萊森光學：基于LIBS的馬鈴薯中鉻元素定量分析方法研究

基于LIBS的馬鈴薯中鉻元素定量分析方法研究

一、引言

本文旨在探究LIBS檢測馬鈴薯中Cr元素含量的可行性，通過對該技術的探究和應用，希望找到一種快速、準確、非破壞性的方法來分析馬鈴薯中Cr元素的含量。首先搭建LIBS實驗平臺和制備馬鈴薯實驗樣品，并調整實驗參數(shù)采集馬鈴薯光譜數(shù)據(jù)；然后針對光譜數(shù)據(jù)中的噪聲和基線漂移的問題對光譜數(shù)據(jù)進行前期處理；***采用***強度法定量分析Cr元素，同時，計算模型評價指標以評估定量性能。通過實驗和數(shù)據(jù)分析，驗證LIBS技術的可行性。

二、LIBS基本原理和實驗裝置搭建

激光誘導擊穿光譜技術是以激光作為激發(fā)源，通過激光與待檢測物體相互作用的一種新興的原子發(fā)射光譜分析技術，可以從物理學和光譜學角度對物質成分及其含量進行分析。它的基本原理如下：利用聚焦透鏡將激光器發(fā)射的激光脈沖聚焦于被測樣品表面，樣品受到燒蝕吸收髙密度能量而產(chǎn)生等離子體，使用光譜儀檢測等離子體衰變過程中產(chǎn)生的發(fā)射譜線，分析譜線的頻率和強度等信息，從而對被測元素進行定性和定量分析。樣品表面產(chǎn)生的等離子體是由電子、原子、離子以及一些基團組成的高溫、高壓和高電子密度的氣態(tài)物質。等離子體產(chǎn)生過程直觀示意圖如圖1所示。

圖1等離子體產(chǎn)生過程直觀示意圖

LIBS技術的分析光譜主要來源是等離子體發(fā)生束縛-束縛輻射（激發(fā)輻射）躍遷，對于特定元素，激光脈沖激發(fā)產(chǎn)生的譜線波長和激發(fā)頻率是固定的，所以收集等離子體發(fā)生躍遷時釋放的光子就能得到相應原子和離子的特征發(fā)射譜線，繼而通過分析特征譜線強度和波長實現(xiàn)對樣品的定性和定量分析。根據(jù)LIBS的基本原理，搭建了LIBS檢測系統(tǒng)主要裝置，LIBS檢測系統(tǒng)主要裝置如圖2所示。

圖2LIBS主要裝置示意圖

三、馬鈴薯光譜數(shù)據(jù)前期處理

首先制備馬鈴薯實驗樣品，實驗樣品編號分別為1#-14#，然后分別對14個干燥完成的樣品進行光譜采集，通過預實驗確定比較好實驗參數(shù)，**終采集延遲時間設定為1μs，積分時間設定為8ms，***對獲取的光譜數(shù)據(jù)進行前期處理。每個樣品**終采集120張光譜，當這些光譜數(shù)據(jù)用于定量分析時，需要對數(shù)據(jù)集進行劃分，其中10#-14#樣品作為測試集驗證定量模型的性能，而其余樣品作為訓練集用于定量模型的訓練。LIBS預測得出的樣品濃度主要根據(jù)待測目標元素的特征譜線真實強度進行推算，但是觀察馬鈴薯光譜數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)中存在噪聲和基線漂移的問題，這些問題的存在會對后期尋峰以及特征峰值強度造成影響，繼而會導致定量分析精度不高，所以對光譜數(shù)據(jù)進行前期處理在LIBS定量分析過程中是必不可少的。首先對每個樣品中每10個光譜數(shù)據(jù)進行平均處理操作，以減小實驗結果的誤差，**終每個樣品保留12張光譜；然后對光譜數(shù)據(jù)進行降噪和基線校正前期處理，便于后期尋峰和定量分析。

3.1 樣品制備

實驗所使用的馬鈴薯樣品均來自于某農(nóng)貿(mào)市場，這些在市場流通的馬鈴薯均是經(jīng)過國家質檢合格的，因此需要對馬鈴薯進行樣品制備。首先將買來的馬鈴薯使用去離子水清洗干凈，以消除塵土等污染物對實驗的影響；然后對馬鈴薯進行切塊處理，要求所有樣品質量相同并且大小均勻一致，在制備每個馬鈴薯樣品時，對其進行稱重操作以滿足質量相同的要求。***，將這些樣品放入預先配制好的Cr溶液中浸泡進行污染處理。

