重金属污染一直影响着人们的健康生活, 如镉, 铅和铜等的污染, 故而土壤重金属的快速检测和如何预防, 一直受各国学者关注和研究。 传统土壤重金属检测方法(如原子吸收光谱法、 X荧光光谱法等)样品预处理复杂, 分析成本较高, 易形成样品的二次污染, 不能满足快速分析的要求。 激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种典型的原子发射光谱, 它是基于分析物质中原子和离子受激发而发射的特征谱线信息, 进而研究物质成分的分析方法。 LIBS技术能够快速检测任何状态(固、 液和气态)物质元素的成分和含量, 被看作是未来化学检测和快速绿色分析领域的新兴技术。 LIBS技术具有对样本简单预处理(或不需要处理)、 多元素同步分析、 远距离测量、 适用性广等优势, 被广泛用于生活生产的各个领域, 已成为近年来国内外学者广泛关注和研究的热点之一。 在农业信息快速感知的大背景下, 以激光诱导击穿光谱技术为技术手段, 以土壤重金属铅元素为研究对象, 运用理论分析和数学建模相结合, 建立了多种基于单变量定标曲线的土壤重金属铅检测模型, 并进行了模型验证。 自制15个已知的铅元素浓度梯度的谱线土壤样本, 在获取了土壤LIBS数据之后, 对其进行预处理对比, 建立了基于谱峰强度、 谱峰积分、 洛伦兹拟合强度三种定标曲线模型, 对土壤中铅元素含量进行定量分析, 得出基于三种定标曲线模型对土壤中铅元素含量的预测决定系数R2分别为0.918 0, 0.910 1和0.914 3, 三种定标曲线分析方法的预测结果都较好, 说明了LIBS结合单变量定标曲线法对土壤中铅含量的检测可靠性高。 最后选取部分样本数据进行验证, 结果较好。 研究结果为研发便携式农田土壤污染物检测技术与装备提供技术支撑, 也为农田精准管理和科学施肥奠定基础。

采用飞秒激光成丝-纳秒脉冲激光诱导击穿光谱技术(Filament-ns DP-LIBS)对土壤中重金属铅元素进行了定量分析。利用飞秒激光等离子体丝烧蚀含铅土壤样品, 向外喷射低密度的土壤粒子源, 经脉冲间隔Δt后, 纳秒脉冲激光再烧蚀低密度土壤粒子, 实现等离子体发射光谱强度增强, 谱线宽度压缩, 降低土壤中重金属铅元素的最小检测限。实验结果表明, 相比飞秒激光等离子体丝诱导击穿光谱技术(FIBS), 在飞秒-纳秒脉冲间隔Δt=10 μs条件时, PbI405.78 nm光谱增强因子为9.66, 谱线宽度从3.66×10-10m压缩至2.74×10-10m, 提高了LIBS光谱分辨率。FIBS和Filament-ns DP-LIBS条件下定标曲线的线性相关系数R2分别为0.982和0.994。FIBS条件下的RSD和LOD值分别为7.37%和65.86 mg/kg, Filament-ns DP-LIBS条件下的RSD和LOD值分别为3.27%和24.39 mg/kg。研究结果表明, Filament-ns DP-LIBS技术可以降低土壤重金属的最小检测限, 提高LIBS的检测灵敏度。