基于光吸收微结构的重金属检测方法及装置

技术领域

本申请涉及光谱分析技术领域，具体而言，涉及一种基于光吸收微结构的重金属检测方法及装置。

背景技术

农业生产过程中产生的氮、磷、有机质等营养物质，在降雨和地形的作用下，进入农业生产区沟渠，对生态环境造成农业面源污染。同时，农业面源污染具有分散性、不确定性、滞后性和双重性等特点，防治难度较大等特点。但值得关注的是，农业沟渠水的质量直接影响到作物生长和食品安全，沟渠水中的重金属含量，尤其是铬(Cr)的监测变得尤为重要。

目前，传统的重金属检测方法，如原子吸收光谱法，虽然准确，但操作复杂、成本高，并且无法实现现场快速检测。激光诱导击穿光谱(LIBS)技术以其无损、快速、直接分析的优点逐渐成为一种有力的替代技术。然而，现有的LIBS技术在检测低浓度重金属时，常受限于信号的强度和稳定性，无法实现农业沟渠水中低浓度重金属铬的快速、准确检测。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例的目的在于提供一种基于光吸收微结构的重金属检测方法及装置，通过采用超短脉冲激光制备光吸收基底（例如：微纳铝箔耗材），将待测样品（例如：农业沟渠水）经过离心后取上层清液转移至光吸收基底并加热干燥，获得富集样品元素的待测样本；可采用532nm波长激光束对待测样本进行烧蚀产生等离子体信号，等离子体信号经过光电探测器传输至高分辨率光谱仪，由激光器产生脉冲信号，以控制高分辨率光谱仪采集等离子体特征光谱信号，对采集的光谱进行处理并分析，可预测得到重金属含量，满足检测系统检测灵敏度的同时，解决了现有检测系统复杂、操作繁琐、稳定性差无法连续工作的问题，可实现农业沟渠水低浓度重金属Cr含量的快速、准确、绿色检测。

第一方面，本申请实施例提供一种基于光吸收微结构的重金属检测方法，所述方法包括：

将采集的样品添加到光吸收基底表面进行干燥，获得待测样本；其中，所述光吸收基底通过对基底材料进行飞秒激光加工制备获得；

采用脉冲激光对所述待测样本表面进行烧蚀，并检测烧蚀后产生的等离子体特征光谱信号；

对所述等离子体特征光谱信号进行定量预测，获得所述样品中的重金属元素含量。

在上述实现过程中，制备具有易于集成、可自动更新替换的光吸收基底对待测样品（例如：农业沟渠水）进行富集，缓解了现有技术对农业沟渠水痕量金属检测难度大、步骤繁琐等不足的缺陷，有利于该技术在灌溉水并推广至地表水、饮用水等其他液体中痕量金属的检测应用。

可选地，所述基底材料包括：铝箔；所述光吸收基底的制备方式包括：

采用超短脉冲激光在铝箔卷表面微加工形成多个周期性微纳结构，以获得光吸收基底；

其中，所述周期性微纳结构表面的反射率低于所述铝箔表面的反射率。

在上述实现过程中，铝箔作为便捷耗材，可以显著增强激光诱导击穿光谱技术在应用时，增强光吸收作用，进而增强激光与样品之间的耦合作用，增强LIBS技术的检测能力；光吸收微纳铝箔表面的微纳结构有利于待测样品的富集，有利于提高LIBS检测的灵敏度和准确性。

可选地，所述多个周期性微纳结构包括多个按照预设周期排列的矩形加工区域；所述矩形加工区域由多条间隔相等、尺寸相等的扫描线组成。

在上述实现过程中，相比于随机的非周期微纳结构，周期微纳结构能够有助于光吸收基底形成性能稳定可靠的固定结构，周期微纳结构中仅包含尺寸相等的扫描线，使得飞秒激光加工时扫描的参数容易控制，降低了技术门槛，可重复性高。

可选地，所述样品包括：沟渠水污染样品；所述将采集的样品添加到光吸收基底表面进行干燥，获得待测样本，包括：

对采集的所述沟渠水污染样品进行离心处理，将离心处理后的上层清液添加到所述光吸收基底表面，干燥后获得待测样本。

在上述实现过程中，通过离心提取清液进行干燥的方式，可以更好地将沟渠水污染样品中溶解的溶质沉积到基底表面，减少样品中未溶解杂质的干扰，提高了后续定量分析的稳定性和准确性。

