激光诱导击穿光谱技术在土壤重金属元素成像与空间分布分析中的应用研究

为解决土壤重金属污染快速检测与空间分布可视化难题，研究人员开发了基于激光诱导击穿光谱（LIBS）的高分辨率成像系统，通过Cu、Cr、Pb元素特征谱线RGB合成与K-means聚类算法，实现了污染等级划分与三维迁移分析，为土壤修复提供精准数据支持。

　　

土壤作为农业生产的基石，其质量直接关系到粮食安全与人类健康。然而，随着工业化进程加速，工业排放与污水灌溉导致铜（Cu）、铬（Cr）、铅（Pb）等重金属在土壤中不断累积。这些无法被微生物降解的有毒元素，不仅破坏土壤生态功能，还会通过食物链威胁人体健康。传统检测方法如原子吸收光谱（AAS）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）存在样品前处理复杂、成本高等缺陷，而遥感技术又难以实现微米级分辨率成像。面对这一全球性环境挑战，亟需开发一种快速、原位、高精度的重金属分析技术。

中国国家自然科学基金资助项目（62375136）支持下，研究人员构建了基于激光诱导击穿光谱（LIBS）的创新检测系统。该系统采用1064 nm纳秒脉冲激光，通过优化激光能量与光谱仪延迟时间，在300 μm分辨率下完成21 mm×20.7 mm区域扫描。研究团队选取Cu I 327.396 nm、Cr I 359.348 nm和Pb I 405.781 nm特征谱线，首次将LIBS技术应用于土壤重金属空间分布的可视化分析。

关键技术方法

1. LIBS参数优化：调节激光脉冲能量（6 ns脉宽，10 Hz重复频率）与时间延迟，提升信噪比（SNR）

2. 元素成像：通过RGB通道合成技术，将光谱强度转化为伪彩色分布图

3. 污染分级：应用K-means算法划分严重/中度/轻度污染区域

4. 三维分析：结合主成分分析（PCA）降维技术，解析重金属纵向迁移规律

主要研究结果

Experiment setup

搭建的LIBS系统包含Nd:YAG激光器、多通道光谱仪（AvaSpec ULS2048-4）和数字延迟发生器，通过反射镜组与平凸透镜实现精准聚焦，光谱范围覆盖200-900 nm。

Spectral analysis of the soil

对比污染与清洁土壤光谱，发现Cu、Cr、Pb特征峰强度差异显著。等离子体形成初期需规避连续背景辐射干扰，最佳检测窗口为延迟1.2 μs后。

Conclusion

研究证实LIBS技术可实现土壤重金属的快速成像分析，RGB合成图像与显微结构高度吻合。通过K-means聚类计算出不同污染等级面积占比，PCA分析揭示了重金属在深层土壤中的异质性分布。

这项发表于《Journal of Hazardous Materials》的研究具有双重突破性：技术上，首次实现LIBS对土壤重金属的微米级三维成像；应用上，为污染溯源与修复边界划定提供新工具。Boyuan Han等作者开发的检测系统无需复杂前处理，单次扫描即可获得多元素分布数据，对发展智能环境监测装备具有重要指导意义。尤其值得注意的是，该方法可扩展应用于工业废渣、沉积物等复杂基质的重金属检测，为《土壤污染防治行动计划》的实施提供了创新技术支撑。