激光誘導擊穿光譜(LIBS)法微損快速檢測黨參中Pb

陳富強 方 麗 馬明俊 韓守爐,4 時 晨,5 趙南京

(1.中國科學技術大學 環境科學與光電技術學院,合肥 230026;2.中國科學院 合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所,中國科學院 環境光學與技術重點實驗室,合肥 230031;3.安徽省環境光學監測技術重點實驗室,合肥 230031;4.合肥學院 生物食品與環境學院,合肥 230601;5.安徽大學 物質科學與信息技術研究院,合肥 230601)

中藥是中國傳統文化的瑰寶,中國人對中藥材的探索和研究已經有幾千年歷史。近年來,中藥材行業發展欣欣向榮的同時,中藥材重金屬污染問題也受到了社會的廣泛關注。因此,中藥材重金屬污染檢測對中藥材監管及人們健康具有重要意義[1]。

與原子吸收光譜法(AAS)、電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)、原子發射光譜法(AES)、高效液相色譜法(HPLC)等方法相比,激光誘導擊穿光譜(LIBS)技術在重金屬檢測方面具有樣品制備簡單、檢測快速、多元素同時檢測、無二次污染,對實驗環境要求不高,在惡劣條件下也能檢測等獨特的優勢[2-3]。近年來,LIBS技術在中藥重金屬檢測方面有較多研究報道。張惠忠等[4]定性分析了待測樣品預處理前后山藥鐵元素光譜的變化,結果表明,研磨和壓片后鐵LIBS強度有所提高。孫仲謀等[5]定性分析了模擬大氣濕沉降重金屬污染下新鮮洋蔥中重金屬Pb,在不同濃度梯度乙酸鉛溶液中浸泡的新鮮洋蔥中都檢測出Pb,其LIBS強度與溶液濃度成比例,證明LIBS是檢測新鮮蔬菜的有效手段。上述研究對樣品進行定性分析,僅對樣品進行了簡單的預處理,沒有研磨和壓片。然而,對于定量分析而言,樣品的研磨壓片通常是必不可少的。在檢測中藥和其他天然樣品時,由于通常沒有可用基質相似的定標樣品,需要制備參考定標樣品。現有做法是向待測樣品中添加標準元素,這不可避免地需要對樣品進行研磨和壓片。張旭等[6]建立了海帶樣品中Cr與其LIBS光譜強度之間的定標曲線,線性相關系數0.990 3,雖然未對樣品研磨壓片,實現無損分析,但是其建立的定標曲線橫坐標是浸泡溶液的濃度,而非海帶重金屬含量。李占峰等[7]以黃連、附片、茯苓作為檢測對象,經過研磨、篩分、壓片的預處理并向其中加入不同梯度銅元素,根據不同的基體情況選擇內標參量進行定量分析,結果較直接定標,內標法精確度有所提高。楊富春[8]將當歸和黃岑粉碎、過篩、壓成圓片制備了兩種中藥材標準樣品,通過繪制標準曲線計算了Cu在兩種中藥中的檢出限分別為5.55和4.88 mg/kg。趙上勇等[9]以人參為檢測對象,將人參研磨后加入硝酸鉛和氧化鉻水溶液攪拌均勻后烘干,經過研磨壓片處理,對人參中摻雜的Pb和Cr元素進行LIBS定量分析,得到得定標曲線線性擬合系數R2值分別為0.981和0.986。

在中藥材重金屬檢測方面,由于缺乏與待測樣基質相似的標準樣品,通常需要對樣品進行研磨壓片,這種樣品預處理方法相對樣品消解雖然已經簡化,但改變了樣品的物理性質,且不能滿足中藥材大宗品種、大批量的檢測需求,如果能進一步簡化樣品預處理,保持樣品物理狀態,滿足檢測需求的同時,將會更加凸顯LIBS快速檢測的優勢。黨參是一種藥用價值豐富的常見傳統中藥材,在生長和加工等過程中可能會被重金屬元素污染。本文選擇黨參切片樣品及Pb為研究對象,與實驗室標準方法(ICP-MS)結合,制備參考定標樣品并建立定標曲線,實現對待測黨參樣品中Pb含量的微損快速檢測。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

