毒死蜱: 毒死蜱的化学名是O, O-二乙基-O-3, 5, 6-三氯-2-吡啶基硫逐磷酸酯, 分子式是C₉H₁₁C₁₃NO₃PS。 我们使用的是美国陶氏益农公司的有效成分为480 g· L^-1的毒死蜱样品。 将毒死蜱溶解在去离子水中, 分别制备成1:2 000, 1:3 000, 1:4 000, 1:5 000, 1:6 000和1:10 000共6种不同浓度的毒死蜱溶液。

金属纳米粒子: 实验用的20 nm金粒子、 20 nm银粒子和80 nm银粒子都购于上海起发实验试剂有限公司, 三种粒子的浓度分别为7.0× 10¹¹, 7.0× 10¹⁰和1.1× 10⁹ mL^-1。

苹果: 苹果是从北京果香四溢水果超市购买的当天采摘的红富士苹果, 选取没有损伤和缺陷、 大小均匀、 成熟度一致的苹果作为实验样品。 用清水清洗苹果表面后, 将苹果切成大小约4 cm², 重量约20 g的小块。

实验装置如图1所示, 系统由激光器、 光谱仪、 三维精密移动平台、 信号延时器组成。 激光器为镭宝公司(Beamtech)生产的Dawa Series Q-Switched Nd:YAG Laser System激光器, 型号为Dawa-200。 基频光波长为1 064 nm, 脉冲激光输出的最大能量为200 mJ, 激光器的脉冲最高重复频率为20 Hz, 脉冲宽度为3~5 ns。 激光器输出的激光被反光镜反射后, 经聚焦透镜聚焦到样品表面。 激光诱导产生的等离子光信号被集入光纤, 并传导至光谱仪。 光谱仪采用的是Ocean Optics公司的HR2000+, 光谱范围为200~1 100 nm, 分辨率为0.2 nm, 信噪比为250:1。

图1

Fig.1

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	图1 LIBS测量系统Fig.1 LIBS measurement system

实验设置: 激光器输出功率160 mJ, 光谱范围200~1 000 nm, 积分时间2 ms。 延时时间0.2 μ s(在延时对LIBS信号影响部分我们设置延时时间分别为0, 0.2, 0.4, 0.8和2 μ s)。

实验过程: 用移液器取20 μ l的毒死蜱溶液滴到苹果样品的表皮, 分布在一个4 mm× 4 mm的范围内, 等溶液刚干的时候再取20 μ L的金属纳米粒子滴到毒死蜱残留的苹果样品上面。 分别制备成滴有80 nm银粒子的1:2 000, 1:3 000, 1:4 000, 1:5 000, 1:6 000和1:10 000毒死蜱残留的苹果样品, 滴有20 nm银粒子的1:2 000毒死蜱残留的苹果样品和滴有20 nm金粒子的1:2 000毒死蜱残留的苹果样品。 然后计算毒死蜱在苹果表面的残留浓度, 1:2 000的20 μ L的毒死蜱溶液滴到苹果表面后的单位面积浓度约为30 μ g· cm^-2。 同样, 1:3 000, 1:4 000, 1:5 000, 1:6 000和1:10 000的毒死蜱残留的浓度分别为20, 15, 12, 10和6 μ g· cm^-2。

数据预处理: 每组样品采样10组数据, 分别去掉每组中最大和最小的数据, 然后对剩下的8组数据进行平均以减小误差。 在进行数据分析前先对光谱进行基线校正, 以获得相同的基线。

为了解苹果表面的农药残留和银纳米粒子分布情况, 我们采集了苹果表面的图像。 图2(a)是苹果表面涂有毒死蜱和80 nm银纳米颗粒以后的RGB图像, 比例尺为3 mm, 此时能看到农药和银纳米颗粒干燥以后形成的痕迹, 呈现不规则的圆形, 分布在苹果表面。 LIBS测量时, 在圆斑范围内随机取10个点测量, 激光击打的光斑大小为100 μ m, 为了看清激光在苹果表面的击打情况, 选择300 μ m的比例尺, 对激光击打过的苹果表面做10 kV电镜扫描, 扫描电镜图像如图2(b)所示, 以背散射Full模式成像, 图像中包含80%的样品成分信息和20%的形貌信息。 在背散射图像下, 成像亮(白)的区域往往代表此处成分以重元素为主, 成像暗(黑)的区域往往代表此处成分含以轻元素为主。

图2

Fig.2

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	图2 苹果的表面图像 (a): 涂抹有80 nm银纳米颗粒的苹果表面RGB图像; (b): 被LIBS激光器击打以后的苹果表面扫描电镜图像Fig.2 The image of apple epidermis (a): RGB image of apple epidermis coated with 80 nm silver nanoparticles; (b): Scanning electron microscopic image of apple epidermis after laser ablation