可选地，所述采用脉冲激光对所述待测样本表面进行烧蚀，并检测烧蚀后产生的等离子体特征光谱信号，包括：

发射脉冲激光，并将所述脉冲激光聚焦至所述待测样本表面进行烧蚀；

探测烧蚀过程中产生的等离子体信号；

将所述等离子体信号分散为不同特征波长的光谱，获得等离子体特征光谱信号。

在上述实现过程中，通过对待测样本烧蚀产生等离子体信号，检测光谱信息进行样品重金属元素含量预测，不仅具有LIBS分析的无接触、快速的一般优点，还在此基础上进一步提高了重金属含量预测的准确性和效率。

可选地，所述对所述等离子体特征光谱信号进行定量预测，获得所述样品中的重金属元素含量，包括：

对所述等离子体特征光谱信号进行异常值剔除；

对异常值剔除后的等离子体特征光谱信号进行光谱基线校正；

基于预设模拟退火算法优化偏最小二乘算法模型对校正后的等离子体特征光谱信号进行定量预测，获得所述样品中的重金属元素含量。

在上述实现过程中，通过模拟退火算法进行全局优化，优选沟渠水光谱数据中相关性好的波长点，可以更准确地确定偏最小二乘算法模型的参数，农业沟渠水通常包含多种化学成分和可能的干扰物质，这种优化方法提高了农业沟渠水这类复杂的环境样本含量预测的准确性。

可选地，所述基于预设模拟退火算法优化偏最小二乘算法模型对校正后的等离子体特征光谱信号进行定量预测，获得所述样品中的重金属元素含量，包括：

基于模拟物理退火优化原理，在初始高温状态下对所述等离子体特征光谱信号进行随机搜索，确定特征波长的非局部最优解；

在从所述初始高温状态缓慢降低温度过程中，对所述等离子体特征光谱信号进行局部搜索，确定特征波长的相对最优解；

在温度缓慢降低至趋于目标终止温度时，停止搜索，获得特征波长的全局最优近似解；

基于所述特征波长的全局最优近似解，确定所述特征波长对应的重金属元素含量。

在上述实现过程中，通过采用模拟退火算法进行优化，能较好处理高维高相关性的沟渠水光谱数据，提高了模型的性能和预测准确性，这种方法通过精心调整控制参数T，并经过一系列迭代，寻找到了最佳的特征波长组合，从而在光谱分析中取得了更准确的结果。

第二方面，本申请实施例提供了一种基于光吸收微结构的重金属检测装置，所述装置包括：预处理模块、烧蚀模块和数据处理模块；

所述预处理模块用于将采集的样品添加到光吸收基底表面进行干燥，获得待测样本；其中，所述光吸收基底通过对基底材料进行飞秒激光加工制备获得；

所述烧蚀模块用于采用脉冲激光对所述待测样本表面进行烧蚀，并检测烧蚀后产生的等离子体特征光谱信号；

所述数据处理模块用于对所述等离子体特征光谱信号进行定量预测，获得所述样品中的重金属元素含量。

可选地，所述烧蚀模块包括：脉冲激光器、卷膜器、光电探测器和高分辨率光谱仪；

所述卷膜器包括：输送平面，所述输送平面用于放置所述待测样本；所述脉冲激光器的出光口正对所述卷膜器的输送平面设置；所述光电探测器的探测口斜向面对所述卷膜器的输送平面设置；所述高分辨率光谱仪与所述光电探测器电连接；

所述脉冲激光器用于发射脉冲激光，并将所述脉冲激光聚焦至所述待测样本表面进行烧蚀；

所述光电探测器用于探测烧蚀过程中产生的等离子体信号；

所述高分辨率光谱仪用于将所述等离子体信号分散为不同特征波长的光谱，获得等离子体特征光谱信号。

第三方面，本申请实施例还提供一种电子设备，包括：处理器、存储器，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当电子设备运行时，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行上述的方法的步骤。

