基于双脉冲激光诱导击穿光谱的作物重金属和微量元素检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双脉冲激光诱导击穿光谱的作物重金属和微量元素检测方法，包括：双脉冲固体激光器在延时发生器控制下依次发出异轴的两路激光，一路激光经光路爬高后，垂直击打在样本表面，激发产生等离子体；另一路激光直接击打在等离子体上；采集特征谱线；根据待测和重金属和微量元素，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，并以这四个模型的预测结果作为输入，以样本参考值作为输出建立综合模型；针对待检测的新鲜植物叶片，获取四条谱线强度输入综合模型，计算出重金属和微量元素的含量。

【技术实现步骤摘要】
基于双脉冲激光诱导击穿光谱的作物重金属和微量元素检 测方法
本专利技术涉及作物重金属和微量元素检测技术，特别涉及一种基于双脉冲激光诱导 击穿光谱的作物重金属和微量元素快速检测方法。
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 absorption spectrometry, AAS)，电感稱合等离子体法 (inductively coupled plasma atomic emission 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，并且不能反映元 素在植物表面的分布情况，满足作物重金属和微量元素信息实时、快速获取。 LIBS 是 Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (激光诱导击穿光谱仪）的简 称，该技术利用脉冲激光产生的等离子体烧蚀并激发样品（通常为固体）中的物质，并通过 光谱仪获取激发等离子体原子所发射的光谱，以此来识别样品中的元素组成成分，进而可 以进行材料的识别、分类、定性以及定量分析。该技术无需对样品进行预处理（或简单预处 理），能够快速实现远程、微损对样品元素（尤其是金属元素）进行检测，可用于固体、气体、 液体样品的检测。激光诱导击穿光谱的应用领域也十分广泛，如生物医学、考古学、环境监 测、水中重金属检测以及爆炸物探测等。 应用激光诱导击穿光谱技术能快速获取作物新鲜叶片的重金属和微量元素信息， 并绘制出重金属和微量元素信息的叶片分布图，对研究作物重金属和微量元素的吸收机理 研究具有重要意义。此外，快速获取作物微量元素信息能反映作物生长状况，根据生长需要 变量施肥，有利于实现农业生产信息化、智能化管理。
技术实现思路
本专利技术公开了一种作物重金属和微量元素快速检测系统和方法，实现了基于激光 诱导击穿光谱对作物重金属和微量元素快速检测，用于新鲜植物叶片样本的检测，具有系 统调节方便，成本低，检测快速，微损等特点。 本专利技术的具体技术方案如下： -种，包括以下 步骤： 1)以新鲜植物叶片为样本，放置在样品台上； 2)双脉冲固体激光器在延时发生器控制下依次发出异轴的两路激光，一路激光 经光路爬高后，垂直击打在样本表面，激发产生等离子体；另一路激光直接击打在等离子体 上； 3)激光能量趋于稳定时，采集等离子体冷却产生的特征谱线，并通过样品台改变 激光击打位置，得到样本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)更换不同植物叶片的多个样本，重复步骤1)?步骤3)，得到不同样本的特征谱 线. 5)根据待测和重金属和微量元素，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Y'，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I、Y 2、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 = mYi+nYfj^+kYfl，!!!、 n、j、k分别为该综合模型中Yp Y2、Y3、Y4对应的回归系数，1是该综合模型的常数； 7)针对待检测的新鲜植物叶片，重复步骤1)?步骤5)，获取四条谱线强度1:、1 2、 13、I4输入所述的综合模型，计算出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。 激光诱导击穿光谱主要有共线和垂直2种工作模式。共线模式是一种双脉冲激光 诱导击穿光谱的常用模式，由于它的光路结构较简单，其更容易实现在线检测，其稳定性也 较高。然而，对于作物叶片这种脆弱且基体复杂的样本，采用共线工作模式需要对作物叶片 进行压片处理，这无疑造成了操作的复杂性；垂直工作模式可分为预烧蚀和再加热两种工 作模式。垂直工作模式的光路相对复杂，然而它能直接对新鲜作物叶片进行检测，无须对样 本进行预处理，并且能绘制元素分布图，反映叶片的元素分布情况。然而由于叶片基体效 应，其检测结果准确性和精确性相对共线工作模式较差。 其中，所述的双脉冲固体激光器依次发出异轴532nm/1064nm和1064nm两路激光。 优选的，采用光路爬高系统将一路激光光路升高，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Nd :YAG双频激光反射镜。 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，有利于等离子体的有效激发，保证等离子体均匀对称分布。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 口后击打样本；所述升降板的下方设有约束板，该约束板置于样本的正上方，约束板上分布 有约束腔，该约束腔用于约束样本激发的等离子体。 样品台通过空间限制增强谱线强度，能对等离子体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 口主要用于对等离子体纵向进行约束，并对入射激光与等离子体产生的特征谱线具有较好 的透射率。约束板主要用于对等离子体的横向进行约束，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/cm 2。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。 约束板为镀铬的错板,厚度为1?3mm。在错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。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双脉冲激光诱导击穿光谱的作物重金属和微量元素检测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)以新鲜植物叶片为样本，放置在样品台上；2)双脉冲固体激光器在延时发生器控制下依次发出异轴的两路激光，一路激光经光路爬高后，垂直击打在样本表面，激发产生等离子体；另一路激光直接击打在等离子体上；3)激光能量趋于稳定时，采集等离子体冷却产生的特征谱线，并通过样品台改变激光击打位置，得到样本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)更换不同植物叶片的多个样本，重复步骤1)～步骤3)，得到不同样本的特征谱线；5)根据待测和重金属和微量元素，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)针对待检测的新鲜植物叶片，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. 一种基于双脉冲激光诱导击穿光谱的作物重金属和微量元素检测方法，其特征在 于，包括以下步骤： 1) 以新鲜植物叶片为样本，放置在样品台上； 2) 双脉冲固体激光器在延时发生器控制下依次发出异轴的两路激光，一路激光经光路 爬高后，垂直击打在样本表面，激发产生等离子体；另一路激光直接击打在等离子体上； 3) 激光能量趋于稳定时，采集等离子体冷却产生的特征谱线，并通过样品台改变激光 击打位置，得到样本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) 更换不同植物叶片的多个样本，重复步骤1)?步骤3)，得到不同样本的特征谱线； 5) 根据待测和重金属和微量元素，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L、12、13、14 ; 6) 以样本参考值作为输出Y'，以所述的谱线强度1:、12、13、1 4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^乂作为输九以 样本参考值Y'作为输出建立综合模型；综合模型方程为：Y = mYi+nYfj^+kYfl，m、n、j、 k分别为该综合模型中Yp Y2、Y3、Y4对应的回归系数，1是该综合模型的常数； 7) 针对待检测的新鲜植物叶片，重复步骤1)?步骤5)，获取四条谱线强度1:、12、13、 14输入所述的综合模型，计算出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所述的基于双脉冲激光诱导击穿光谱的作物重金属和微量元素检测 方法，其特征在于，所述的双脉冲固体激光器依次发出异轴532nm/1064nm和1064nm两路激 光。3. 如权利要求1所述的基于双脉冲激光诱导击穿光谱的作物重金属和微量元素检测 方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘飞，彭继宇，何勇，张初，周菲，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