激光诱导击穿光谱(LIBS)法微损快速检测党参中Pb

陈富强 方 丽 马明俊 韩守炉,4 时 晨,5 赵南京

(1.中国科学技术大学 环境科学与光电技术学院,合肥 230026;2.中国科学院 合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所,中国科学院 环境光学与技术重点实验室,合肥 230031;3.安徽省环境光学监测技术重点实验室,合肥 230031;4.合肥学院 生物食品与环境学院,合肥 230601;5.安徽大学 物质科学与信息技术研究院,合肥 230601)

中药是中国传统文化的瑰宝,中国人对中药材的探索和研究已经有几千年历史。近年来,中药材行业发展欣欣向荣的同时,中药材重金属污染问题也受到了社会的广泛关注。因此,中药材重金属污染检测对中药材监管及人们健康具有重要意义[1]。

与原子吸收光谱法(AAS)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、原子发射光谱法(AES)、高效液相色谱法(HPLC)等方法相比,激光诱导击穿光谱(LIBS)技术在重金属检测方面具有样品制备简单、检测快速、多元素同时检测、无二次污染,对实验环境要求不高,在恶劣条件下也能检测等独特的优势[2-3]。近年来,LIBS技术在中药重金属检测方面有较多研究报道。张惠忠等[4]定性分析了待测样品预处理前后山药铁元素光谱的变化,结果表明,研磨和压片后铁LIBS强度有所提高。孙仲谋等[5]定性分析了模拟大气湿沉降重金属污染下新鲜洋葱中重金属Pb,在不同浓度梯度乙酸铅溶液中浸泡的新鲜洋葱中都检测出Pb,其LIBS强度与溶液浓度成比例,证明LIBS是检测新鲜蔬菜的有效手段。上述研究对样品进行定性分析,仅对样品进行了简单的预处理,没有研磨和压片。然而,对于定量分析而言,样品的研磨压片通常是必不可少的。在检测中药和其他天然样品时,由于通常没有可用基质相似的定标样品,需要制备参考定标样品。现有做法是向待测样品中添加标准元素,这不可避免地需要对样品进行研磨和压片。张旭等[6]建立了海带样品中Cr与其LIBS光谱强度之间的定标曲线,线性相关系数0.990 3,虽然未对样品研磨压片,实现无损分析,但是其建立的定标曲线横坐标是浸泡溶液的浓度,而非海带重金属含量。李占峰等[7]以黄连、附片、茯苓作为检测对象,经过研磨、筛分、压片的预处理并向其中加入不同梯度铜元素,根据不同的基体情况选择内标参量进行定量分析,结果较直接定标,内标法精确度有所提高。杨富春[8]将当归和黄岑粉碎、过筛、压成圆片制备了两种中药材标准样品,通过绘制标准曲线计算了Cu在两种中药中的检出限分别为5.55和4.88 mg/kg。赵上勇等[9]以人参为检测对象,将人参研磨后加入硝酸铅和氧化铬水溶液搅拌均匀后烘干,经过研磨压片处理,对人参中掺杂的Pb和Cr元素进行LIBS定量分析,得到得定标曲线线性拟合系数R2值分别为0.981和0.986。

在中药材重金属检测方面,由于缺乏与待测样基质相似的标准样品,通常需要对样品进行研磨压片,这种样品预处理方法相对样品消解虽然已经简化,但改变了样品的物理性质,且不能满足中药材大宗品种、大批量的检测需求,如果能进一步简化样品预处理,保持样品物理状态,满足检测需求的同时,将会更加凸显LIBS快速检测的优势。党参是一种药用价值丰富的常见传统中药材,在生长和加工等过程中可能会被重金属元素污染。本文选择党参切片样品及Pb为研究对象,与实验室标准方法(ICP-MS)结合,制备参考定标样品并建立定标曲线,实现对待测党参样品中Pb含量的微损快速检测。

1 实验部分

1.1 实验装置

中药材重金属LIBS检测平台如图1所示,采用激光波长为1 064 nm的Nd:YAG脉冲激光器(Ultra-100,BIGSKY)作为光源,重复频率1 Hz、脉冲宽度5 ns、最大脉冲能量100 mJ。激光光束通过焦距为100 mm的透镜聚焦于样品表面。样品放置于二维移动平台(Zolix,PSA150-11-X Shanghai,China),激光烧蚀样品后产生等离子体,通过光纤传输到光谱仪(AvaSpec-USB2,Avantes)。CCD探测器探测范围为200～500 nm,分辨率为0.08～0.12 nm,光谱仪收集数据传输到计算机进行显示和分析。

图1 中药材重金属LIBS检测系统示意图Figure 1 Schematic diagram of LIBS detection system for heavy metals in traditional Chinese medicinal materials.

采用微波消解仪(XT-mul,上海新拓仪器科技有限公司)对样品进行消解预处理,采用电感耦合等离子体质谱仪(iCAP RQ,Thermo Fisher)检测参考定标样品中Pb含量。

1.2 样品制备

不同Pb浓度党参样品采用浸泡法获取。浸泡溶液使用硝酸铅固体配制,称取0.023 8 g硝酸铅晶体,溶解在100 mL的容量瓶中,Pb浓度为148.89 mg/L,作为储备液,依次稀释成10个梯度的Pb浸泡液,用来浸泡党参切片样品,用去离子水作为对照,共计11个浸泡液,Pb浓度分别为0、2.7、8.11、13.51、27.03、40.54、54.05、67.56、81.08、94.59和108.10 mg/L。

实验所用党参样品购于合肥市某中药店。依次用自来水和去离子水洗净后,横向切成厚度均为5 mm的薄片,如图2所示,共计67个党参切片样品,分别浸泡在11个浸泡液中,1 d后取出,置于吸水纸上,于烘箱中45 ℃烘干后取出。将所有样品随机分为三份:

图2 党参切片样品Figure 2 Sample of sliced Codonopsis pilosula.

