[发明专利]基于共线双脉冲激光诱导击穿光谱的土壤铁元素的快速检测方法

说明书

本发明公开了一种基于共线双脉冲激光诱导击穿光谱的土壤铁元素的快速检测方法，包括：将多种标准土壤及其两两等比混合的办法制备含有N个铁浓度的土壤样本；然后对双脉冲LIBS系统的仪器参数进行优化，并采集土壤压片样本的LIBS谱线；对光谱数据经过预处理后，选择Fe I 385.99nm、Fe I 399.74nm、Fe I 407.76nm处的信号作为输入值，样本中铁元素浓度作为输出值，建立土壤样本铁含量预测的多元回归分析模型。预测决定系数R²达到0.968。本发明实现了土壤中铁元素含量的快速检测，具有操作简单，成本低等特点；同时由于共线双脉冲的信号增强作用，本方法的检测精度较高，可以为开发便携式的土壤铁元素含量检测仪器提供参考。

技术领域

本发明涉及土壤营养元素检测技术，尤其涉及一种基于共线双脉冲的激光诱导击穿光谱的土壤铁元素的快速检测方法。

背景技术

土壤营养元素能够反映土壤的肥力，影响作物产量及品质。铁元素参与光合作用和固氮过程，在叶绿素合成中起关键作用。土壤铁含量过低，作物生长发育受到明显的影响，产量降低，品质下降。另一方面，铁元素过多会使作物中毒，轻则影响产量和品质，严重时甚至危及人畜健康。因此，对土壤中铁元素的定量检测对于作物生长及食品安全有着重要的意义。目前，土壤中铁元素的主要检测方法有原子吸收法，电感耦合等离子体质谱法，电感耦合等离子体原子发射光谱法等化学检测方法，这些方法虽然检准确度高，但需要消耗化学试剂对样品进行消解处理，对操作人员的专业程度要求高，检测过程复杂、周期较长，无法实现土壤铁元素的高效、准确、实时检测。

激光诱导击穿光谱仪(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)利用脉冲激光烧蚀样本产生等离子体发射特定的光谱信号，通过光谱仪获取的等离子体发射的光谱，可以实现样本中元素组成及含量的分析。但是元素检测限较高一直是LIBS技术的难题。因此，LIBS信号增强技术成为国内外学者的关注焦点。基于共线双脉冲的LIBS信号增强技术是目前效果较好，应用较多的信号增强技术之一。应用共线双脉冲激光诱导击穿光谱技术能快速准确的获取土壤铁含量，有利于作物生长及食品安全控制。

发明内容

本发明公开了一种土壤营养元素的快速检测方法，实现了基于共线双脉冲激光诱导击穿光谱对土壤铁元素的快速检测，具有操作简单，检测成本低，准确度高等特点。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于共线双脉冲激光诱导击穿光谱的土壤铁元素的快速检测方法，包括步骤：

1)制得N个梯度的含铁土壤样本，并制成压片样品，样本中铁元素浓度记为Y；

2)采用双脉冲激光采集含铁土壤样本的LIBS光谱数据记为X；

3)根据LIBS光谱数据X数据曲线，结合波长与元素一一对应的关系，找出铁元素对应的波长；

4)对LIBS光谱数据X进行预处理，预处理后的数据为X1，在X1中提取出与步骤3)中铁元素波长对应的光谱数据X2；采用X-Y共生矩阵法将所得光谱数据(X2,Y)按2:1的比例划分为建模集和预测集；

5)分别以建模集中的X2作为输入，Y为输出，建立土壤样本中铁元素浓度与对应LIBS谱线强度的多元线性回归分析模型：

Y＝0.0059X1-0.0011X2+0.0002X3+0.4398

其中，Y为样本中铁元素的实际含量，X1、X2、X3分别为与铁元素对应的385.99nm、399.74nm、407.76nm的信号强度；

将预测集中的X2带入建立的定量分析模型，得到样本中铁元素的预测浓度。