LIBS在土壤重金属污染中的应用前景

撰稿人: 日期:2015-10-22 点击次数:3058

根据我国农业部进行的全国污灌区调查,在约140万公顷的污水灌区中, 遭受重金属污染的土地面积占污水灌区面积的64.8%,土壤重金属污染日益严重。土壤重金属污染具有污染物在土壤中移动性差、滞留时间长和不能被微生物降解的特点, 并可经水和植物等介质最终影响人类健康、生存与发展。
目前, 常用的土壤重金属检测分析方法有:感应耦合氩气电浆原子发射光谱法( ICP-AES) 、感应耦合电浆质谱法( ICP-MS) 、火焰式原子吸收光谱法(FLAA) 、石墨炉式原子吸收光谱法( GFAA) 、氢化式原子吸收光谱法( HGAA) 、冷蒸气原子吸收光谱法( CVAA) 和分光光度计比色法等。
对于现有土壤重金属检测方法, 如要开展土壤质量现状调查评估、重金属污染土壤修复试验分析,则需进行大面积土壤采样。大量样品的收集和分析任务, 由于分析每个样品所需的实验室成本很高,且一次分析元素项目有限, 不仅花费了大量的人力、物力和财力,而且所需的分析时间较长。对于样品的采集、储存、运输及测定都有严格的要求,在任何一个环节上出现差错都会造成测量结果的偏离,且易形成样品的二次污染,不能快速、原位分析出污染土壤中重金属污染物的含量。
同其它土壤重金属污染检测方法相比, LIBS 技术具有实时、快速、现场和多组分同时检测的优势。上个世纪90 年代国际上就开展了不少如何利用LIBS 技术检测土壤重金属污染成分的研究。例如他们研究了不同土壤类型对重金属探测限的影响; 同一种重金属元素不同分析波长对定量化分析精度的影响; 不同定标元素对分析结果的影响等等。

RT100 智能LIBS系统采用的激光诱导击穿法技术(LIBS),被称为原子光谱法中的“超级巨星”,采用飞秒激光,在样品表面形成等离子体,光谱检测系统对等离子体的光谱进行分析,进而得到样品的元素组分和含量信息。它无需样品制备,数秒内可得到结果,高精度多元素同时检测。是具备野外应用潜力的土壤科学研究新技术。
RT100 智能 LIBS 系统采用激光诱导击穿光谱技术测量植被和土壤样品的元素含量,无需样品前处理,不用化学试剂,测量速度快。可测量C、N, P, K, Ca, Mg, S等常量元素;Fe, Cu, Mn, Zn, B., Mo, Ni, Cl等微量元素,以及H、O等轻元素和痕量元素多达70余种元素种类。
  
近年来广泛发表的一系列论文,从各个角度展示了科研工作者利用LIBS技术在分析土体和植物体元素的累积分布情况方面进行的研究。充分肯定了这项新技术在土壤污染修复中的应用。
1、题目:Mapping of lead, magnesium and copper accumulation in plant tissues by laser-induced breakdown spectroscopy and laser-ablation inductively coupled plasma mass spectrometry.(Spectrochimica Acta Part B 64 (2009) 67–73)
应用LIBS和LA-ICP-MS技术研究植物组织内铅、镁、铜元素的累积分布情况
单位:Institute of Physical Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, Brno University of Technology
布尔诺科技大学机械工程学院和物理工程学院
杂志:Spectrochimica Acta 2009年
《光谱化学学报》
摘要:激光诱导击穿光谱技术(LIBS)和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱技术(LA-ICP-MS)用于研究Pb、Mg、Cu三种金属元素在向日葵组织内的累积分布情况,并将所测结果与原子吸收分光光度计(AAS)和薄层色谱仪(TLC)测量的结果进行比较。结果表明,当对大面积样品进行多元素分布的快速分析时,基于激光剥蚀技术的LIBS方法和LA-ICP-MS方法可以完善,甚至完全取代AAS和TLC方法。

2、题目:激光诱导击穿光谱定量检测土壤微量重金属元素方法研究
单位:清华大学电子工程系
杂志:《光谱学与光谱分析》 2011年
摘要:在对激光诱导击穿光谱数据分析的基础上提出了一种可以用于元素定量分析的方法。该方法利用傅里叶分析的方法研究了光谱数据中的不同部分(白噪声、热辐射噪声和原子发射光谱),通过带通滤波实现发射光谱与大部分噪声的分离,得到仅含少量白噪声的发射光谱;通过计算待量化元素谱线与其对应单位强度特征谱线的相似度引入卷积强度来衡量待测谱线的强度。选取Cu 324.75nm作为分析线,Ti 337.28nm谱线作为参考线,采用上述方法对含微量Cu元素土壤样品进行了测量。实验结果显示:Cu元素含量和其卷积强度的线性系数达到0.997 9,计算得到土壤中Cu元素的检测限为44mg.kg-1,达到国家土壤环境质量标准规定的二级土壤中Cu含量要求,测量相对误差在10%以内,表明该方法能够满足土壤微量重金属检测简便、快速的要求。

3、题目:激光诱导击穿检测土壤微量铜元素污染研究
单位:清华大学电子工程系
杂志:《光谱学与光谱分析》2009年
摘要:理论分析激光诱导击穿光谱(LIBS)的特性,研究谱线信噪比随激光能量和样品属性变化的规律,对土壤样品中的微量Cu元素进行实验测量有重要意义。实验采用的烧蚀激光波长为1064nm,脉冲宽度约10ns,重复率为1Hz。实验证实背景热辐射和元素特征辐射具有不同的空间变化规律,通过在空间上将两者分离获得较高的信噪比。当激光脉冲能量为40mJ时,实验采用的土壤样品的最佳测量位置为距离火花中心0.75mm处,选取Cu324.75nm和Cu327.39nm作为分析线,对含微量Cu元素土壤样品进行测量。采用内标法对测量结果进行定量分析,得到土壤中Cu元素的检测限可达到67mg·kg-1,满足国家土壤环境质量标准规定的二级土壤中Cu含量的要求。实验结果表明选择最佳光谱测量位置的方法能够有效提高信噪比,满足土壤中微量Cu污染检测的需求。

4、题目:用激光诱导击穿光谱技术比较土豆和百合中的微量元素
单位:中国科学院近代物理研究所
杂志:《光谱学与光谱分析》2009年
摘要:激光诱导击穿光谱(LIBS)已成功地运用于固体、液体、气体样品中微量元素的测量以及微生物、细菌等的鉴别分析上,而在植物样品上面的应用则是一个较新的课题。该实验用纳秒Nd:YAG激光器击穿真空冻干的土豆、百合样品,用光纤光谱仪测量了其LIBS光谱。通过鉴别、分析LIBS光谱,得到了这两种样品中微量元素的成分。并且对土豆干和百合干中Ca,Na,K,Fe,Al,Mg六种金属元素典型谱线的强度进行了统计分析,并由此得到了样品中这六种微量元素含量的对比情况。实验结果表明土豆干中的Ca和Na等含量都明显高于百合干,而百合干中Mg的含量较高。实验结果还表明用LIBS技术检测、对比冻干植物样品中微量元素含量是一种快速、有效的分析方法。

6、题目:应用激光诱导击穿光谱检测污水溶液中的砷
单位:中南民族大学激光光谱实验室,华中科技大学煤燃烧国家重点实验室
杂志:《光谱学与光谱分析》2009年
摘要:工业冶炼过程中产生的废水中含有As等重金属元素,对环境造成污染并对人类身体健康形成危害,有必要对其进行实时、在线的监测。

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