首先使用天平稱取一定量的重鉻酸鉀，然后將其放入蒸餾水中充分溶解，***配制出包含14種質量濃度梯度的含Cr水溶液，其質量濃度梯度范圍0.005-0.05wt.%。14個樣品中Cr元素的質量濃度詳見表1。

表1樣品中Cr元素的質量濃度

將14個馬鈴薯樣品分別浸泡在14種質量濃度不同的Cr元素溶液中，浸泡時間為24小時，以使馬鈴薯充分吸收Cr元素。浸泡結束后，取出馬鈴薯樣品并自然風干，待其表面水分蒸發(fā)后，使用9#樣品進行光譜采集測試實驗。結果顯示Cr元素的特征光譜峰值質量不佳，可能是由于樣品含水量的影響所致。因此，對樣品進行了干燥處理，根據(jù)樣品質量估算其干燥程度，在干燥過程中定時取出并稱重以記錄質量，以確保所有樣品的質量仍然保持一致。

3.2 光譜降噪

LIBS技術雖然目前應用于各個領域，其基本實驗原理和系統(tǒng)結構經(jīng)過長期研究已經(jīng)得到完善，但是LIBS技術在實驗過程中對環(huán)境光和激光能量波動等條件的影響非常敏感，這會導致光譜數(shù)據(jù)中出現(xiàn)嘈雜的噪聲干擾信號。在分析馬鈴薯的光譜數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，噪聲來源主要由兩部分組成：一部分是環(huán)境光和一些雜散光摻雜在激光源中，導致在采集原始光譜信號時產(chǎn)生噪聲；另一部分是在對原始光譜信號進行數(shù)模轉換即將光信號轉換成電信號時引入的附加噪聲。這些噪聲存在不利于后期尋找特征譜峰，并且會對特征光譜信號強度造成干擾，針對馬鈴薯數(shù)據(jù)存在噪聲的問題，本小節(jié)將對馬鈴薯數(shù)據(jù)進行降噪處理。為了選擇與馬鈴薯數(shù)據(jù)適配的比較好小波基函數(shù)，分別使用三種小波系列基函數(shù)對馬鈴薯數(shù)據(jù)進行了降噪處理。降噪結果越好，越有利于后續(xù)光譜特征譜線的識別。以樣品編號10#為例，原始光譜數(shù)據(jù)和三種小波基函數(shù)的降噪結果見圖3。

圖3光譜降噪效果對比圖

由圖3可以看出biortogonal小波基函數(shù)的降噪效果優(yōu)于Hear小波和Daubechies小波。biortogonal小波屬于雙正交小波，它可以解決線性相位和正交性不相容的問題，即在小波正交性比較弱時也能得出具有線性相位的小波。綜合分析三種小波基函數(shù)的理論特性和降噪效果圖，本文選用biortogonal系列的Bior2.4小波函數(shù)進行降噪處理，降噪次數(shù)選擇3，降噪閾值選擇50%。這樣的選擇能夠更好地保留信號的完整性，并提高后續(xù)光譜特征譜線的識別效果。

3.3 基線校正

為了獲得更為精細的實驗數(shù)據(jù)集，對連續(xù)背景信號進行處理。連續(xù)背景信號的產(chǎn)生原因主要包括兩個方面：一方面是實驗條件的波動，包括激光能量變化、環(huán)境光的影響和樣品的基體效應等因素；另一方面是在等離子體產(chǎn)生初期，由于不同元素對于等離子光譜吸收或發(fā)出的表現(xiàn)不同，有的元素能力較強，有些則較弱，這導致了LIBS光譜在某些區(qū)間會出現(xiàn)連續(xù)背景信號或基線漂移現(xiàn)象。對于這些連續(xù)背景信號，需要進行處理以減少對后續(xù)數(shù)據(jù)分析的干擾。利用在比較好參數(shù)下的算法處理光譜數(shù)據(jù)后，得到了基線校正后的光譜數(shù)據(jù)如圖4所示：

