用激光诱导击穿光谱快速分析油漆中的重金属含量

　　激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是一种新型的光谱分析技术,它利用聚焦的强脉冲激光将待测样品激发成等离子体而发光,通过分析等离子体中原子或离子光谱来实现对样品的元素分析。LIBS技术广泛应用于环境污染监测、工业产品检测和考古分析等领域,例如对土壤、水体[1]、合金[2]、颜料、古董文物[3-4]等进行元素分析。它具有简单快速、无需样品预处理、对样品损伤小和适应范围广、便于远程操控等优点,特别是在分析极硬材料和难以分解的陶瓷、超导体和岩石等材料的化学成分时具有很大的优势[5-6]。

　　重金属元素对人体健康存在严重的威胁,因此及时有效地控制工、农业产品中的重金属含量具有重要的意义。目前比较常见的检测重金属含量的手段有:X射线荧光分析(X-ray),原子吸收光谱技术(AAS)和电感耦合等离子体原子发射光谱技术(ICP-AES)。其中X-ray方法可以实现快速检测,但是其灵敏度较低;AAS和ICP-AES技术检测精度高、稳定性好,但是由于设备昂贵,样品前处理费时,难以为生产企业所采用。LIBS技术由于无需样品前处理,因此能够实现对样品中元素的快速分析,包括定性和定量分析,是一种非常有发展前景的元素分析技术。

　　近年来国内外不少人对LIBS技术中等离子体形成过程的物理机制,等离子体自吸收的动力学过程[7-8],以及其辐射特征和影响因素等方面做了深入的研究[9-10]。油漆是工业生产过程中常用的涂料,包括油溶性漆和水溶性漆,其中油溶性漆所用的颜料一般含有Pb元素。因此油漆中Pb含量是否超标,直接影响到产品是否合格。本工作选择油漆作为样品,采用LIBS技术对其中的重金属元素铅(Pb)和铜(Cu)的含量进行了快速的定性分析,并研究了实现定分析的可行性。

　　1　实验装置

　　图1为本研究所采用的实验装置。一台电光调Q脉冲Nd:YAG激光器(北京时代卓易,Turbolite1000)的基频光(1 064nm)经球凸透镜L1(BK7,f=100 mm)聚焦到干的油漆样品表面,从而产生激光诱导等离子体。激光脉宽为12 ns,重复率为5 Hz,实验中典型的脉冲能量为60 mJ。油漆样品放置在一个2维平移台上,实验过程中样品作2维平移,以避免激光长时间作用于一点而将样品深度烧蚀形成孔洞,影响到等离子体的形成。等离子体的发射光经球透镜L2(BK7,f=150 mm)、镀铝反射镜RM和球透镜L3(BK7,f=250 mm)汇聚在一个50 cm单色仪(天津拓普,WDS-5型)的入射狭缝处。单色仪的衍射光栅采用2 400 mm-1全息光栅。实验中,入射狭缝和出射狭缝的宽度均为100μm,此时的光谱分辨率小于0.1 nm。光电倍增管(滨松CR114型)所产生的电信号由数字存贮示波器(固纬GDS-840C)监测并进行AD转换,示波器的波形数据经GPIB接口传输到计算机进行分析。高速光二极管(PIN)产生同步触发信号用于触发示波器。所有实验均在空气中和一个大气压的条件下进行。