及离散程度分析,水稻叶、穗和茎的特征元素谱线前三个主成分的得分解释度分别达到96.57%、95.57%和98.14%,表明不同变量在前3个主成分的解释程度存在差异。采用PCA对实验数据降维处理,用K均值(K-means)聚类与Fisher判别式对施肥方式进行三分类和耕作施肥方式进行五分类分析,当置信区间为81.96%,三分类能较好区分。     

作物养分管理集成系统研究

为了解决作物不同生长阶段养分需求,维持土壤养分供给与作物吸收之间的平衡,从而有效地提高作物产量和品质,提出了作物养分管理集成系统。该系统包括土壤速效氮磷钾养分吸光度检测技术、作物养分反射光谱检测技术和激光诱导击穿光谱养分检测技术,它能够快速检测作物播种前和生长发育过程中土壤养分状况以及作物植株养分丰缺状况。结果表明,作物养分管理集成系统中土壤速效氮磷钾吸光度法测量结果与碱解扩散法测量土壤速效氮,钼锑抗比色法测量土壤速效磷和火焰光度法测量土壤速效钾的相关系数分别为0.888 2、0.908 4和0.847 4;水稻叶反射光谱与土壤作物分析仪SPAD(Soil-plant analysis development,SPAD)测试值相比,相关性系数为0.901 6;激光诱导击穿光谱获得的土壤钾谱线强度与火焰光度法钾测试结果相关系数为0.808 5。应用"3414"试验方案研究了玉米氮磷钾养分丰缺指标,建立了土壤养分和目标产量之间的关系式,为作物养分管理提出了一种解决方案。     

激光诱导击穿光谱分析新鲜桔叶重金属元素铬

为使激光诱导击穿光谱技术(LIBS)能实际应用于环境污染相关的领域,选择新鲜桔叶片样品作初步实验研究。该实验用纳秒级Nd:YAG激光器(波长:1 064 nm)为光源,在实验室自然大气环境下诱导新鲜桔叶片产生等离子体,研究了延时时间和激光能量对新鲜桔叶片中铬元素激光诱导击穿光谱特性的影响,综合评价其信背比和信号强度得到了相应的最佳检测条件:最佳延时1.6μs,最佳激光能量120 mJ。建立了Cr元素的定标曲线,并且定量分析了在最佳实验条件下样品中铬元素浓度。结果表明Cr元素浓度在50～800μg/mL范围内,Cr元素含量和光谱相对强度之间有较好的线性关系。实验也表明LIBS技术是一种快速检测新鲜植物叶片中重金属元素含量的有效工具。     

基于激光诱导击穿光谱法测定红枣果实中的矿质元素含量

为了找到一种对农产品中矿质元素进行快速鉴定的物理方法,利用激光诱导击穿光谱分析法对产自山西省太谷县的3个品种红枣果实中的矿质元素Ca、Fe、Na含量进行了测定.结果表明,不同品种红枣果肉中的矿质元素含量之间差异不显著,但同一品种中Fe元素的含量要明显高于Ca和Na元素的含量.激光诱导击穿光谱技术作为一种快速的检测手段可以应用于农产品的矿质营养元素检测.     

基于SD-SVD-Burg的玉米叶片铜铅污染甄别与程度诊断

为研究一种快速甄别作物受重金属污染的元素类别和所受污染程度的方法,于2017年设置不同梯度铜(Cu)、铅(Pb)胁迫下的玉米盆栽实验,对玉米的紫谷、绿峰和红边3个光谱特征区间的高光谱数据进行光谱一阶微分和奇异值分解处理,并结合Burg算法绘制功率谱密度曲线,同时利用2014年采集的光谱数据作为验证组检验该模型的稳定性。结果表明:健康玉米叶片与不同浓度Cu、Pb胁迫下玉米叶片光谱信号的功率谱密度曲线的波峰数及波峰坡度均不相同。功率谱曲线平均功率和玉米叶片中Cu、Pb含量的相关系数最高可达0.9958,证明该方法在对玉米进行污染元素种类辨别和污染程度诊断方面具有可行性,不同年份Cu与Pb胁迫下绿峰功率谱曲线平均功率与玉米叶片中Cu、Pb含量的相关系数分别为0.9213和0.9915,进一步验证该算法在玉米Cu、Pb污染诊断方面具有稳定性与普适性。     

