LIBS技术针对沉积物中重金属Zn元素的测量与研究

随着经济的发展，海洋、河流污染日益严重，运输、采矿等工业排污等活动造成了水体污染，水中的金属污染不断加重，经过一定后污染物最终进入沉积物中。沉积物是判断海洋、河流重金属污染程度的重要窗口。因此进行沉积物中重金属元素的快速检测和研究意义重大。

常用于沉积物中重金属测量的方法很多，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。我们以锌（Zn）元素为例研究其快速检测手段及评价方法。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。

实验样品来源于六个不同流域地点的沉积物。其特点为颗粒大小不一，杂质众多，含水率较高。其中主要金属元素包括Ca，Fe，Mn等。将样品分为两份，其中一份采用AAS方法进行检测。另一份样品进行干燥、过筛、混匀混合后压片处理，压力20吨，保压时间3分钟，样品压片直径11毫米。

     沉积物主要元素光谱图           沉积物样品      Zn的谱线强度随烘干时间的变化曲线

通过查询ElementLIBS元素识别数据库，Zn元素的特征峰为468.01nm，我们确定这里为分析位置，见左上图。中间的图示为现场取样的情况。沉积物中水分的存在会大大降低激光剥蚀效率，进而影响信号强度。而长时间的烘干操作又会耽误时间，影响实验的快速性。为此，我们进行了实验，见右上图所示。烘干时间低于12分钟时，光谱信号的强度迅速增加，但是到了12分钟后，随烘干的进行，强度的变化已经不明显了。因此，我们选择12分钟为样品的烘干时间。

通过PLS偏最小二乘法定标模型得到的Zn元素定标曲线，相关系数可达0.998。实验证明这一多变量模型比较适合土壤、沉积物等样品的定标，它可以很好的消除由于样品组分较为复杂而产生的基体效应导致的误差。见左下图。

实验装置我们采用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。

本实验利用EcoChem激光光谱元素分析系统，采用激光诱导击穿光谱（LIBS）技术检测沉积物中的重金属锌元素，确定了锌元素的特征峰，确定了样品烘干的时间，提高了工作效率，利用PLS多变量模型定标计算了含量，结果较为理想。随着这一技术的发展，今后必将成为新一代沉积物、土壤速测的工具。