乳制品中重金属快速检测方法研究

摘要

在各种重金属检测技术中，激光诱导击穿光谱（laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）技术具有高灵敏、简便、快速等显著优点，可以直接对样品进行无损检测，在乳制品检测中具有巨大的应用潜力。本文创新性地将LIBS引入乳制品安全检测领域，结合高效的光谱数据预处理算法和精确的模型定标方法，以达到乳制品中低浓度重金属元素快速、精确检测的目的。
　　本文围绕LIBS对乳制品中重金属的快速检测开展了一系列工作，遵循选择典型对象、突出主要因素的思路，重点选择市面上常见品牌的奶粉作为实验样品，以最常见的重金属污染源Cu、Pb和Cr为检测指标，探讨LIBS在奶粉重金属检测中的可行性。由于奶粉是一种复杂多组分体系，大量基质的存在会对LIBS信号造成严重的干扰，必须精确调整延迟时间、透镜焦平面距离等样品测量参数，才能获取最佳的LIBS信号，进而获得良好的重金属测量结果。
　　在LIBS检测中，重金属谱线的确定对其测量起着至关重要的作用。根据发射谱线的物理参数与分析谱线的选定原则，标定了各待分析元素的特征分析谱线，分别为CuⅠ324.75nm、CuⅠ327.40nm、PbⅠ368.35nm、PbⅠ405.78nm、CrⅠ425.43nm、CrⅠ427.48nm。在样品光谱图中标定了各分析谱线的特征谱峰位置，验证了信号强度与元素浓度之间的线性关系。本文使用标准定标曲线法对Cu、Pb、Cr的各条分析谱线分别建立了定标曲线，线性相关系数R2在0.98以上。计算结果表明，Cu、Pb、Cr的检测限分别为0.5768ppm、0.7432ppm、0.2116ppm，低于国家标准对奶粉重金属污染的限量。在校验样品的定量分析中，浓度分析值与实际值之间的相对误差基本保持在5％以内，检测准确度较高。应用内标法对样品进行分析的结果表明，内标法相比标准定标曲线法可进一步提高LIBS定标的线性度与定量分析的准确度。
　　为了进一步提升LIBS光谱的检测限及定量精度，本文发展了一种基于迭代小波变换(iterative wavelet transform，IWT)的光谱数据预处理算法，以有效去除LIBS信号中的背景与噪音信息，进而凸现不同重金属的LIBS特征信号。结果表明，IWT算法显著提升了LIBS光谱定量分析的预测精度，提高定标的线性相关度，并大幅降低了奶粉中重金属的检测限。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 乳制品重金属检测技术发展现状

1．2．2 激光诱导击穿光谱技术简介

1．2．3 LIBS在乳制品重金属快速检测中的应用前景

1．3 本文主要研究内容

1．4 本章小结

第二章 激光诱导击穿光谱理论基础

2．1 激光诱导击穿光谱分析技术

2．1．1 LIBS发展历程

2．1．2 LIBS国外研究现状

2．1．3 LIBS国内研究现状

2．1．4 LIBS应用现状

2．2 激光诱导击穿光谱形成原理

2．2．1 激光烧蚀与激光等离子体的形成

2．2．2 等离子体发射光谱

2．3 激光等离子体物理参数测量原理

2．3．1 等离子体的局部热平衡状态(LTE)

2．3．2 电子密度的测定

2．3．3 等离子体温度的测定

2．4 激光诱导击穿光谱实验系统

2．5 激光诱导击穿光谱技术的优势与不足

2．5．1 LIBS的优势

2．5．2 LIBS的不足

2．6 本章小结

第三章 实验装置与样品制备

3．1 实验装置

3．2 标准样品制备

3．3 实验方法

3．3．1 实验参数优化

3．3．2 数据采集方式

3．4 本章小结

第四章 LIBS检测奶粉样品中重金属元素

4．1 样品LIBS测量

4．2 Cu、Pb和cr特征分析谱线

4．2．1 Cu、Pb和Cr发射谱线

4．2．2 Cu、Pb和Cr特征分析谱线选定

4．3 定性分析

4．4 定量分析

4．4．1 常用LIBS定量分析方法

4．4．2 谱线强度与元素浓度关系

4．4．3 标准定标曲线法分析

4．4．4 内标法分析

4．4．5 定标方法与定标谱线的选择

4．5 本章小结

第五章 IWT算法在LIBS分析中的应用研究

5．3 算法原理与方法

5．3．1 传统DWT滤波的缺陷

5．3．2 IWT的原理与算法流程

5．4 IWT算法处理结果分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