中藥材重金屬LIBS檢測平臺如圖1所示,采用激光波長為1 064 nm的Nd:YAG脈沖激光器(Ultra-100,BIGSKY)作為光源,重復頻率1 Hz、脈沖寬度5 ns、最大脈沖能量100 mJ。激光光束通過焦距為100 mm的透鏡聚焦于樣品表面。樣品放置于二維移動平臺(Zolix,PSA150-11-X Shanghai,China),激光燒蝕樣品后產生等離子體,通過光纖傳輸到光譜儀(AvaSpec-USB2,Avantes)。CCD探測器探測范圍為200～500 nm,分辨率為0.08～0.12 nm,光譜儀收集數據傳輸到計算機進行顯示和分析。

圖1 中藥材重金屬LIBS檢測系統示意圖Figure 1 Schematic diagram of LIBS detection system for heavy metals in traditional Chinese medicinal materials.

采用微波消解儀(XT-mul,上海新拓儀器科技有限公司)對樣品進行消解預處理,采用電感耦合等離子體質譜儀(iCAP RQ,Thermo Fisher)檢測參考定標樣品中Pb含量。

1.2 樣品制備

不同Pb濃度黨參樣品采用浸泡法獲取。浸泡溶液使用硝酸鉛固體配制,稱取0.023 8 g硝酸鉛晶體,溶解在100 mL的容量瓶中,Pb濃度為148.89 mg/L,作為儲備液,依次稀釋成10個梯度的Pb浸泡液,用來浸泡黨參切片樣品,用去離子水作為對照,共計11個浸泡液,Pb濃度分別為0、2.7、8.11、13.51、27.03、40.54、54.05、67.56、81.08、94.59和108.10 mg/L。

實驗所用黨參樣品購于合肥市某中藥店。依次用自來水和去離子水洗凈后,橫向切成厚度均為5 mm的薄片,如圖2所示,共計67個黨參切片樣品,分別浸泡在11個浸泡液中,1 d后取出,置于吸水紙上,于烘箱中45 ℃烘干后取出。將所有樣品隨機分為三份:

圖2 黨參切片樣品Figure 2 Sample of sliced Codonopsis pilosula.

A樣(38個),用于消解后ICP-MS檢測,獲取Pb真實濃度值,建立定標曲線。

B樣(10個),作為參考定標樣品,以建立的定標曲線反演B樣Pb濃度,即得到Pb含量已知的定標樣品,該定標樣品與待測樣物理形態一致,且由于LIBS檢測對樣品幾乎無破壞,可妥善保存B樣,重復用于LIBS標定。

C樣(19個),作為待測樣,驗證參考定標樣品定量反演的準確性。

1.3 樣品檢測

對A樣和B樣進行LIBS檢測,每個樣品在不同位置測量20個激光脈沖,取平均值作為結果。激光能量為100 mJ,延時為1.28 μs,門寬為1.05 ms。

獲取A樣和B樣LIBS光譜后,對A樣進行消解,利用ICP-MS檢測Pb含量,制作定標曲線,從而反演B樣所有黨參樣品中Pb濃度,將這些樣品妥善保存,作為后續檢測待測樣的參考定標樣品。消解流程為:依次準確稱取每個黨參切片樣品于微波消解罐中,記錄實際質量,加入5 mL 65%的HNO3,靜置過夜,上機消解,消解程序參照文獻[2]。消解液趕酸后用2%稀HNO3定容至50 mL,待ICP-MS檢測。

Pb檢出限(LOD)以低濃度樣品連續檢測20次,按照公式(1)計算。式中,σ為Pb 20次檢測結果的標準偏差。

LOD=3σ

(1)

2 結果與討論

2.1 黨參LIBS光譜定性分析

分析未浸泡的黨參切片樣品LIBS光譜圖,在200～500 nm波長范圍內,檢測到C、Fe、Ti、Ca、Al、Mg、Si、K、P、Mn、Sr等元素,如圖3所示。

圖3 黨參部分主要元素光譜Figure 3 Spectra of main elements in Codonopsis pilosula.

