近年来随着经济的飞速发展,人民生活质量改善的同时,土壤污染问题也更加严峻。土壤中重金属的污染严重影响了农业和食品安全,因此,对重金属污染的高效、准确的检测是目前亟需解决的重要课题。激光诱导击穿光谱(Laser induced breakdown spectroscopy,LIBS)技术因其分析速度快,样品预处理简单,可实现多元素同时检测等优点,非常适合应用在土壤重金属元素的研究中。本文基于LIBS技术对土壤中的重金属元素检测方法的优化进行了研究。在对LIBS技术检测系统中常用的光学系统及应用领域详细分析的基础上,采用导光臂,搭建了一套LIBS土壤重金属检测系统。针对击穿阈值、等离子体特征参量对实验条件优化的影响以及谱线间的干扰问题进行了理论分析与实验研究。具体研究内容如下:(1)基于LIBS技术对能量阈值及光谱特性随光斑尺寸变化分析为了研究激光诱导光学击穿能量阈值及光谱信号随光斑尺寸的变化关系,利用了雪崩击穿阈值理论、光强分布理论和脉冲能量与峰值功率的关系,求得光斑半径与阈值激光能量的理论模型。通过实验得出在阈值激光能量与光斑半径的数学模型,并对理论阈值模型进行修正。修正后的理论阈值模型与实验所得的阈值模型的相对误差小于5.3%。同时分析了光斑半径对光谱信号及电子密度的影响。得到在光斑半径为11μm处光谱强度和等离子体密度存在最大值。因此在LIBS实验过程中需要寻找最佳的光斑尺寸。这为进一步研究光斑尺寸在LIBS技术测量中的影响提供了可靠的理论依据和实验参考。(2)结合等离子体特性对土壤Pb、Ni元素定量分析在LIBS测量时,等离子体特征参量随着实验条件的改变波动较大,会对定量测量产生较大影响。因此在确定最佳实验条件时应考虑到实验条件对等离子体特征参量的影响。本文采用了等离子体特征参量与光谱信号信噪比相结合的方法确定最佳透镜到样品的距离(Lens to sample distance,LTSD)及延迟时间。在最佳LTSD及延迟时间下采用内标法建立了两种元素定标曲线,两种元素定标曲线中相关系数在0.993以上。谱线最大相对标准偏差(RSD)分别为4.47%、4.76%。最大相对误差分别为12%、4.8%。实验结果表明,使用LIBS测量时,结合等离子体特征参数分析,在土壤中重金属元素定量分析时具有重要意义。(3)基于基底背景扣除法消除土壤基底中元素干扰的定量分析采用LIBS技术对土壤中Ni元素进行定量分析时,发现土壤中波长为373.68 nm的Ni元素的特征峰,会受到373.39 nm处的Al元素的特征峰的影响。本文提出了基底背景扣除法来消除土壤基底中Al元素对Ni元素干扰。确定了最佳实验条件,采用内标法和外标法对两种土壤样品中的Ni进行了定量分析,得到内标法中以纯铝为基底采用基地背景扣除法的土壤样品Ni元素的定标曲线相关性较好,相关系数R~2为0.997,样品的最大标准偏差(RSD)为4.34%。内标法中两种样品Ni元素最大相对误差分别为4%、6.1%,外标法中两种样品Ni元素最大相对误差分别为7.5%、10%。实验结果表明:在通过LIBS技术对土壤中重金属元素定量分析时,在元素特征谱线有限的情况下,提高检测精度,采用基底背景扣除的方法能够有效的消除元素间的谱线干扰。