本发明属于光学检测技术领域，涉及了一种操作简便、高灵敏度、快速、多元素的土壤有效态重金属元素的检测方法及其检测装置。
背景技术：
随着中国社会经济的快速发展，环境污染问题逐渐成为威胁生态环境，影响人民健康的严重问题。根据2014年发布的《全国土壤污染调查报告》，全国土壤污染总的点位超标率为16.1％，其中主要以无机污染为主，占比达到82.2％，而在无机污染中又以镉元素，铅元素对人体威胁最为严重。
镉元素的危害主要体现在其致癌性及骨骼致畸性，上世纪60年代，日本富山县稻谷的镉污染超标导致了当地居民大范围出现骨质疏松，骨骼萎缩等症状，当地致畸率大幅提高，而近年来中国的镉大米事件也层出不穷，充分反映了镉污染的严重性。铅元素的危害主要体现在对人体脑组织的伤害，尤其是对儿童，儿童铅中毒会出现发育迟缓、食欲不振、行走不便和便秘、失眠；还有的伴有多动、听觉障碍、注意不集中和智力低下等现象，严重者造成脑组织损伤，可能导致终身残废。由此可见，土壤重金属污染已对我国的粮食安全造成了极大影响，并潜在威胁着我国人民群众的身体健康。因此，急需一种操作方法简便，检测速度快，可多元素分析的检测方法。
激光诱导击穿光谱(laser-inducedbreakdownspectroscopy,简称libs)技术是一种新型成分分析方法。该方法操作简便，具有快速、多元素分析的能力，并已在土壤重金属检测领域有一些初步应用。研究论文《libs技术在土壤重金属污染快速测量中的应用》(化学进展，第20卷，7/8期，2008年8月发表)介绍了libs的工作原理，并综述了libs技术在土壤重金属as、cd、cr、hg、pb和zn等污染快速测量中的应用和仪器研究进展。研究论文《土壤中cd元素的激光诱导击穿光谱检测研究》(应用激光，第32卷，2期，2012年4月发表)使用libs技术检测了土壤中的cd元素，获得了59ppm的检测极限。研究论文《土壤中重金属元素的双脉冲激光诱导击穿光谱研究》(物理学报，第62卷，4期，2013年4月发表)介绍了双脉冲libs的工作原理，并使用双脉冲libs技术检测了土壤中的mn,cr,cu,pb元素，相比于普通libs技术获得了2-3倍的光谱增强效果。
综上所述，目前研究人员主要将libs技术用于土壤中重金属总量的检测，而实际上土壤中能被植物吸收，从而影响人类身体健康的并非是总量重金属，而是有效态重金属。
目前对于土壤中有效态重金属的传统检测方法主要是通过化学浸提分析方法与光谱分析法结合，即采用一种适当组成与组成比例的试剂溶液，或者几种不同的试剂溶液(浸提能力依次加强，以一定顺序依次浸提)，按照一定的土液比与浸提工艺方法浸提，而后采用原子吸收光谱法(aas)或电感耦合等离子体-原子发射光谱法(icp-ms)等测定浸提液中的重金属含量。
所结合的传统光谱分析法主要有原子吸收光谱法(atomicabsorptionspectroscopy，aas)、电感耦合等离子体-原子发射光谱法(inductivelycoupledplasmaopticalemissionspectrometry，icp-aes)、电感耦合等离子体-质谱法(inductivelycoupledplasmamassspectrometry，icp-ms)、原子荧光光谱法(atomicfluorescencespectroscopy，afs)等。其中，aas方法通过强酸将土壤全部消解，使用石墨炉或者火焰法将样品原子化，之后采用特定波长的空心阴极灯照射原子蒸汽，测定特征光谱的吸收率，从而获得样品中元素的浓度。icp-aes同样采用强酸完全溶解土壤样品，之后由氩气引导溶解液进入电感耦合装置，并实现等离子化，通过测定离子化粒子的原子发射光谱来确定样品中元素浓度。icp-ms与icp-aes的前半部分样品处理步骤相同，区别在于icp-ms在样品离子化后，将样品输入离子分离装置，实现正离子、负离子、中性粒子以及光子的分离，最后通过电磁装置筛选出不同质荷比的离子并在检测器上计数，从而获得元素浓度信息。与以上方法不同，afs在采用强酸完全溶解样品后，将硼氢化钾加入到溶解液中与待测元素反应，生成气态的氢化物，再利用氩气引导氢化物进入原子化器，原子化后采用空心阴极灯照射待测物质，将基态的粒子激发到高能态，通过获取高能态粒子发射的特定波长荧光来检测样品中元素含量。