基于激光诱导击穿光谱和偏最小二乘法的脐橙中铜含量预测研究

为研究激光诱导击穿光谱检测水果中重金属元素的应用,将激光诱导击穿光谱技术和化学计量学相结合分析脐橙中铜元素的含量。通过偏最小二乘法(PLS)、区间偏最小二乘法(i PLS)、联合区间偏最小二乘法(siPLS)优化建模区域,建立了经过标准正态变换(SNV)校正后光谱的铜含量分析模型。实验结果表明,后两种改进的偏最小二乘法建立的预测效果模型明显优于全波长(320~340 nm)PLS模型,并且当采用si PLS将光谱划分为25个子区间划分,选择其中5、14、16、22四个子区间时建立的si PLS模型效果最佳,其校正集相关系数r和交互验证误差(RMSEC)分别为0.988 3和5.61μg/g,预测集相关系数r和预测均方根误差(RMSEP)分别为0.979 2和8.62μg/g。研究为进一步实现水果中痕量重金属元素的快速定量分析提供了方法和数据参考。     

果蔗地土壤中铬、铜和锌含量特征研究

利用微波消解-火焰原子吸收光谱法测定果蔗地土壤中的铬、铜和锌含量,验证检测方法的检出限、准确度与精密度,并对果蔗地土壤中Cr、Cu和Zn的污染状况进行评价。结果表明:果蔗地土壤中Cr的含量为22.8~100.8 mg·kg~(-1),平均值为54.5mg·kg~(-1);Cu的含量为22.6~41.2 mg·kg~(-1),平均值为29.8 mg·kg~(-1);Zn的含量为48.6~184.6 mg·kg~(-1),平均值为107.4 mg·kg~(-1)。Cr和Zn元素在土壤中变异系数较大,而Cu元素在土壤中变异系数较小。频数分布图显示,土壤中Cr不符合正态分布,Cr含量大多在27.0~86.0 mg·kg~(-1),土壤中Cu和Zn含量基本符合正态分布,Cu含量大多在23.0~39.0 mg·kg~(-1),Zn含量大多在60.0~170.0 mg·kg~(-1)。以土壤环境质量标准中的二级标准值为评价依据,果蔗地土壤Cr、Cu和Zn元素均无污染,但果蔗地土壤Zn含量最大污染指数为0.92,该土壤已接近轻度污染的边缘,需要引起管理者和生产者的注意。     

集成ICCD光谱仪LIBS检测奶粉中Cr元素的定量分析研究

以提高激光诱导击穿光谱(LIBS)检测奶粉中重金属Cr元素精确性为研究目的,采用集成ICCD光谱仪的LIBS系统对奶粉样品中等离子体信号进行采集。为了减小检测误差,首先用洛伦兹(Lorentz)拟合对光谱谱线轮廓进行预处理,提取光谱净强度值。在相同的试验条件下,以Cr I 425.43 nm作为分析线、Ca I 422.67 nm作为内标线,分别采用外标法和内标法对奶粉中的Cr元素进行了定量分析,两种定标曲线的线性系数分别为0.946 52和0.991。实验结果表明,选取奶粉中基体元素Ca作为内标物质能有效提高定标曲线的拟合效果,减少误差,为将来采用内标法建模应用于便携式LIBS技术检测食品提供了参考。     

应用激光诱导击穿光谱定量分析脐橙中的金属元素

为了探讨水果中金属元素的实时快速检测方法,运用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对烘干的脐橙橙皮和橙肉中的金属元素Cu、Ni、Ti、Sr、Ba、Cr进行定量分析.采用1 064 nm的Nd:YAG调Q脉冲激光发生器,在同等条件下烧灼脐橙橙皮和橙肉,利用八通道光纤光谱仪对特定波长范围的光谱波段进行鉴别分析,比较烘干橙皮和橙...     

