基于激光烧蚀羽流的原子荧光光谱作物重金属和微量元素快速检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于激光烧蚀羽流的作物重金属和微量元素快速检测方法，包括：采用去离子水清洗作物样本，放置于样品台上；第一路激光经三倍频发生器形成355nm激光，光路升高后由样品台正上方聚焦击打样品表面，形成高密度羽流；第二路激光由样品上方击打高密度羽流，对原子进行激发；采集作物样本的原子光谱，根据待测的重金属和微量元素，从特征谱线中选取不存在自吸收和自反转且强度最高的四条谱线；以样本参考值作为输出，以谱线强度作为输入，建立多种多元回归模型，选取其中四个最优模型，建立综合模型；针对待检测作物样本，获取四条谱线强度输入综合模型，计算出作物重金属和微量元素的含量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及作物重金属和微量元素检测技术，尤其涉及一种。
技术介绍
重金属(镉、铬、铅、铜等)和微量元素(硅、铁、硼等)对作物生命活动具有重要影响。在重金属胁迫下，作物体内脯氨酸含量增加，光合作用和呼吸作用受到不同程度的抑制，作物减产甚至绝收。而微量元素与作物的生长状况以及产量密切相关。如Si能提高作物的抗病能力，促进生长；Fe则是植物体内多种酶的组成物质，缺Fe会导致失绿症。获取作物的重金属和微量元素信息有利于了解作物的生长状况，预估作物的产量，有利于根据作物的具体情况实现定量施肥和管理。目前，作物重金属和微量元素的检测方法主要有原子吸收光谱法(atomic absorpt1n spectrometry, AAS),电感稱合等离子体法(inductively coupled plasma atomic emiss1n spectrometry, ICP-0ES), X 身寸线突光法(X-ray fluorescence analysis,XRF)。然而,这些方法操作复杂、成本高,并且不能反映重金属和微量元素在植物表面的分布情况。近年来，备受关注迅速发展的激光诱导击穿光谱虽然能检测多种微量元素，但是信噪比较低，检出限不能满足作物某些重金属和微量元素的检测。 基于激光烧蚀羽流的激光激发原子突光技术(plume laser-excited atomicfluorescence,简称PLEAF)是一种新型的多元素分析检测技术。PLEAF能有效解决普通激光激发原子荧光技术单波长单跃迁的局限，实现样本(包括未知样本)多元素分析检测，具有检出限低、无样本预处理、快速等特点。2005年，Cheung等人首次提出PLEAF技术，并公开了一种简单的仪器装置。Cheung等人指出PLEAF技术是一种类似荧光光谱技术，并成功应用于金属合金、陶瓷、聚合物、颜料等检测。它的检出限是激光诱导击穿光谱几个量级，具有很高的信噪比。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于PLEAF对作物重金属和微量元素能实现样品快速、微损、多元素分析检测，具有调节简单、成本低等特点。 本专利技术所采用的具体技术方案如下: 一种，包括步骤: I)采用去离子水清洗作物样本，放置于样品台上； 2)第一路激光经三倍频发生器形成355nm激光，光路升高后由样品台正上方聚焦击打样品表面，形成高密度羽流；第二路激光由样品上方击打所述的高密度羽流，对原子进行激发； 3)激光能量趋于稳定时，采集作物样本的原子光谱，并通过样品台改变激光击打样品位置，得到样品不同位置的特征谱线；当完成所有点的光谱采集后，表面成像系统获取作物叶片的表面图像信息，并传输到计算机中； 4)更换不同作物的多个样本，重复步骤I)?步骤3)，得到不同样本的特征谱线； 5)根据待测的重金属和微量元素，从所述的特征谱线中选取不存在自吸收和自反转且强度最高的四条谱线，所选谱线的强度分别为Ip 12、13、I4 ； 6)以样本参考值作为输出V，以所述的谱线强度Ip 12、13、I4作为输入，建立多种多元回归模型，选取其中四个最优模型，并以这四个模型的预测结果Yp \、Y3、Y4作为输入，以样本参考值r作为输出建立综合模型；综合模型方程为:Y = mY1+nY2+jY3+kY4+l,m,n、j、k分别为该综合模型中YpY2、Y3、Y4对应的回归系数，I是该综合模型的常数； 7)针对待检测作物样本，重复步骤I)?