这些方法虽然有较高的检测灵敏度，但是技术本身的检测周期均较长，且由于均需要接触式检测，导致在检测后为了防止污染需要每次做仪器清洗工作，这大大增加了操作的复杂度，且费时费力。而由于土壤污染物实际检测具有范围广、工作量大，以及类型多等特点，因此寻求一种操作方法简便、检测速度快并且灵敏度高的有效态重金属检测方法是尤为必要的。
与此同时，普通libs技术的检测极限通常在10毫克/千克量级，并不能满足对于土壤中重金属检测要求，尤其是cd元素，国标一级土壤的标准是0.2毫克/千克。因此，开发一种检测土壤中有效态重金属含量在0.2毫克/千克以下的方法将会具有十分重要的意义。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种土壤有效态重金属元素的高灵敏度检测方法及其检测装置，其目的在于，能将土壤中有效态元素快速提出，且能快速、高灵敏度分析土壤中有效态重金属含量，由此解决传统的用于土壤有效态重金属的检测方法周期性长，操作复杂的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种土壤有效态重金属元素的高灵敏度检测方法，包括以下步骤：
(1)将盐酸与土壤样品按质量比为10:1～5:1的比例混合，获得待检测混合物；
(2)将待检测混合物在超声震荡器中震荡10分钟～20分钟，充分提取土壤中盐酸有效态重金属；
(3)将经超声震荡后的土液混合物置于离心机中，离心处理10分钟～20分钟，提取上层清液至试管中；
(4)将显微载玻片置于加热平台上，并将步骤(3)中获得的上层清液提取并滴于显微载玻片上，经2分钟～5分钟加热，提取液挥发完全，重金属盐类分布于显微载玻片上；
(5)利用聚焦激光烧蚀显微载玻片上提取液挥发区域，获取相应重金属的等离子体发射光谱；
(6)通过建立有效态重金属元素含量与相应等离子体光谱强度的定标曲线，得到土壤中有效态重金属元素含量。
进一步的，步骤(1)中，所述盐酸的ph值为0.5～1.5，
进一步的，步骤(1)中，所述盐酸的ph值为1。
进一步的，步骤(6)中，土壤中有效态重金属元素的检测极限达到亚毫克/千克量级。
按照本发明的另一方面，还提供了一种实现如上方法的检测装置，其包括激光器1、反射镜2、聚焦镜3、位移平台5、采集器6、采集光纤7、光谱仪8、iccd9、光谱仪同步信号传输线10、数据传输线11以及电脑12，其中，样品4设置在位移平台5上，其中，激光器1用于发射出烧蚀样品的激光束，反射镜2设置在激光出射方向上，用于将激光束反射至聚焦镜3上，位移平台5设置在聚焦镜3出射光方向上，位移平台5用于放置待测量的样品4，激光器1通过数据传输线11连接iccd9，iccd9通过光谱仪同步信号传输线10连通电脑12，iccd9同时连接在光谱仪8上，光谱仪8还通过采集光纤7连接采集器6，采集器6设置在靠近位移平台5处，以便于采集样品被激光烧蚀获得的等离子体发射光谱。
进一步的，所述激光器是波长1064nm的quantelbrilliantb激光器。聚焦镜3为平凸透镜形式。
早在1996年，qianj等人就提出了盐酸提取法，所提取的土壤中的重金属形态是指植物可利用的重金属所有形态，因此种方法所提取的重金属含量与植物的相关性较好，所以可用来作为土壤中有效态重金属含量来评价土壤中重金属的短期或中期存在的危害
本发明利用盐酸在超声震荡条件下提取土壤中有效态重金属，将固相重金属在相对简单条件下转化为液态，再利用富集表面增强原理，将液态重金属在显微载玻片表面转化为固态重金属盐的形式，最终利用激光诱导击穿光谱技术对样品进行分析，从而实现对土壤中有效态重金属元素的高灵敏度分析。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本方明提出土壤有效态重金属固-液-固转化体系，实现了libs技术对土壤中有效态重金属元素的检测分析；
