近年来,我国经济飞速增长的同时,环境问题也更加严峻,其中土壤重金属污染问题尤为突出。激光诱导击穿光谱技术(Laser induced breakdown spectroscopy,LIBS)具有近似无需对样品预处理、能够同时对多元素快速检测等优势,非常适合应用于土壤重金属检测的研究中。本文介绍了LIBS技术在土壤重金属检测方面的国内外研究现状以及存在的问题。系统的阐述了激光等离子体的相关理论,并根据LIBS技术原理搭建了实验系统。将LIBS理论分析和实验研究相结合,重点针对土壤重金属元素的检测和定量分析开展了如下研究:(1)谱线的选取、LIBS实验参数的优化及光谱数据的降噪处理。首先,比较同一元素不同特征谱线的信背比及其对元素含量变化的敏感度,选取合适的特征谱线作为LIBS的分析线。其次,以光谱信号信背比、等离子体电子温度以及LIBS信号强度作为评价指标,优化了光谱仪采集延时、透镜与样品间的距离(lens to sample distance,LTSD)以及光纤探头收集等离子体的位置。Cu和Cr元素的最佳延迟时间分别为1.8μs、2.0μs;最佳LTSD分别为96mm和98mm;光纤探头探测角度和距离分别为25°和1.5cm。最后,选择Savitzky-Golay滤波算法作为光谱预处理的方法,去除光谱数据中的噪声。(2)降低土壤基体效应对LIBS定量分析的影响。LIBS土壤等离子体定量分析的准确性主要受到基体效应的影响。从添加土壤凝结剂和使用金属基体辅助LIBS检测两方面来消除基体效应的干扰。在添加土壤凝结剂方面,选择添加80%含量KBr凝结剂提高激光与土壤的耦合效率,样品的烧蚀量增加了0.234g,Cd元素的谱线强度提高了近2倍且其平均相对标准偏差(relative standard deviation,RSD)降低了3.11%,并改善了定标曲线中不同浓度数据点的离散度,相关拟合系数R2=0.934要远高于直接测量的R2=0.759,且相对预测误差平均值相较于直接测量降低了21.06%。在金属基体辅助LIBS检测方面,通过土壤泥浆化涂抹于Cu、Al、Zn三种金属基体表面进行LIBS实验测量。脉冲激光作用在金属基体表面产生的金属高温等离子体对待测样品进行二次加热,会进一步激发目标元素的原子从而产生更强的LIBS信号,Cd元素的定标曲线相关系数R2分别为0.903、0.962和0.956,且平均RSD分别为3.87%、6.20%和7.39%,实现了基体效应的有效减弱。(3)对于自由定标法(Calibration Free-LIBS,CF-LIBS)分析土壤重金属元素含量的优化。土壤组成成分丰富且未知,常规的定量分析方法所建立的定标曲线具有一定的局限性和适用性,本文采用无须建立定标曲线模型的CF-LIBS分析土壤重金属元素含量。并将分析结果与ICP-MS的检测结果进行对比,结果表明,目标元素的平均相对误差为10.87%。之后采用内标线自吸收校正理论(internal reference for self-absor-ption correction,IRSAC)校正自吸收效应对谱线强度的影响,并结合CF-LIBS再次分析目标元素含量,结果表明校正后的目标元素的平均相对误差为5.21%,CF-LIBS的准确性得到了显著的提高。