土壤养分与重金属污染物的LIBS快速定量分析方法研究

Soil nutrients and heavy metal pollution detection are the focus of research and the hot concern of government departments in recent years. Real-time measurement of soil nutrients is the premise to achieve accurate fertilization in precision agriculture, and the hazards of soil heavy metal pollution on human health is becoming more and more seriously. Most detecting methods of soil nutrients and heavy metal pollution are the onsite sampling and testing in laboratory, which is difficult to achieve accurate access to real-time information of soil nutrients and heavy metal contaminants. In view of this, this project proposed a new quantitative analysis method of soil nutrients and heavy metal contaminants, which could achieve fast and accurate measurement of the concentration of soil nutrients and heavy metal contaminants in real-time..This project will start from the real-time detection of high-sensitivity spectroscopy of soil samples. The characteristics of laser-induced breakdown spectroscopy of soil nutrients and heavy metal contaminants will be analyzed. The impact mechanism and removal method of system parameters and environmental conditions on the spectral measurements will be studied, too. Starting from the physical formation process of laser plasma, the separation method of spectral overlap led by the mutual interference between multi-element can be analyzed, and non-linear multi-variable algorithm model will be established. The inversion algorithm of soil nutrients and heavy metal content will be discussed. The issues of quantitative analysis of soil nutrients and heavy metal contaminants can be solved. This work provides the theoretical and technical base for real-time detection of soil nutrients and heavy metal contaminants.

土壤养分与重金属污染检测是近年来研究的焦点和政府部门关心的热点。土壤养分的实时测定是精准农业中实现合理施肥的前提，同时土壤重金属污染对人体健康的危害日趋严重。目前检测土壤养分和重金属污染的方法，大多采用现场采样、实验室分析方法，难以实现土壤养分和重金属污染物实时信息的精确获取。鉴于此，本项目提出一种土壤养分与重金属污染物定量分析新方法，以实现土壤养分与重金属污染物浓度的实时快速精确测量。. 项目将从土壤样品的高灵敏光谱实时检测入手，研究土壤养分与重金属污染物的激光诱导击穿光谱特征；研究系统参数和环境条件对光谱测量的影响机制及去除方法；从激光等离子体形成的物理过程出发，研究多元素间相互干扰导致谱线重叠的分离方法，建立非线性多元变量算法模型，探索土壤养分与重金属含量的反演算法，解决土壤养分与重金属污染物定量分析方面的问题，为研究土壤养分与重金属污染物的实时检测提供理论和技术基础。

土壤重金属污染具有隐蔽性、滞后性、累积性和不可逆转性，并可在生物体内富集并通过食物链威胁人体健康。因此土壤重金属污染的治理应从源头抓起，快速、原位监测土壤重金属污染状况，并控制污染源。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)技术提供了一种土壤养分与重金属污染物快速、现场分析的新方法，具有分析简便、无需样品预处理、多元素同时测量等优点，开展土壤养分与重金属污染物的LIBS检测方法研究具有重要的应用价值。.本项目针对LIBS技术检测土壤养分与重金属污染所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。首先描述了土壤养分与重金属污染物激光诱导击穿光谱测量原理、系统组成及元素分析线的选取，通过对连续光谱、分立光谱的时间、空间演化特性的分析，探讨了土壤激光等离子体形成过程中谱线的形成机制；重点研究了系统参数（激光能量、重复频率、焦点位置）与土壤基体特性（粒径大小、疏松度、湿度）对激光等离子体谱线强度、信背比、等离子体温度、电子密度以及测量信号稳定性的影响；并分析了自然大气与氩气环境下激光等离子体的时间演化特性及元素检测灵敏度；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，建立了基于傅立叶变化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。.在理论与实验研究的基础上，通过对不同元素特征谱线的特性分析，确定了最佳的延时探测时间和门控宽度，对多种元素（C、K、N、P、Mn、Mg、Cr、Cd、Ni、Pb、Cu、Zn、As）的检测限进行了分析；综合比较研究了定标曲线、内标、多谱线法、多元非线性回归法、偏最小二乘法在定量分析中的优劣，开发了包括系统控制、数据处理与定量分析软件，实现了合肥电厂周边土壤重金属元素含量的测定。研究结果为发展土壤养分与重金属污染物的便携式快速、现场检测技术提供了数据基础。.进行了土壤养分与重金属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Cr为例：检出限为7.4mg/kg，精密度相对标准偏差为7.5%，重复性相对标准偏差为7.39%），对多组分共存田间采集的土壤样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土壤养分与重金属污染物的多元素、快速、在线检测提供了方法。