水溶液中多种痕量重金属元素的高灵敏度激光诱导击穿光谱

In view of the existing problems of low detection sensitivity and low accuracy in quantitative measurement the multi-trace heavy metal elements in aqueous solution by laser induced breakdown spectroscopy，we will establish an experiment device to quantitative analysis the multi-trace heavy metal elements by laser induced breakdown spectroscopy(LIBS). The properties of nanosecond LIBS and the experiment approach to enhance the LIBS detection sensitivity and accuracy will be investigated in this project. We will focus our study of the effections of the laser parameters, liquid jet sampling system parameters, and the spectrum detetion system parameters on the formation and evolution dynamics of laser induced plasmas produced in liquid matrix sample and on the LIBS signal intensity, singnal to noise ratio, detection sensitivety, standard deviations of LIBS signal and bacground signal, and accuracy by ICCD imaging and temporal and spityial resolved emission spectrum methods. The optimum experiment parameters to realize the quantitative measurement of muti-trace heavy elements by LIBS will be obtained. A developed quantitative analysis approach to measure the absolute concentrations of the trace heavy metal elements without considering matrix effct in the calibration-based LIBS will be presented to effectively improve LIBS detection sensitivity and accuracy for the multi-trace heavy metal elements detection in aqueous solution. Our experiment results can provid with theoretical foundation and technical parameters for the application of LIBS to the fast and on-line monitor of trace heavy metal pollution in industrial waster water.

针对目前激光诱导击穿光谱（LIBS）技术应用于液相基质样品定量分析时出现的检测灵敏度和精确度低等重要问题，本项目拟建立水溶液中多种微量重金属元素定量分析LIBS实验装置，研究水溶液中微量重金属元素纳秒脉冲LIBS特性以及提高LIBS检测灵敏度和精确度的实验方法。主要通过快速ICCD成像技术、时间和空间分辨发射光谱技术，研究激光参数、液体射流取样系统参数、光谱探测系统参数对激光诱导液相基质等离子体形成和演化动力学特性、LIBS信号强度、信噪比、信号强度标准偏差、背景信号标准偏差、检测灵敏度、精确度的影响，获得实现水溶液中多种微量重金属元素同时检测的LIBS最优化实验参数，建立一个能克服常规定标方法中基质效应的微量重金属元素绝对浓度的定量分析方法，有效地提高水溶液中多种微量重金属元素同时检测的灵敏度、精确度。实验结果能为LIBS技术应用于工业废水重金属污染的快速、在线检测提供理论和技术支持。

实现水溶液中微量重金属元素的快速、高灵敏度、实时多元素同时定量分析，属于国际前沿领域需要解决的科学技术问题，在环境污染探测中有重要作用。激光诱导击穿光谱技术（LIBS）是新发展起来的光谱分析技术，因其满足上述要求受到广大光谱分析工作者的关注，但要把该技术应用于液相基质中微量重金属元素的定量分析，需要从原理上分析决定LIBS检测灵敏度、精确度的关键参数、建立液体射流中多种微量重金属元素的非定标分析方法， 能够有效有效克服基体效应。.针对上述问题，本项目以含有Cr、Mn、Pb、Cd、Ca、Al、Co等七种微量金属元素的混合水溶液为分析样品，主要开展了两方面工作：(1) 建立了一套水溶液中多种微量重金属元素定量分析的ns-SP-LIBS实验装置，确定了最优化实验参数为：脉冲激光能量50mJ、ICCD探测延时2us、LOD为247mm、样品流速为40ml/min。实验证实在最优的实验参数下，产生的激光等离子体满足局部热平衡和光学薄的；揭示了激光等离子体形成和演化过程中电子密度、电子温度、谱线强度、SNR和实验参数之间的关系，结果表明，谱线积分强度及其测定偏差、谱线信噪比是精确描述激光等离子体发射光谱特性的关键参数；谱线信噪比和强度值决定了最优化的实验参数选取；实验测定的Cr、Mn、Pb、Cd、Ca、Al、Co等七种微量金属元素的检出限值分别为3.639ppm、7.959ppm、20.895ppm、110.73ppm、0.027ppm、1.87ppm、17.18ppm，表明本实验系统具有较高的探测灵敏度。（2）在等离子体满足局部热平衡和光学薄时，从理论上建立了一个能克服常规定标方法中基体效应的微量重金属元素绝对浓度的LIBS非定标定量分析方法，实验上采用该方法精确测定了样品中Cr、Mn、Pb、Cd、Ca、Al、Co 绝对浓度和不同基体中微量Cr元素的浓度，相对误差分别小于7%和在2.14%-2.38%范围内，说明了该定量分析计算方法能够克服基体效应，并具有非常好的稳定性，显示了该定量分析方法的独特优势，成功解决了LIBS技术应用于液相基质中金属元素定量分析中的瓶颈，具有重要的学术价值和应用背景。在项目周期内培养了8名研究生，发表学术论文20篇。