圖4基線校正后光譜數(shù)據(jù)圖

通過觀察圖4，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過非對稱懲罰**小二乘法處理后，連續(xù)背景信號的問題得到了有效地解決，同時光譜數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的拱形凸起也被擬合基線基本擬合。此外，處理后的光譜數(shù)據(jù)底部呈現(xiàn)為一條直線，沒有了非線性波動的情況，其信噪比也得到了***的提高，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析和處理提供了更加可靠的數(shù)據(jù)基礎。

四、基于***強度法的馬鈴薯中Cr元素定量分析方法

***強度法是LIBS技術中應用*****的定量分析方法，它可以通過特征譜線的強度直接推算出樣品的預測濃度，該定標方法計算簡單直接，在沒有自吸收現(xiàn)象的情況下非常適用。對于本文研究中的馬鈴薯樣品，由于其成分結構相對簡單，因此可以采用該方法計算Cr元素的濃度。***強度法假設等離子體處于局部熱平衡狀態(tài)，即等離子體是一個光學薄等離子體時，光譜強度可以表示為：

建立定標曲線前，需要對光譜數(shù)據(jù)中的特征譜峰進行分析，判斷特征譜峰所表征的是哪種元素。對于馬鈴薯光譜數(shù)據(jù)，其特征譜峰的尋峰結果如圖5所示。

圖5元素特征譜峰圖

如圖5所示，本文研究的馬鈴薯光譜數(shù)據(jù)中存在多個峰值明顯的元素特征譜線，其中除了Cr元素外，還包括Ca、Na、Mg這些基體元素。在對比NIST數(shù)據(jù)庫后，發(fā)現(xiàn)在本文采集的馬鈴薯數(shù)據(jù)中表征Cr元素的特征譜線共有三條，它們分別是CrI425.43nm、CrI427.49nm和CrI428.972nm。通過查詢NIST數(shù)據(jù)庫，得到了這三條特征譜線的相關參數(shù)，具體數(shù)值詳見表2。這些參數(shù)是建立定標曲線前所必需的重要信息，有助于選擇分析譜線，提高定量分析精度。

表2Cr元素相關參數(shù)

以樣本真實濃度為橫坐標、光譜強度為縱坐標，利用劃分好的訓練集和測試集，結合***強度法原理擬合定標曲線并根據(jù)公式(2-7)(2-8)(2-9)計算出模型評價指標結果，Cr元素的定標曲線如圖6所示：

圖6***強度法Cr元素定量結果

由圖6可以看出，訓練集和測試集的數(shù)據(jù)點都比較分散，很多樣品的數(shù)據(jù)點都和線性擬合曲線偏離較大，模型評價指標R2達到0.9109，RMSEC和RMSEP分別為0.00399wt.%、0.00381wt.%，平均相對誤差在10%以上，達到18.85%。綜合而言，***強度法的預測精度較低，誤差較大。根據(jù)***強度法基本原理，隨著Cr元素的濃度增加，光譜強度也應該呈線性增長的趨勢，但是圖2.7顯示出在Cr元素濃度增大后，部分高濃度樣品的光譜強度并沒有變高，甚至出現(xiàn)了降低的情況，這種結果主要由于元素間干擾所造成，從圖2.6的光譜數(shù)據(jù)中可以看出，馬鈴薯中不僅含有Cr元素，還含有豐富的基體元素，如Na、Mg和Ca。這些基體元素會影響Cr元素光譜強度，從而影響定量分析結果精度。因此，在進行Cr元素的定量分析時，不應*考慮Cr元素單條特征譜線，還需要考慮到光譜數(shù)據(jù)中其他的特征譜線，尤其是Cr元素分析譜線附近的基體元素特征譜線，綜合分析光譜數(shù)據(jù)中所有有用特征譜線信息，以提高定量分析結果的精度。

五、總結

本文主要使用LIBS技術對馬鈴薯中的Cr元素進行了定量分析，首先介紹了LIBS技術的基本原理，并根據(jù)基本原理搭建了實驗平臺，接著制備了實驗樣品并進行了光譜采集，觀察采集到的光譜數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，由于實驗條件等因素影響，數(shù)據(jù)中存在噪聲和基線漂移的問題，為此，采用小波閾值濾波法、非對稱懲罰**小二乘法對光譜數(shù)據(jù)進行了降噪和基線校正前期處理操作，***采用***強度法對馬鈴薯中的Cr元素進行定量分析，并繪制了定標曲線圖。

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