图2(b)中可以看到, 激光并没有把苹果表皮打穿, 只是在表面留下了烧蚀痕迹, 但是大部分毒死蜱农药和银纳米粒子在激光击打的过程中已经被打飞, 只是在激光斑点的周围还残留部分白色的银纳米粒子, 说明采集到的LIBS光谱主要包含苹果表面的农药等成分信息, 不包含表皮内部的果肉成分信息。

我们对纳米增强的LIBS信号与未进行增强的LIBS光谱进行了对比, 图3所示的是P元素的光谱特征, 其中黑线是只有1:2 000毒死蜱残留的苹果样品的光谱, 红线是涂抹了80 nm银粒子的1:2 000的毒死蜱残留的苹果样品。 从图3中可以看出, 1:2 000的毒死蜱残留的苹果样品的LIBS黑线光谱在213.62, 214.91和253.56 nm处的特征峰强度非常微弱, 在255.33 nm处几乎已经看不到特征峰。 涂有80 nm银纳米粒子的1:2 000的毒死蜱残留的苹果样品的LIBS红线光谱在213.62, 214.91和253.56 nm处有了显著的增强, 其强度大约是未涂抹纳米粒子样品的4倍。 在255.33 nm处也能清楚地观察到P元素的特征峰。 可见, 纳米粒子对LIBS光谱有显著的增强效果。

图3

Fig.3

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	图3 纳米粒子对毒死蜱中P元素的LIBS信号增强 (a): P元素在213.62和214.91 nm的谱峰(b): P元素在253.56和255.33 nm的谱峰Fig.3 Signal enhancement of P element in chlorpyrifos by nanoparticles (a): Spectral peaks at 213.62 and 214.91 nm; (b): Spectral peaks at 253.56 and 255.33 nm

在我们以前的研究中, 高浓度毒死蜱(1:100)残留的苹果样品中能够观测到Cl元素在837.59 nm处的特征峰。 而在1:2 000的毒死蜱残留的苹果样品中未观察到Cl元素的特征峰, 即使涂抹了80 nm银粒子的样本也未观测到Cl元素的特征峰。 这可能是由于在苹果表面, 毒死蜱中的Cl元素相对于P元素更难产生跃迁。

为了探索金属纳米粒子对LIBS光谱的增强效果, 我们研究了延时和纳米粒子的材料、 粒径对LIBS光谱的影响, 从而选择最优实验参数, 以获得最优检测限。

图4所示的是分别涂抹不同金属纳米材料和不同粒径纳米粒子的1:2 000的毒死蜱残留的苹果样品的LIBS光谱。 其中, 黑色线是具有1:2 000的毒死蜱残留的苹果样品的LIBS光谱; 粉红色线是涂抹了20 nm金粒子的1:2 000的毒死蜱残留的苹果样品的LIBS光谱; 蓝色线是涂抹了20 nm银粒子的1:2 000的毒死蜱残留的苹果样品的LIBS光谱; 红色线是涂抹了80 nm银粒子的1:2 000的毒死蜱残留的苹果样品的LIBS光谱。

图4

Fig.4

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	图4 不同粒径和种类的纳米粒子对毒死蜱中 P元素的增强效果 (a): P元素在213.62和214.91 nm的谱峰; (b): P元素在253.56和255.33 nm的谱峰Fig.4 Signal enhancement of P element in chlorpyrifos by noble metal nanoparticles with different sizes (a): Spectral peaks at 213.62 and 214.91 nm; (b): Spectral peaks at 253.56 and 255.33 nm

由图4中可以看出, 在213.62, 214.91和253.56 nm处, 涂抹了纳米粒子的毒死蜱残留的苹果样品的LIBS光谱强度具有明显的增强, 而且80 nm银粒子的增强效果最好。 比较粉红色线和蓝色线, 可以看出涂有不同金属纳米材料的毒死蜱残留苹果样品的LIBS光谱存在着明显的差异, 银纳米粒子的增强效果要强于金纳米粒子。 比较红色线和蓝色线, 可以看出涂有不同粒径的银纳米粒子的毒死蜱残留苹果样品的LIBS光谱也存在着显著差异, 80 nm的银粒子的增强效果要明显强于20 nm。 在255.33 nm处, 我们可以观察到分别涂有20 nm金粒子、 20 nm银粒子和80 nm银粒子的毒死蜱残留苹果样品的LIBS光谱都有明显的增强, 但是增强效果没有显著的差异。 除此之外, 图4(a)中A, B和C三个波峰处也有显著增强, 这可能是来源于苹果表皮或者空气中的元素, 在本研究中不做讨论。 由以上分析可以看出, 80 nm银粒子增强效果最优。