(2)本发明对提取液固化区域的光谱整体采集，一片固化区域的光谱被累计在一幅光谱中，有效的克服了液滴固化后，固相物质分布不均导致光谱波动大的现象；
(3)土壤中有效态重金属经固-液-固转化体系固化在显微载玻片上之后，由于没有土壤基体的干扰及土壤基体对激光能量的吸收，由激光烧蚀产生的重金属等离子体光谱信噪比得到了极大的提升；
(4)本发明所公开的方法利用盐酸提取体系，在超声震荡条件下实现了土壤有效态重金属元素的提取，利用显微载玻片将提取液固化，实现了有效态重金属元素的光谱增强，有效的提升了重金属元素的检测灵敏度，可以作为土壤有效态重金属元素的检测方法，从而为土壤污染治理提供有效的数据支持。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中制备的样品实物图；
图3是本发明方法的检测装置结构示意图；
图4(a)、图4(b)分别是镉元素、铅元素的采集光谱与传统libs采集光谱对比图；
图5(a)、图5(b)分别是本发明所获得的有效态镉元素、铅元素的定量分析曲线。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1.激光器；2.反射镜；3.聚焦镜；4.样品；5.位移平台；6.采集器；7.采集光纤；8.光谱仪；9.iccd；10.光谱仪同步信号传输线；11.数据传输线；12.电脑。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明方法利用盐酸溶液提取土壤中有效态重金属，将固相分析物转化为液相，再通过载玻片表面增强，将液相分析物固化，有效的提高检测灵敏度，并实现了土壤中有效态重金属元素的检测。
本发明方法包括样品制备和光谱采集两个过程，图1是本发明方法的流程示意图，样品制备过程如图1所示，具体包括下述步骤：
(1)将盐酸与土壤样品按质量比为10:1～5:1的比例混合，获得待检测混合物；
(2)将待检测混合物在超声震荡器中震荡10分钟～20分钟，充分提取土壤中盐酸有效态重金属；
(3)将经超声震荡后的土液混合物置于离心机中，离心处理10分钟～20分钟，提取上层清液至试管中；
(4)将显微载玻片置于加热平台上，并将步骤(3)中获得的上层清液提取并滴于显微载玻片上，经2分钟～5分钟加热，提取液挥发完全，重金属盐类分布于显微载玻片上；
(5)利用聚焦激光烧蚀显微载玻片上提取液挥发区域，获取相应重金属的等离子体发射光谱；
(6)通过建立有效态重金属元素含量与相应等离子体光谱强度的定标曲线，得到土壤中有效态重金属元素含量。
为了更详细的说明本发明方法，下面结合具体的实施例进一步阐述如下。
实施例1本实施例用于检测重金属元素铅
第1步，取土壤样品于离心管中，按土液比1:5的比例加入盐酸，盐酸ph值为1，采用浓盐酸稀释制得，之后将混合液密封；
第2步，将密封后的离心管置于超声清洗机中，超声震荡15分钟；
第3步，取出超声震荡后离心管，置于离心机中，4000转/分钟离心10分钟；
第4步，取出离心管，将上层清液导入另一个离心管，并按1000:1比例加入颜色指示墨水；
第5步，吸取提取液5μl，滴于载玻片上，载玻片置于设置为70摄氏度的加热器上，加热蒸发2分钟，获得待测样品，样品如图2所示，图2是本发明实施例中制备的样品实物图。
第6步，打开采集装置，对图2中所获的样品激光烧蚀，获取相应重金属的等离子体发射光谱，通过建立有效态重金属元素含量与相应等离子体光谱强度的定标曲线，得到土壤中有效态重金属元素含量。
实施例2本实施例用于检测重金属元素铅
第1步，取土壤样品于离心管中，按土液比1:10的比例加入盐酸，盐酸ph值为1，采用浓盐酸稀释制得，之后将混合液密封；
第2步，将密封后的离心管置于超声清洗机中，超声震荡10分钟；
第3步，取出超声震荡后离心管，置于离心机中，5000转/分钟离心15分钟；
第4步，取出离心管，将上层清液导入另一个离心管，并按800:1比例加入颜色指示墨水；
第5步，吸取提取液5μl，滴于载玻片上，载玻片置于设置为70摄氏度的加热器上，加热蒸发2分钟，获得待测样品，样品如图2所示，图2是本发明实施例中制备的样品实物图。
