激光誘導擊穿光譜技術對環境中重金屬離子的檢測獲進展

　　【儀表網 儀表研發】近期，智能所黃行九研究員和安光所趙南京研究員合作，利用主動可控火花放電和電化學富集輔助的低脈沖能量(15mJ)激光誘導擊穿光譜實現對水體和土壤樣品中痕量砷和汞的高靈敏和穩定性檢測。相關的研究成果已發表在Sensors and Actuators B: Chemical雜志上。
 

　　圖：電化學-LIBS設備，火花放電-電化學-LIBS設備和主動可控火花放電-電化學-LIBS設備檢測As(III)的示意圖

 

　　激光誘導擊穿光譜技術(LIBS)由于其獨特的優勢(例如多元素分析，響應速度快，無需樣品處理以及對樣品損壞小)成為了一項很有潛力的技術，被廣泛應用于環境樣品的分析。但是，高脈沖能量下，LIBS檢測易揮發的痕量砷和汞面臨著巨大挑戰。與其他重金屬相比，砷和汞的揮發性很高，它們的沸點分別為876K和630K，而其他重金屬(Cd，Pb，Cu，Zn，Cr)的沸點則超過1000K。此外，在其沸點溫度下，計算得出的砷和汞的蒸氣壓非常高，高于其他重金屬離子的幾個數量級。在接收到等離子體信號之前，用高脈沖能量檢測的砷和汞可能已經部分揮發，導致檢測限超高，甚至沒有砷和汞的信號。
 

　　基于上述問題，科研人員研究了主動可控火花放電和電化學富集輔助的低脈沖能量LIBS檢測痕量As(III)和Hg(II)。實驗結果表明，低脈沖能量激光減少了砷和汞的揮發以及減小了樣品的燒蝕坑。主動可控火花放電裝置彌補了由低脈沖能量激光引起的激發態的砷或汞等離子體含量不足的問題。更重要的是，科研人員在主動可控火花放電裝置中增加了可控高速開關，并優化了火花放電和激光之間的時間，從而克服了傳統電火花放電-激光誘導擊穿光譜的不穩定性的問題，獲得了穩定的等離子體源。另外，通過修飾了可調控氧空位的花狀NiCo2O4-x-NH2納米片的電極進行電化學富集，實現了砷的快速高效富集。結果，此方法展現出高靈敏度(3.35 counts ppb-1)，低檢測限(8.69ppb)，優異穩定性(相對標準偏差為低于5%)地檢測As(III)，對Hg(II)也有很好的檢測效果。
 

　　這項研究利用簡單易操作的方法實現了對揮發性As(III)和Hg(II)以及難揮發的重金屬離子(例如Cu(II))的高靈敏、高穩定檢測。這將可能為檢測環境中的重金屬污染物提供一種有效的分析方法。
 

　　該研究工作獲得國家自然科學基金重點項目、中科院創新交叉團隊、博士后創新人才、安徽省科技重大專項，國家重點計劃十三五計劃等項目的支持。