根据LIBS原理, 激光打在样本上以后, 瞬时内以轫致辐射为主, 同时有样本发热的辐射以及大量的激光在样本表面的反射光。 等离子体发射的原子光谱被淹没在热辐射等背景噪声信号中, 表现为光谱背景噪声很强, 光谱基线整体抬高, 趋于连续谱。 随着等离子体的能量降低, 轫致辐射和热辐射越来越弱, 而等离子体元素发射的原子光谱信号相对变得越来越强, 表现为各个波长的特征尖峰。 因此LIBS系统对光谱采集时机要求严格, 延时时间太短, 光谱信噪比太低, 很多有用信号淹没在背景噪声里, 而延时时间太长的话, 等离子体的发射谱消逝殆尽, 也将造成信噪比降低。 选择多长的延时需要根据样本种类、 样品性状、 激发光能量等综合考虑, 合适的延时时间, 可以提高有用信号信噪比。

图5所示是涂有80 nm银粒子的1:2 000的毒死蜱残留苹果样品在不同延时时间下的LIBS光谱, 从图中可以看出, 延时越长背景越低, 但是当延时大于0.4 μ s时, 几乎已经观测不到P元素的特征峰了。 虽然0和0.2 μ s时, LIBS光谱的背景相对较高, 但是P元素的特征峰也相对较强。 当延时时间为0.2 μ s时, P元素的特征峰强度最强。 从以上分析可以看出, 0.2 μ s的延时间在本次试验中能够获得最优的增强效果。

图5

Fig.5

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	图5 不同延时时间采集的毒死蜱LIBS光谱 (a): P元素在213.62和214.91 nm的LIBS光谱; (b): P元素在253.56和255.33 nm的LIBS光谱Fig.5 LIBS spectra of chlorpyrifos collected at different delay time (a): Spectral peaks of P element at 213.62 and 214.91 nm; (b): Spectral peaks of P element at 253.56 and 255.33 nm

由以上分析可以看出, 不同实验参数(延时和金属纳米粒子的材料、 粒径)对LIBS光谱的增强影响很大。 我们选择80 nm银粒子进行LIBS光谱增强的定量化检测探索, 延时时间选择0.2 μ s。

我们定量化的分析了毒死蜱的光谱强度与浓度的关系。 我们利用P元素在213.62, 214.91, 253.56和255.33 nm的特征峰的峰强, 对浓度分别为1:2 000, 1:3 000, 1:4 000, 1:5 000, 1:6 000和1:10 000(苹果表面残留的浓度分别为30, 20, 15, 12, 10和6 μ g· cm^-2)的毒死蜱进行了定量化曲线拟合。 如图6所示, 光谱特征峰的强度随农药浓度的增加而增强。

图6

Fig.6

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	图6 P元素在四个特征峰处的强度回归曲线 (a): P元素在213.62 nm的回归曲线; (b): P元素在214.91 nm的回归曲线; (c): P元素在253.56 nm的回归曲线; (d): P元素在255.33 nm的回归曲线Fig.6 Intensity regression curves of P element at four characteristic peaks (a): Peak at 213.62 nm; (b): Peak at 214.91 nm; (c): Peak at 253.56 nm; (d): Peak at 255.33 nm

为了探索金属纳米粒子对水果表面农药残留定量化检测的能力的提升, 我们分别计算了毒死蜱中P元素在各峰位的检测限。 计算公式采用的是3σ /k, 其中σ 是背景光谱的标准差, k是定量化曲线的斜率。 利用四个峰强计算出的检测限如表1所示。 可以看出, 利用纳米增强LIBS技术测量苹果表面的毒死蜱农药最低可以做到1.61 μ g· cm^-2的检测限。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 毒死蜱根据P元素在四个谱峰的检测限 Table 1 The detection limits of chlorpyrifos at four peaks of P element Wavelength LODs of NELIBS/(μ g· cm-2) PⅠ (213.62 nm) 3.52 PⅠ (214.91 nm) 2.75 PⅠ (253.56 nm) 1.61 PⅠ (255.33 nm) 5.93

表1 毒死蜱根据P元素在四个谱峰的检测限 Table 1 The detection limits of chlorpyrifos at four peaks of P element

由以上分析可以得出, 金属纳米粒子增强使得LIBS的检测灵敏度有了很大的改善, 对农药残留的测量可以实现极低的检测限。 这将为LIBS在水果表面微量有害元素检测方面发挥重要作用。