第四方面，本申请实施例提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行上述的方法的步骤。

本申请的有益效果为：制备易于集成，可自动更新替换的光吸收基底对待测样品（例如：农业沟渠水）进行富集，缓解了现有技术对农业沟渠水痕量金属检测难度大、步骤繁琐、稳定性差无法连续工作等不足的缺陷，有利于该技术在灌溉水并推广至地表水、饮用水等其他液体中痕量金属的检测应用。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种重金属检测方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的一种光吸收基底制备装置示意图；

图3为本申请实施例提供的一种光吸收基底结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种待测样本的制备装置示意图；

图5为本申请实施例提供的一种光谱检测装置示意图；

图6为本申请实施例提供的重金属检测装置的功能模块示意图；

图7为本申请实施例提供的电子设备示意图。

图标：210-预处理模块；220-烧蚀模块；230-数据处理模块；300-电子设备；311-存储器；312-存储控制器；313-处理器；314-外设接口；315-输入输出单元；316-显示单元；411-Nd:YAG激光器；412-高分辨率光谱仪；413-反射镜；414-聚焦透镜；415-采集透镜；416-光纤探头；417-X-Y位移平台；418-处理终端；419-光电探测器；420-卷膜器；421-红外加热器。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在介绍本申请实施例前，首先对本申请涉及的技术概念作简要介绍。

激光诱导击穿光谱（LIBS，Laser-induced breakdown spectroscopy）技术是一种光谱分析技术，它利用高能量脉冲激光烧蚀待测样品表面，使微量样品瞬间蒸发、离化形成高密度的激光诱导等离子体。通过收集等离子体冷却过程中释放出的元素特征谱线信号，该技术可以确定样品的物质成分及含量。在实践中，LIBS技术的检测极限受到多种因素的影响，包括等离子体激发温度、光收集窗口以及所观察的过渡谱线的强度。另外，激光能量变化也会对元素谱线强度产生显著影响。因此，在使用LIBS技术进行分析时，需要综合考虑这些因素以获得准确的结果。

偏最小二乘法（PLS，Partial Least Squares）是一种新型的多元统计数据分析方法，由伍德（S. Wold）和阿巴诺（C. Albano）等人在1983年提出。这种方法在一个算法下，可以同时实现回归建模（多元线性回归）、数据结构简化（主成分分析）以及两组变量之间的相关性分析（典型相关分析）。当对光谱数据进行定量预测时，光谱数据通常包含大量的波长或特征变量，而这些变量之间可能存在多重共线性，导致传统的多元线性回归模型不稳定，偏最小二乘法通过结合主成分分析和多元线性回归的优点，能够有效地处理这些问题。

本申请发明人注意到，一方面：针对传统激光诱导击穿光谱检测系统，常用的脉冲延时发生器价格昂贵，控制激光器、光谱仪等设备时间顺序操作复杂，同时时间顺序对检测精度及稳定性影响较大，因此需要对检测系统时序控制进行改进优化，使得检测系统满足时间顺序控制精度，同时简化时序控制设备，降低时序控制设置门槛。另一方面：LIBS技术由于在检测低浓度重金属时，受限于信号的强度和稳定性，阻碍了该技术的发展与应用，然而超短脉冲激光技术的出现却为LIBS技术的提升提供了一种新的途径或思路。

有鉴于此，本申请实施例中基于飞秒激光诱导基底产生表面微纳结构增强的LIBS技术，不仅可以实现对农业沟渠水中低浓度重金属铬的快速、准确检测，还能通过简化操作流程和降低设备成本，使得现场快速检测成为可能，这对于确保农作物的安全生长和维护生态环境具有重要意义。

具体地，本申请实施例提供了一种如下介绍的基于光吸收微结构的重金属检测方法及装置，可适用于水质监测中饮用水、地下水、生活排放废水、工业污水处理厂等需要进行重金属检测的场景，以及土壤及农产品、食品医疗中的重金属含量检测等多种场景。

请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种基于光吸收微结构的重金属检测方法的流程图。下面对本申请实施例进行详细阐释。该方法包括：步骤100、步骤120和步骤140。

