LIBS技术用于研究玉米籽粒茎叶及根系土中重金属元素的特征

随着农业生产的发展，由重金属带来的土壤和农作物污染问题日益严重。重金属在农作物中的含量过高势必影响人类的身体健康。玉米是我国平原地区重要的粮食作物。查明玉米籽粒、茎叶、根系及其生存环境土壤中重金属的含量分布特征具有重要的意义。本文以太原盆地为例，研究玉米重金属的含量分布特征。

常用的重金属测量方法很多，例如原子吸收光谱法AAS，电感耦合等离子体质谱法ICP-MS等。这些传统方法虽然结果较为理想，但是需要长时间和复杂的前处理过程，样品也不能重复使用，污染较大，有腐蚀，对操作人员要求也很高。因此急需一种快速，微损，无污染，可以实时检测元素的方法。激光诱导击穿光谱（LIBS）技术是一种新兴的元素检测和分析技术。当激光作用于样品表面时，在极短的时间内诱导产生含有样品物质信息的等离子体。通过对等离子体发出的光谱进行收集分析，建立光谱与元素一一对应的关系。由此可以检测出元素周期表中的大部分元素。

样品为来自太原盆地的100件玉米。针对玉米样品进行了20-100mJ不同激光能量的测试，在100mJ下所得到的结果的信噪比最佳。因此选用100mJ为激光的实验参数。通过对延迟时间的调整可以得到更强的信号，通过测试原子谱线及离子谱线在检测时间靠前的时候信号最好，我们选择0.5μs作为我们实验的参数。激光光斑选择为100μm。左下图为铅（Pb）元素的特征光谱谱线，可以看出，Pb元素的元素信息明显。右下图为Pb元素的定标曲线，选择的是6个标样，拟合的相关系数可达0.976，拟合结果较理想。用此方法可以同理测量As，Cd，Hg等其他重金属元素。

通过实验得到如下结论。首先看玉米籽粒中重金属元素的含量特征。所有样品中，只有两件来自晋源的样品超过绿色食品标准，一件是无害食品，一件是有害食品，其余均符合绿色食品标准。玉米籽粒中Cd含量最大值出现在晋中地区。平遥地区部分玉米籽粒Hg含量超过绿色食品标准，但仍属于无公害食品。

玉米植株的生长过程中会吸收部分重金属元素，这些重金属元素在根、茎、叶、籽粒中含量及分布特征不尽相同。几种重金属元素的分布特征如下。在玉米中重金属元素的含量总体上根茎叶含量>籽实含量。在晋中和平遥地区Pb的含量根>叶>茎>籽，玉米中Cd的含量根>叶>茎>籽。研究了玉米重金属的主要分布特征，发现其重金属元素主要分布在叶和茎中，说明玉米中相当一部分重金属元素可能来自大气干湿沉降。 

根系土是玉米根系周围的土壤，采集了样品周围的根系土进行分析。晋源、晋中等地各有一个土壤样品As元素超过二级土壤标准。其他样地达到一级土壤标准。Hg的含量均低于土壤二级标准。所有土壤样品的Pb含量均低于三级土壤标准。总体来看，土壤中95%属于一级土壤标准，仅有5%属于二级土壤标准。

实验装置我们可以采用EcoChem 激光光谱元素分析系统，该系统采用LIBS技术。激光能量200mJ@1064nm，能量输出0-100%可调；重现率20Hz；光斑大小20-200μm连续可调；检测器谱宽190-1040nm；三维全自动工作台；样品室可通入氦气或氩气。