水体金属污染物激光击穿光谱精确定量化分析方法研究

水体重金属及有毒金属污染物影响生态环境并通过食物链威胁人体健康。与传统现场采样、实验室检测方法相比，激光诱导击穿光谱（LIBS）技术提供了一种水体金属污染物快速、实时分析的新方法，但目前该技术尚面临由于背景辐射、系统参数变化而引起的稳定性测量难题，以及由于共存组份干扰而引起的精确定量化困难。本项目针对LIBS所面临的问题提出解决方案并开展研究。.项目将从水体重金属污染物的高灵敏光谱实时检测方法入手，研究自然水体中Cr、Cd、Pb、Hg、类金属As等成分的LIBS光谱特征；研究采用微分光谱和时域平滑消除背景辐射对测量光谱影响的方法，解决系统参数与环境条件变化对光谱测量的影响；从激光等离子体的光物理过程研究元素间交叉干扰与自吸收效应影响的消除算法，建立水体金属污染物的LIBS定量反演方法与定标模型，实现未知组份水体中金属污染物的多元素精确测量，为发展水体金属污染物的多元素快速测量提供方法基础。

水体重金属及有毒金属污染物影响生态环境并通过食物链威胁人体健康。与传统现场采样、实验室检测方法相比，激光诱导击穿光谱技术（LIBS）提供了一种水体金属污染物快速、实时分析的新方法，具有分析简便、快速、多元素同时测量等特点，但目前该技术尚面临由于背景辐射、系统参数变化而引起的稳定性测量难题，以及由于共存组份干扰而引起的精确定量化困难。因此，开展水中金属污染物的LIBS精确定量化分析方法研究具有重要的科学意义与实用价值。本项目针对LIBS面临的问题开展了大量研究工作，圆满完成计划书中规定的目标和任务，取得主要创新成果如下：. （1）研究了不同激光波长、能量与脉宽下的水体光学击穿发生时间与位置，分析了不同参数下的激光等离子体电子密度变化过程，为合理选择系统参数提供了基础数据；建立了激光诱导击穿光谱实验测量系统,进行了系统参数的优化设计,提出了高频雾化-石墨富集的液-固样品转化方法，并以C为内标元素，提高了水体金属污染物信号探测的灵敏度与稳定性，解决了水体溅射的影响。. （2）进行了水体不同金属污染物的激光诱导击穿光谱测量、特性分析，研究了不同实验条件（脉冲能量、重复频率、延时、门宽、探测角度等）及样品性能下的激光等离子体发射特征；研究了多元素光谱归属识别分析方法与元素特征谱线提取方法，建立了基于L-M算法的重叠峰分解模型，实现了测量光谱中元素的快速、自动归属识别与元素特征谱线的提取；提出了基于微分光谱和时域平滑算法的激光诱导击穿光谱元素谱线逆向提取方法，去除了背景辐射对测量光谱定量分析的影响；研究了基于内标与BP神经网络的金属污染物快速定量分析方法，以多变量分析、元素标准发射谱线与理论增长曲线相结合，去除了元素间的交叉干扰和自吸收影响，建立了基于支持向量机回归的定量分析模型，分析了多种元素的检测限，并开发了多元素光谱归属识别与定量分析软件。. （3）进行了水体重金属LIBS检测装置的的联合调试、模型验证、现场测量实验以及系统指标的测试（以Pb为例：检出限为0.038mg/l，精密度相对标准偏差为1.62%，重复性相对标准偏差为1.20%），对多组分共存标样、大塘污水、自来水等与国标方法检测结果进行了对比分析，测量结果具有较好的一致性。. 本项目研究成果为发展水体金属污染物的多元素、快速、在线检测提供了方法，为进一步开展激光诱导击穿光谱技术的应用研究奠定了基础。