步骤100：将采集的样品添加到光吸收基底表面进行干燥，获得待测样本；其中，光吸收基底通过对基底材料进行飞秒激光加工制备获得；

步骤120：采用脉冲激光对待测样本表面进行烧蚀，并检测烧蚀后产生的等离子体特征光谱信号；

步骤140：对等离子体特征光谱信号进行定量预测，获得样品中的重金属元素含量。

示例性地，光吸收基底可以是：通过飞秒激光加工技术在基底材料表面激光加工有规律、有序、周期性的微结构形成性能稳定可靠的光吸收结构。一方面微结构的存在使得基底材料表面可以更好接收或吸收添加到基底表面的样品溶液。另一方面引入微纳米结构，可以使入射光在材料内部的传播路径变长，当光进入这些结构时，由于反射、折射和散射等现象，多次内部反射和散射作用使得光在材料内部被高效吸收，光线在材料内部的实际路径增加，从而增加了光与材料相互作用的机会，提高了光能量的吸收效率，同时微结构增加了材料的表面积，提供了更多的光吸收位点；光吸收基板能够有效吸收激光能量，导致基板表面或接近表面区域的温度迅速升高，有助于生成高温高密度的等离子体，光吸收带来的光谱信号（光谱强度）更强，可对痕量元素的探测更加灵敏。其中，基底材料可以是：金、银、铝等金属基底，石墨、活性炭等碳材料，氧化钛等金属氧化物，纳米、量子点等半导体材料；在基底材料表面干燥添加的液体，溶解在液体中的溶质会因为样品溶液的蒸发而富集在基底微结构表面，进而导致元素的富集，有利于后续对样品的光谱分析。

待测样本可以是：由于使用具有光吸收特性的基底材料作为基底，基底上具有很多激光加工的微结构，可以直接将样品溶液（例如：灌溉水样本）滴加到基底上进行干燥，由于富集效应进而可形成稳定的待测样本结构，无需复杂的化学处理，同时不会带来污染，对操作人员的技术要求低，可简化样品制备过程，使LIBS分析更加的快速，成本效益更高。

定量预测可以是：考虑到等离子体特征光谱数据的高维高相关特性，其获取的LIBS光谱数据偏大，而且部分特征峰谱线波长相距较近，加大了LIBS光谱分析的难度，同时产生了大量的冗余信息，现有基于全光谱数据建立模型不仅运算量庞大，而且光谱中的冗余信息还会影响预测模型的性能，进而影响预测模型对重金属含量的预测，因此本申请实施例可先进行特征波长选择，再结合偏最小二乘算法主成分分析和多元线性回归的优势进行定量预测，不仅可以降低光谱数据的维度、简化模型结构，还可以通过选择出相关性较好的波长点有效提升模型性能，进而提高最终重金属元素含量预测的准确性。

可选地，基底材料以铝箔、样品以农业沟渠水为例进行介绍。首先可通过超短脉冲激光在纯度为99.99%的铝箔卷上制备具有反射率低于铝箔的表面微结构，形成具有光吸收特性的周期性微纳结构铝箔（光吸收基底）。可将待测农业沟渠水样品施加在制备的周期性微纳结构铝箔上，用红外加热器进行加热干燥，获得待测样本，具有方法简便，无污染，避免了现有技术预处理方法复杂、污染高的缺陷。可通过Nd:YAG激光器产生波长为532nm的激光束对微纳铝箔耗材上富集的样品溶质进行烧蚀产生等离子体，等离子体产生的光信号传输至高分辨率光谱仪，Nd:YAG激光器发出一个脉冲激光后产生一个脉冲激光（光信号），经光电探测器转换后传输电信号至高分辨率光谱仪，控制高分辨率光谱仪采集该光信号烧蚀产生的光谱数据；最后对采集的光谱数据进行分析处理，可配置预设模拟退火算法优化的偏最小二乘法定量预测模型根据处理后的光谱对样品重金属含量进行定量预测，可得出农业沟渠水中重金属Cr含量，进而实现快速、准确、绿色的检测农业沟渠水中痕量重金属Cr的含量信息。

由于现有技术中难以实现农业沟渠水中痕量重金属Cr的检测，因此本申请实施例中通过超短脉冲激光制备具有易于集成并且自动更新的微纳铝箔耗材对待测农业沟渠水进行富集，缓解了现有技术对农业沟渠水痕量金属检测难度大、步骤繁琐等不足的缺陷，有利于该技术在灌溉水并推广至地表水、饮用水等其他液体中痕量金属的检测应用。