第6步，打开采集装置，对图2中所获的样品激光烧蚀，获取相应重金属的等离子体发射光谱，通过建立有效态重金属元素含量与相应等离子体光谱强度的定标曲线，得到土壤中有效态重金属元素含量。
实施例3本实施例用于检测重金属元素镉
第1步，取土壤样品于离心管中，按土液比1:8的比例加入盐酸，盐酸ph值为1，采用浓盐酸稀释制得，之后将混合液密封；
第2步，将密封后的离心管置于超声清洗机中，超声震荡20分钟；
第3步，取出超声震荡后离心管，置于离心机中，3000转/分钟离心20分钟；
第4步，取出离心管，将上层清液导入另一个离心管，并按1000:1比例加入颜色指示墨水；
第5步，吸取提取液5μl，滴于载玻片上，载玻片置于设置为70摄氏度的加热器上，加热蒸发2分钟，获得待测样品，样品如图2所示，图2是本发明实施例中制备的样品实物图。
第6步，打开采集装置，对图2中所获的样品激光烧蚀，获取相应重金属的等离子体发射光谱，通过建立有效态重金属元素含量与相应等离子体光谱强度的定标曲线，得到土壤中有效态重金属元素含量。
图3是本发明方法的检测装置结构示意图，由图可知，其检测装置包括激光器1、反射镜2、聚焦镜3、位移平台5、采集器6、采集光纤7、光谱仪8、iccd9、光谱仪同步信号传输线10、数据传输线11以及电脑12，其中，样品4设置在位移平台5上。
激光器1用于发射出烧蚀样品的激光束，反射镜2设置在激光出射方向上，用于将激光束反射至聚焦镜3上，位移平台5设置在聚焦镜3出射光方向上，位移平台5用于放置待测量的样品4，激光器1通过数据传输线11连接iccd9，iccd9通过光谱仪同步信号传输线10连通电脑12，iccd9同时连接在光谱仪8上，光谱仪8还通过采集光纤7连接采集器6，采集器6设置在靠近位移平台5处，以便于采集样品被激光烧蚀获得的等离子体发射光谱。
光谱采集的具体过程如图3所示，具体包括下述过程：
第1步，打开采集装置，将图2中所获的样品置于位移平台5上；
第2步，将位移平台5的运动模式设置为弓形运动，运动速度5毫米/秒，x轴移动距离为12毫米，y轴移动距离0.6毫米，单幅光谱积累300个脉冲，iccd的曝光时间为1分钟。这样使得采集区域面积约为10毫米×10毫米，可以覆盖整个提取液蒸发区域，以保证采集光谱的稳定性；
第3步，打开激光器与iccd，采集延时设为2微秒，舍去延时靠前部分光谱，以减小连续背景干扰，最终获得土壤提取液中重金属元素光谱。
为进一步说明本发明的具体步骤，以下结合对土壤中有效态镉元素、铅元素检测的实施例进行说明：
(1)准备工作。首先准备7份江南地区黄红壤有效态样品，每份样品1克，置于离心管中，标号1-7，再分别加入0.5毫升镉元素、铅元素含量分别为0，1，2，4，6，8，10毫克/千克的标准液，静置风干；
(2)按照图1及所示的制样方法制取7个涂有1-7号待测样品的载玻片。
(3)将样品置于图3所示装置上，并利用该装置进行光谱采集，将位移平台5的运动模式设置为弓形运动，运动速度5毫米/秒，x轴移动距离为12毫米，y轴移动距离0.6毫米，iccd的采集时间设为1分钟。这样使得采集区域面积约为10毫米×10毫米，可以覆盖整个提取液蒸发区域，以保证采集光谱的稳定性；激光器的能量为70毫焦，光谱仪的采集延时为2微秒，门宽为2微秒。采集光谱如图4实线所示，虚线为传统压片方法获得光谱。
图4(a)、图4(b)分别是镉元素、铅元素的采集光谱与传统libs采集光谱对比图，从图4(a)和图4(b)中可以看出，相比于传统压片法，本发明制样所获得重金属光谱强度明显增强。
(4)对7种样品以同样参数进行实验，获得相应214.4纳米镉元素光谱和405.78纳米铅元素光谱，并建立定标曲线，定标曲线如图5所示。
图5(a)、图5(b)分别是本发明所获得的有效态镉元素、铅元素的定量分析曲线，从图5(a)和图5(b)中可以看出，对于重金属铅元素和镉元素的定标曲线拟合度都大于0.98，线性度较好，且根据经典的检测极限lod计算公式：
计算可得铅元素检测极限为1毫克/千克，镉元素检测极限约为0.07毫克/千克。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。