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实验装置由激光器、光纤光谱仪、3维位移台、光学器件、计算机等组成,如图 1所示。激光光源采用的是自制ArF准分子脉冲激光器,激光器工作波长为193nm,重复频率1Hz~20Hz,脉宽20ns,最大能量为160mJ。该激光器可通过设置放电电压改变激光输出能量,支持TTL电平外触发。准分子激光拥有波长短、光子能量大、热效应小等[19]优点,应用于LIBS检测能够有效地减少自吸收、降低分馏效应等。通过直径为5mm的光阑选取激光光斑作为入射激光,激光光束经过焦距为49mm的紫外聚焦物镜(ThorLabs,LMU-3X-193)对光斑进行聚焦成像,光斑直径约为300μm,能量密度为6J/cm2~15J/cm2。入射到食盐样品表面,激发产生等离子体,通过焦距为20mm的透镜将激发产生的光谱信号耦合至光纤探头中,传至八通道光纤光谱仪(Avantes,AVS-RACKMOUNT-USB2)进行光谱信号的采集。光谱仪测量范围320nm~1070nm,分辨率为0.06nm~0.13nm,积分时间最短为1.05ms,本实验中采用2ms积分时间。本系统采用光谱仪触发激光器的工作方式。为避免激光对同一点进行多次采集,将样品摆放在3维位移台上(ZoLix,MC600),光谱采集过程中样品在x-y平面以500μm/s的速率进行移动。
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实验中所用食盐为合肥地区市售食盐(中盐,精制食用盐),使用电子天平称取8份等量食盐,每份5g。使用氯化镉分析纯(国药集团,CdCl2·2.5H2O,纯度不小于99.0%)配置Cd浓度为1mg/mL的标准溶液。向食盐中分别加入不同量的标准溶液,制备出镉元素质量分数不同的食盐样品。添加去离子水使其混合均匀,将其自然风干,研磨之后各取3g样品,利用压片机在25MPa的压强下保持10min,将食盐样品压制成直径为25mm,厚3mm的圆片,将食盐样品圆片按照Cd元素的质量分数编号,如表 1所示。
No. salt weight/g weight ofthe added Cd/mg mass fraction of Cd 1 5 0.2 40×10-6 2 5 0.4 80×10-6 3 5 0.8 160×10-6 4 5 1 200×10-6 5 5 1.5 300×10-6 6 5 2 400×10-6 7 5 3 600×10-6 8 5 5 1000×10-6 Table 1. Mass fraction of Cd in table salt
1.1. 实验装置
1.2. 样品制备
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实验中分别对Cd质量分数为表 1中的食盐样品圆片进行了LIBS实验,记录了食盐样品波长范围在190nm~330nm的光谱,对比含Cd和不含Cd食盐样品的光谱区别。如图 2所示,食盐中是否含有Cd可以通过Cd的特征谱线判断; 同时还发现食盐在该波段出现了Mg元素的特征峰,说明食盐中存在少量的Mg元素。实际上食盐中大部分的物质都是NaCl,但由于Na元素的发射谱线基本不在该波段,所以不会对Cd的判断产生干扰。根据美国NIST数据库可以得到,在该波段Cd的原子谱线Cd Ⅰ 228.8nm的发射相对强度最强(1500), 且周围不存在明显的干扰峰,故选择Cd Ⅰ 228.8nm作为分析谱线。由于添加的Cd量较少,该波段的其它特征峰没有出现。实验表明,随着Cd质量分数的增大,该波段的其它Cd特征峰会逐渐出现,例如Cd Ⅱ 214.44nm, Cd Ⅱ 226.5nm。本文中主要针对食盐中的低质量分数重金属残留检测,故选择Cd Ⅰ 228.8nm作为分析线较为合适。
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光谱采集延迟时间是LIBS技术中一项重要的参量,光谱强度和信背比(signal-to-background ratio, SBR)随着延迟时间的变化曲线图如图 3所示。Cd Ⅰ 228.8nm光谱强度随着延迟时间的增加一开始基本不变,延时1.4μs后开始急剧下降,基本符合等离子体光谱演化的过程。SBR表示的是光谱强度信号与背景噪声的比值,其中背景噪声选择的是没有特征峰的波长为231nm~232nm波段的光谱信号平均值,延时1.6μs时SBR最大为16.8。选择合适的延迟时间需要综合考虑光谱强度和SBR两者,选择延迟时间为1.5μs时,既能获得较高的光谱信号也能获得较高质量的SBR。
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根据等离子体发光机理,在同等条件下的LIBS检测中,Cd的特征光谱会随着样品中的Cd质量分数的增加而增加,其关系为:
式中,a是定量分析系数,与样品蒸发和激发过程有关实验系统参量;b为自吸收系数,通常b≤1,在待测元素质量分数较低时,自吸收不明显,b≈1;w为待测元素的质量分数。在相同的实验条件下,对自制的8组样品进行LIBS检测。积分时间为2ms,光谱采集延迟时间为1.5μs。实验时使用激光能量为6mJ,光斑直径约为300μm,能量密度约为8.5J/cm2。对8组样品进行LIBS检测时,每组样品采集8幅光谱图,每幅光谱是通过10点平均,共64幅光谱图。其中编号为1, 2, 4, 6, 7和8的食盐样品作为标定组,编号为3,5的食盐样品作为验证组。分别将光谱数据求平均、标准差、相对标准差值(relative standard deviation, RSD),如表 2所示。用标定组数据绘制Cd元素的定标曲线,如图 4所示。图 4中横坐标w表示Cd的质量分数;纵坐标表示的是Cd元素的特征峰(Cd Ⅰ 228.8nm)的光谱强度。同时加入各组样品光谱值的标准差作为误差棒。由图可知, 定标曲线的线性拟合度为0.984。
No. average standard deviation relative standard deviation/% calibration 1 259.9 40.3 15.5 2 322.6 44.4 13.8 4 441.6 45.0 10.2 6 585.9 24.9 4.3 7 750.8 45.9 6.1 8 1260.6 127.8 10.1 validation 3 366.2 43.5 11.9 5 506.6 47.6 9.4 Table 2. The average of spectrum(228.8nm)
利用拟合曲线对验证组数据对食盐样品中Cd质量分数的预测,其预测相对误差分别为6.98%和3.47%。说明该定标曲线对食盐中Cd的质量分数具有较好的分析效果,使用该定标曲线可实现对食盐样品中Cd元素的定量分析。根据检测限(limit of detection, LOD)计算公式[20]:
式中, σb为背景噪声的标准差,K为定标曲线的斜率。σb为本实验所得64幅光谱图中波长为231.0nm的空白处光谱强度计算得到的背景噪声标准差, σb=21.58%;由图 4可知定标曲线的斜率K=0.998。由公式可计算出该实验对食盐中的重金属Cd的检测限为0.65mg/kg。