铜离子与铜镉离子复合污染对稻田土壤酶活性的影响研究

通过对Cu2+单一处理和铜镉复合处理条件下土壤酶活性的对比分析,研究了铜镉元素对土壤酶毒性的不同复合效应以及稻田土壤重金属污染状况与土壤酶活性的相互关系.研究结果表明,重金属复合污染不仅与单一元素污染的生物学效应不同,而且对土壤酶活性的影响也更为复杂.Cu2+单一污染对稻田土壤酶的抑制效应顺序为磷酸酶＞脲酶＞过氧化氢酶,与铜镉复合污染的抑制效应顺序脲酶＞磷酸酶＞过氧化氢酶不同.脲酶和磷酸酶对铜镉污染反应敏感,其活性与Cu2+浓度和铜镉复合浓度均呈显著负相关.铜镉复合污染对脲酶表现出协同抑制的特征;对过氧化氢酶和磷酸酶的毒性表现出不同程度的拮抗作用.建议综合脲酶和磷酸酶活性作为评价和预测稻田土壤铜镉污染的生物学指标.     

溶解性有机物对土壤中铜生物有效性的影响

采用盆栽试验,研究了模拟铜污染土壤中溶解性有机物(DOM)对红壤、褐土和黑土3种不同类型土壤中小油菜(Brassia campestris)的生长及对Cu生物有效性的影响.结果表明,随着DOM的加入,黑土和红壤中小油菜的出苗率均有所下降,尤其是当DOM添加量大于100 mgC·kg-1时,红壤中小油菜出苗率显著降低(P＜0.05),而对褐士的出苗率影响不大;供试3种土壤中小油菜生物量均呈先上升后下降的趋势,其在DOM添加量为50 mgC·kg-1时生物量达到最大,但比较而言,3种土壤中小油菜生物量由大至小的顺序为:黑土＞褐土＞红壤;随着土壤中添加DOM浓度的升高,小油菜植株体内铜浓度大致呈现不断增加的趋势,且3种土壤中植株体内的铜浓度均在DOM添加量为200 mgC·kg-1时达最高值,与对照处理及添加量为50 mgC·kg-1处理间差异显著(P＜0.05);土壤中有效态Cu含量则随DOM量的增加呈不断升高趋势,3种供试土壤有效态Cu含量以红壤最高,当DOM添加量为0～100 mgC·kg-1时,褐土中有效态铜含量高于黑土;而当DOM添加量为150～200 mgC·kg-1时,黑土中的有效态铜含量却高于褐土.这表明随着外源性DOM进入土壤,可导致土壤中Cu的生物有效性不断发生变化,从而直接影响作物的生长以及作物对Cu的吸收.     

青霉菌A1对土壤中Cu2+化学形态的影响

从一铜矿尾矿土壤中分离得到的高抗重金属盐青霉菌A1,对各重金属盐的最高抗性能力分别为Cu2 150 mmol·L-1、Zn2 150 mmol·L-1、Pb2 35 mmol·L-1、Ni2 15 mmol·L-1、Cr6 5 mmol·L-1、Cd2 5 mmol·L-1.该青霉菌的生长可以增加培养液的酸性.采用室内培养方法,研究了A1对土壤中Cu2 化学形态的影响.结果表明,A1的侵染使每千克土壤中水可溶态铜降低3.8 mg,酸提取态、氧化结合态、有机结合态铜分别增加6.1、7.07、7.28 mg;相比于未侵染A1的情况,铜的水可溶性量降低了23.3%,酸提取态增加3.1%,氧化结合态增加5.7%,有机结合态增加7.9%,残余态减少5.3%.因此,青霉菌A1可有效地改变土壤中Cu2 的化学存在形态,影响铜的生物有效性.     

蔬菜中Ca含量的LIBS快速检测研究

蔬菜中矿质元素含量是评价其质量安全的一项重要指标。为了实现对蔬菜中矿质元素的快速检测,采用激光诱导击穿光谱(LIBS)装置对国家标准成分蔬菜样品中的Ca元素进行分析,获取样品的LIBS图谱,并分别建立样品Ca元素真实浓度与其LIBS特征谱线Ca II 315.887和Ca II 317.933强度之间的关联模型。结果表明,LIBS能清晰探测出样品中高浓度的元素;但对于低浓度的重金属元素,检测灵敏度达不到要求。可以看出,Ca元素定量分析模型线性相关性较好;对于高浓度的叶菜类蔬菜,Ca元素含量的预测准确度较高;但对于低浓度的根茎类和果实类蔬菜,模型预测准确度较差。该试验说明,LIBS用于检测具有复杂基体的蔬菜样品时,对元素的检测效果较好,是否单纯检测某类别(比如叶菜类)的蔬菜样品受基体效应的影响更小,从而提高检测精度,有待于进一步研究。