在一个实施例中，基底材料包括：铝箔；光吸收基底的制备方式包括：

采用超短脉冲激光在铝箔卷表面微加工形成多个周期性微纳结构，以获得光吸收基底；其中，周期性微纳结构表面的反射率低于铝箔表面的反射率。

示例性地，铝箔作为便捷耗材，可以显著增强激光诱导击穿光谱技术在应用时，增强光吸收作用，进而增强激光与样品之间的耦合作用，增强LIBS技术的检测能力。同时，铝箔作为便于替换的耗材，可以较为理想的与现有激光诱导击穿光谱系统耦合，这一创新方法可为现场快速元素检测提供便利性，对多领域的应用都具有重要意义，特别是在资源限制和高效分析要求下的应用场景。总之，铝箔带来的有益之处在于，便于及时更新，自动化程度高，便于集成等。因此，可通过飞秒激光在铝箔表面制备反射率更高的表面微结构，进而形成光吸收铝箔。可选地，如图2所示，光吸收特性微纳铝箔耗材制备装置可包括超短脉冲激光器、振镜、用于制备光吸收特性微纳周期铝箔耗材。其中，超短脉冲激光器可为中心波长为1036nm，脉宽450fs，重复频率300kHz的飞秒激光器；振镜，也称为扫描镜或摆动镜，这里作用是实现激光束的快速、精确扫描和定位。光吸收微纳铝箔的制备具体步骤可以是：第一步，对纯度为99.99%铝箔，宽度可为5cm，进行超声清洗，洗去表面杂质；第二步，通过设置超短脉冲激光参数0.8W、扫描速度250mm/s、扫描间距23μm，在铝箔卷上加工光吸收特性微纳周期性结构；第三步，对加工后的微纳铝箔再次进行超声清洗，清洗时间为20min，清洗的溶液为无水乙醇。

对于制备的光吸收微纳铝箔，存在以下优势：1）有助于提高LIBS检测的灵敏度和准确性。由于在光吸收微纳铝箔表面干燥液体，溶解在液体中的溶质会因为溶液的蒸发而富集在铝箔的表面，进而导致元素的富集，有利于LIBS对样品的分析，富集效应对LIBS分析允许检测更低浓度的元素，尤其是针对灌溉水中痕量金属的检测。2）简化样品制备过程。由于使用光吸收微纳铝箔作为基底，可以直接将灌溉水样本滴加到基底上并加热干燥，无需复杂的化学处理，同时不会带来污染，对操作人员的技术要求低，通过简化样品制备过程，使LIBS分析更加的快速，成本效益更高。3）更替方便，成本效益高。制备的光吸收微纳铝箔是相对廉价的材料，易于获取，将其用作LIBS分析的基底可以降低实验成本，特别是在大规模或常规实验中，同时可以直接通过卷膜器更新耗材，更替方便。4）刻制性强。由于铝箔非常薄而易于切割，铝箔可以根据需要轻松裁剪和调整大小，以适应不同尺寸和形状的样品，这种可定制性使其适用于各种不同的分析应用。

在一个实施例中，多个周期性微纳结构包括多个按照预设周期排列的矩形加工区域；矩形加工区域由多条间隔相等、尺寸相等的扫描线组成。

示例性地，如图3所示，制备的一种光吸收特性微纳铝箔的示意图，光吸收特性微纳周期铝箔耗材材料可为纯度99.99%的铝箔，制备前为卷状，制备后依然为卷状，宽度为5cm，不同的是，在表面通过超短脉冲激光制备每列3个大小为1cm×1cm的微纳周期性矩形区域结构，结构之间相互间隔为1cm，且每个周期性结构中包括多条长度、宽度相等的扫描线，微纳结构表面反射率低于未处理铝箔，形成具有光吸收特性的微纳结构铝箔。其中，周期性微纳结构的周期、尺寸不仅限于本实施例的大小，可根据实际需要进行调整，这里不作赘述。相比于随机的非周期微纳结构，周期微纳结构能够有助于形成性能稳定可靠的固定结构，周期微纳结构中仅包含尺寸相等的扫描线，使得飞秒激光加工时扫描的参数容易控制，降低了技术门槛，可重复性高。