步骤5)，获取四条谱线强度Ip 12、13、I4输入所述的综合模型，计算出作物重金属和微量元素的含量； 8)将步骤3)获得的作物叶片图像信息和步骤7)获得的元素含量信息在计算机中进行数据融合处理，获取作物叶片重金属和微量元素含量的分布图。 在步骤2)中，采用光路爬高系统将第一路激光光路升高，所述的光路爬高系统包括沿光路依次布置的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，所述第二反射镜位于第一反射镜的正上方，第三反射镜位于样品台的正上方。所述的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜均为三倍频Nd =YAG激光反射镜，355nm处的反射率在98%以上。 光路爬高系统主要用于抬升光路，并将沿水平方向激光转化为沿垂直方向传播。应用光路爬高系统能有效避免升高激光器位置导致激光不稳定的因素。激光从样品正上方击打样品表面，有利于羽流的有效激发，保证羽流均匀对称分布。由于第一激光器激光经过倍频发生器产生355nm波长激光，为减少激光能量在光路系统的损失，保证激光能量的有效利用率，第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜均为Nd =YAG三倍频激光反射镜，反射率大于98%。优选的，所述的样品台包括具有三自由度的位移台、活动安装在位移台上的升降板和滑动配合在位移台上的载物台，所述作物样本放置在载物台上； 所述升降板上设有透明的约束窗口，激光透过约束窗口后击打样品； 所述升降板的下方设有约束板，该约束板置于作物样本的正上方，约束板上分布有约束腔，该约束腔用于约束样品激发的高密度羽流，第二路激光由约束板上方2±0.5mm位置击打所述的高密度羽流。 样品台通过空间限制增强谱线强度，能对高密度羽流横向以及纵向进行约束，并根据不同的样本需求调节约束空间大小调节谱线强度，谱线强度增强范围为2-10倍。约束窗口主要用于对高密度羽流纵向进行约束，并对入射激光与高密度羽流产生的特征谱线具有较好的透射率。约束板主要用于对高密度羽流的横向进行约束，并使特征谱线进行约束传播，提高谱线收集效率和谱线强度。 其中，所述的升降板上设有透光口，该透光口处覆盖有透光板，所述透光口与透光板组成所述的约束窗口。透光板为有机玻璃板，选用材料为N-BK7，厚度为l_5mm，为保证激光有效激发和特征谱线的有效收集，透光板对激光波长和特征谱线的透过率应大于90%，同时，为防止激光对有机玻璃板造成损害，其能量阈值应大于lOJ/cm2。谱线增强效果受到约束窗口离样品距离的影响。由于样品性质和所要检测的元素谱线强度不同，本专利技术的约束窗口能在垂直方向进行移动，根据需要调节谱线强度。 约束板为镀铬的招板,厚度为I?3mm。在招板的约束腔内进行镀铬,使内腔具有较高的反射率，使特征谱线约束传播，提高谱线收集效率。约束腔采用圆锥形结构，由于其上小下大的结构，比起圆柱型的结构能更好得对高密度羽流进行约束。另外，当高密度羽流从圆锥形约束腔射出时，由于其空间约束加大，其电子密度与运动速度均会得到增强，因此更加有利于谱线信号的增强。 其中，所述的第一路激光对应的第一激光器为Nd:YAG固体脉冲激光器，激光能量300mJ，重复频率为1-1OHz ;所述的第二路激光对应的第二激光器为准分子激光器，激光能量为8mJ，重复频率为1-200HZ，波长为193nm。 激光器的波长是影响基于激光烧蚀羽流的原子荧光光谱技术效果的重要参数。研究表明，当采用355nm波长产生羽流并用193nm波长对原子进行荧光激发时，其谱线的信号最强。因此，本专利技术选用1064nm的固体脉冲激光器，经过三倍频发生器产生355nm激光，其成本也较低。另外，产生荧光激发的激光器为193nm的准分子激光器，能有效对羽流进行激发产生特征谱线。 