A样(38个),用于消解后ICP-MS检测,获取Pb真实浓度值,建立定标曲线。

B样(10个),作为参考定标样品,以建立的定标曲线反演B样Pb浓度,即得到Pb含量已知的定标样品,该定标样品与待测样物理形态一致,且由于LIBS检测对样品几乎无破坏,可妥善保存B样,重复用于LIBS标定。

C样(19个),作为待测样,验证参考定标样品定量反演的准确性。

1.3 样品检测

对A样和B样进行LIBS检测,每个样品在不同位置测量20个激光脉冲,取平均值作为结果。激光能量为100 mJ,延时为1.28 μs,门宽为1.05 ms。

获取A样和B样LIBS光谱后,对A样进行消解,利用ICP-MS检测Pb含量,制作定标曲线,从而反演B样所有党参样品中Pb浓度,将这些样品妥善保存,作为后续检测待测样的参考定标样品。消解流程为:依次准确称取每个党参切片样品于微波消解罐中,记录实际质量,加入5 mL 65%的HNO3,静置过夜,上机消解,消解程序参照文献[2]。消解液赶酸后用2%稀HNO3定容至50 mL,待ICP-MS检测。

Pb检出限(LOD)以低浓度样品连续检测20次,按照公式(1)计算。式中,σ为Pb 20次检测结果的标准偏差。

LOD=3σ

(1)

2 结果与讨论

2.1 党参LIBS光谱定性分析

分析未浸泡的党参切片样品LIBS光谱图,在200～500 nm波长范围内,检测到C、Fe、Ti、Ca、Al、Mg、Si、K、P、Mn、Sr等元素,如图3所示。

图3 党参部分主要元素光谱Figure 3 Spectra of main elements in Codonopsis pilosula.

不同浓度Pb浸泡的党参LIBS原始光谱如图4所示,结合NIST原子光谱数据库中Pb,Pb I 405.78 nm谱线灵敏度高且受周围其他元素谱线影响小,因此选择其作为特征分析线。

图4 不同浓度Pb党参LIBS光谱Figure 4 LIBS spectrum of Codonopsis pilosula with different concentrations of Pb.

2.2 定标曲线建立

党参为自然生长的植物,切片样品具有组织不均匀性,浸泡在同一Pb溶液中的不同切片,对Pb吸收存在差异。因此首先根据Pb LIBS光谱强度对所有样品进行排序,结果如图5所示。从不同强度段共取38个样品消解,建立定标曲线,如图6所示,横坐标为ICP-MS检测Pb结果,纵坐标为Pb LIBS强度,二者线性相关系数R2为0.7918。根据公式(1)计算得到Pb检出限为24.6 mg/kg。

图5 党参样品Pb排序图Figure 5 Sorting chart of Pb inCodonopsis pilosula samples.

图6 Pb定标曲线Figure 6 Pb calibration curve.

从上述定量分析的文献中可知,研磨压片制样法获取的定标曲线,线性相关系数R2通常能够达到0.95以上,与之相比,本文微损检测得到的定标曲线相关性略显不足,原因在于以党参切片样品为检测对象,Pb在样品中分布受样品生长纹理等影响,存在微区不均匀性,且切片样品烘干后,表面平整度下降,导致定标曲线相关系数R2仅为0.791 8。

以该定标曲线反演B样中Pb含量,结果如表3所示,B样作为与待测党参样品基质完全相似,物理性质完全一致的参考标准样品,可基于外标法,对待测党参样品实现微损快速检测,且可多次重复利用。相比化学计量学方法,外标法不受实验参数限制、不存在迁移性差、鲁棒性差的问题,少数样品即可对大量待测样定量反演。

表3 参考定标样品Pb含量

2.3 待测样Pb微损检测

LIBS检测待测样C样中Pb时,同时检测参考定标样品B样,获取B样和C样Pb LIBS光谱强度,以B样已知的Pb含量及LIBS光谱强度建立定标曲线,如图7所示。

图7 Pb微损检测定标曲线Figure 7 Calibration curve of Pb for microdamage detection.

根据图7微损检测的定标曲线,反演C样中党参中Pb,再利用ICP-MS检测C样中Pb真实含量,验证LIBS检测准确性。结果待测样LIBS检测浓度与ICP-MS浓度对比及相对误差如图8所示,LIBS与ICP-MS检测结果线性相关系数R2为0.795 7,平均相对误差为3.74%,均方根误差RMSEP为44.66 mg/kg。数据均采用外标法建立模型,相比于最小二乘等算法需大量样品建模,外标法具有建模所需样品量少的优点,可用少量的定标样品检测大量待测样[10]。

图8 待测样品LIBS检测浓度与ICP-MS检测浓度对比Figure 8 Comparison of LIBS concentration and ICP-MS concentration of the sample to be tested.

3 结论与展望

初步建立了党参中Pb LIBS微损检测定标方法,通过制备与待测样基质一致的参考定标样品,实现党参切片样品微损检测,制备的参考定标样品可多次重复用于待测样检测、仪器标定等。建立的Pb微损定标曲线线性相关系数R2为0.795 7,对19个待测样品检测结果的平均相对误差为3.74%,能够满足现场快速检测需求。该方法无需对样品进行研磨、压片等预处理,更加凸显LIBS技术的优势,可为大批量样品快速检测提供新方法,下一步将在多元素同时定标、提升检测灵敏度与定标曲线相关性方面继续开展研究。