不同濃度Pb浸泡的黨參LIBS原始光譜如圖4所示,結合NIST原子光譜數據庫中Pb,Pb I 405.78 nm譜線靈敏度高且受周圍其他元素譜線影響小,因此選擇其作為特征分析線。

圖4 不同濃度Pb黨參LIBS光譜Figure 4 LIBS spectrum of Codonopsis pilosula with different concentrations of Pb.

2.2 定標曲線建立

黨參為自然生長的植物,切片樣品具有組織不均勻性,浸泡在同一Pb溶液中的不同切片,對Pb吸收存在差異。因此首先根據Pb LIBS光譜強度對所有樣品進行排序,結果如圖5所示。從不同強度段共取38個樣品消解,建立定標曲線,如圖6所示,橫坐標為ICP-MS檢測Pb結果,縱坐標為Pb LIBS強度,二者線性相關系數R2為0.7918。根據公式(1)計算得到Pb檢出限為24.6 mg/kg。

圖5 黨參樣品Pb排序圖Figure 5 Sorting chart of Pb inCodonopsis pilosula samples.

圖6 Pb定標曲線Figure 6 Pb calibration curve.

從上述定量分析的文獻中可知,研磨壓片制樣法獲取的定標曲線,線性相關系數R2通常能夠達到0.95以上,與之相比,本文微損檢測得到的定標曲線相關性略顯不足,原因在于以黨參切片樣品為檢測對象,Pb在樣品中分布受樣品生長紋理等影響,存在微區不均勻性,且切片樣品烘干后,表面平整度下降,導致定標曲線相關系數R2僅為0.791 8。

以該定標曲線反演B樣中Pb含量,結果如表3所示,B樣作為與待測黨參樣品基質完全相似,物理性質完全一致的參考標準樣品,可基于外標法,對待測黨參樣品實現微損快速檢測,且可多次重復利用。相比化學計量學方法,外標法不受實驗參數限制、不存在遷移性差、魯棒性差的問題,少數樣品即可對大量待測樣定量反演。

表3 參考定標樣品Pb含量

2.3 待測樣Pb微損檢測

LIBS檢測待測樣C樣中Pb時,同時檢測參考定標樣品B樣,獲取B樣和C樣Pb LIBS光譜強度,以B樣已知的Pb含量及LIBS光譜強度建立定標曲線,如圖7所示。

圖7 Pb微損檢測定標曲線Figure 7 Calibration curve of Pb for microdamage detection.

根據圖7微損檢測的定標曲線,反演C樣中黨參中Pb,再利用ICP-MS檢測C樣中Pb真實含量,驗證LIBS檢測準確性。結果待測樣LIBS檢測濃度與ICP-MS濃度對比及相對誤差如圖8所示,LIBS與ICP-MS檢測結果線性相關系數R2為0.795 7,平均相對誤差為3.74%,均方根誤差RMSEP為44.66 mg/kg。數據均采用外標法建立模型,相比于最小二乘等算法需大量樣品建模,外標法具有建模所需樣品量少的優點,可用少量的定標樣品檢測大量待測樣[10]。

圖8 待測樣品LIBS檢測濃度與ICP-MS檢測濃度對比Figure 8 Comparison of LIBS concentration and ICP-MS concentration of the sample to be tested.

3 結論與展望

初步建立了黨參中Pb LIBS微損檢測定標方法,通過制備與待測樣基質一致的參考定標樣品,實現黨參切片樣品微損檢測,制備的參考定標樣品可多次重復用于待測樣檢測、儀器標定等。建立的Pb微損定標曲線線性相關系數R2為0.795 7,對19個待測樣品檢測結果的平均相對誤差為3.74%,能夠滿足現場快速檢測需求。該方法無需對樣品進行研磨、壓片等預處理,更加凸顯LIBS技術的優勢,可為大批量樣品快速檢測提供新方法,下一步將在多元素同時定標、提升檢測靈敏度與定標曲線相關性方面繼續開展研究。