优选的，所述的多元回归本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光烧蚀羽流的原子荧光光谱作物重金属和微量元素快速检测方法，其特征在于，包括步骤：1)采用去离子水清洗作物样本，放置于样品台上；2)第一路激光经三倍频发生器形成355nm激光，光路升高后由样品台正上方聚焦击打样品表面，形成高密度羽流；第二路激光由样品上方击打所述的高密度羽流，对原子进行激发；3)激光能量趋于稳定时，采集作物样本的原子光谱，并通过样品台改变激光击打样品位置，得到样品不同位置的特征谱线；当完成所有点的光谱采集后，表面成像系统获取作物叶片的表面图像信息，并传输到计算机中；4)更换不同作物的多个样本，重复步骤1)～步骤3)，得到不同样本的特征谱线；5)根据待测的重金属和微量元素，从所述的特征谱线中选取不存在自吸收和自反转且强度最高的四条谱线，所选谱线的强度分别为I1、I2、I3、I4；6)以样本参考值作为输出Y′，以所述的谱线强度I1、I2、I3、I4作为输入，建立多种多元回归模型，选取其中四个最优模型，并以这四个模型的预测结果Y1、Y2、Y3、Y4作为输入，以样本参考值Y′作为输出建立综合模型；综合模型方程为：Y＝mY1+nY2+jY3+kY4+l，m、n、j、k分别为该综合模型中Y1、Y2、Y3、Y4对应的回归系数，l是该综合模型的常数；7)针对待检测作物样本，重复步骤1)～步骤5)，获取四条谱线强度I1、I2、I3、I4输入所述的综合模型，计算出作物重金属和微量元素的含量；8)将步骤3)获得的作物叶片图像信息和步骤7)获得的元素含量信息在计算机中进行数据融合处理，获取作物叶片重金属和微量元素含量的分布图。...

【技术特征摘要】
1.一种基于激光烧蚀羽流的原子荧光光谱作物重金属和微量元素快速检测方法，其特征在于，包括步骤: 1)采用去离子水清洗作物样本，放置于样品台上； 2)第一路激光经三倍频发生器形成355nm激光，光路升高后由样品台正上方聚焦击打样品表面，形成高密度羽流；第二路激光由样品上方击打所述的高密度羽流，对原子进行激发； 3)激光能量趋于稳定时，采集作物样本的原子光谱，并通过样品台改变激光击打样品位置，得到样品不同位置的特征谱线；当完成所有点的光谱采集后，表面成像系统获取作物叶片的表面图像信息，并传输到计算机中； 4)更换不同作物的多个样本，重复步骤I)?步骤3)，得到不同样本的特征谱线； 5)根据待测的重金属和微量元素，从所述的特征谱线中选取不存在自吸收和自反转且强度最高的四条谱线，所选谱线的强度分别为1:、12、13、I4 ; 6)以样本参考值作为输出V，以所述的谱线强度Ip12、13、I4作为输入，建立多种多元回归模型，选取其中四个最优模型，并以这四个模型的预测结果1、Y2、Y3、Y4作为输入，以样本参考值V作为输出建立综合模型；综合模型方程为:Y = mY1+nY2+jY3+kY4+l, m、n、j、k分别为该综合模型中YpY2、Y3、Y4对应的回归系数，I是该综合模型的常数； 7)针对待检测作物样本，重复步骤I)?步骤5)，获取四条谱线强度Ip12、13、I4输入所述的综合模型，计算出作物重金属和微量元素的含量； 8)将步骤3)获得的作物叶片图像信息和步骤7)获得的元素含量信息在计算机中进行数据融合处理，获取作物叶片重金属和微量元素含量的分布图。2.如权利要求1所述的基于激光烧蚀羽流的原子荧光光谱作物重金属和微量元素快速检测方法，其特征在于，采用光路爬高系统将第一路激光光路升高，所述的光路爬高系统包括沿光路依次布置的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，所述第二反射镜位于第一反射镜的正上方，第三反射镜位于样品台的正上方。3.如权利要求2所述的基于激光烧蚀羽流的原子荧光光谱作物重金属和微量元素快速检测方法，其特征在于，所述的第一反射镜、第二反射镜和第三反...

【专利技术属性】
技术研发人员：何勇，彭继宇，刘飞，张初，孔汶汶，冯雷，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33