在一个实施例中，样品包括：沟渠水污染样品；步骤100可以包括：

步骤101：对采集的沟渠水污染样品进行离心处理，将离心处理后的上层清液添加到光吸收基底表面，干燥后获得待测样本。

示例性地，如图4所示，对农业沟渠水样品进行预处理的预处理装置可包括依次相连的用于对农业沟渠水样品进行过滤形成澄清农业沟渠水的离心机、用于将澄清农业沟渠水转移至光吸收特性微纳周期铝箔耗材的移液枪。预处理获得待测样本的具体步骤可为：第一步，对采集的农业沟渠水通过离心机进行离心，以提取上层清液，可以提高后续定量分析的稳定性；第二步，可通过移液枪吸取400μL上层清液至微纳铝箔耗材上；第三步，通过红外加热器对滴有400μL上层清液的微纳铝箔耗材进行加热干燥。其中，干燥的方式不仅限于加热干燥，还可以是自然干燥、真空干燥、微波干燥、冷冻干燥等多种蒸发液体的干燥方式。

通过离心提取清液进行干燥的方式，可以更好地将沟渠水污染样品中溶解的溶质沉积到基底表面，减少样品中未溶解杂质的干扰，提高了后续定量分析的稳定性和准确性。

在一个实施例中，步骤120可以包括：

步骤121：发射脉冲激光，并将脉冲激光聚焦至待测样本表面进行烧蚀；

步骤122：探测烧蚀过程中产生的等离子体信号；

步骤123：将等离子体信号分散为不同特征波长的光谱，获得等离子体特征光谱信号。

示例性地，如图5所示，用于烧蚀检测光谱的装置可包括Nd:YAG激光器411、高分辨率光谱仪412、反射镜413、聚焦透镜414、采集透镜415、光纤探头416、X-Y位移平台417、处理终端418、光电探测器419、卷膜器420、红外加热器421。Nd:YAG激光器输出的激光光束与反射镜处于同一平面，且反射镜位于Nd:YAG激光器水平方向45°，聚焦透镜设置在反射镜的正下方，X-Y位移平台用于放置卷膜器，卷膜器卷的膜为光吸收特性微纳周期铝箔耗材，红外加热器置于X-Y位移平台右上方，光电探测器固定在Nd:YAG激光器斜下方，且光电探测器探测口设置在Nd:YAG激光器一侧，光电探测器与高分辨率光谱仪电连接，采集透镜置于X-Y位移旋转平台的左侧，光纤探头置于采集透镜左侧，且光纤探头与高分辨率光谱仪通过光纤连接，高分辨率光谱仪与处理终端电连接。其中，Nd:YAG激光器可为调Q的Nd-YAG激光器，采用晶体电光调Q方法产生脉冲，发射的激光光束波长为532nm，激光能量的稳定性优于2%；高分辨率光谱仪可集成像素为1024x256的增强型CCD探测器；X-Y位移包括控制器、驱动器和载物台，可以精确控制在光谱采集过程中按照指定路径移动的线速度以及加速度，满足激光均匀击打在富集有待测农业沟渠水的微结构表面，保证离焦量的一致性。探测器用于收集由等离子体产生的光信号，这些光信号包含了样品的化学和物理信息。光谱仪负责将接收到的光信号分散成不同波长的光，从而得到样品的光谱信息，通过分析这些光谱信息，可以确定样品的化学成分和物理状态。

可选地，Nd:YAG激光器产生波长为532nm的激光束通过反射镜改变激光方向后经过聚焦透镜聚焦对X-Y位移平台上的微纳铝箔耗材上的预处理样品进行烧蚀产生等离子体，等离子体产生的光信号经过采集透镜被光纤探头采集，再经过光纤将光信号传输至高分辨率光谱仪。Nd:YAG激光器发出一个脉冲激光（光信号）后，经光电探测器转换后传输电信号至高分辨率光谱仪，控制高分辨率光谱仪采集该光信号烧蚀产生的光谱，高分辨率光谱仪将接收到的光信号转换成电信号经过电连接传输至处理终端；最后由处理终端的定量预测模型模型对采集的光谱进行分析处理。

该检测过程的时序控制为，激光器出光后，光信号同时被光电探测器接收到，转换产生电信号，该电信号用于控制光谱仪采集该光信号烧蚀产生的光谱数据，技术优势在于，由于光电探测器的存在，所有有关该光谱仪的时序控制的电信号，都来自光电探测器，同时由于严格控制时间序列这个技术门槛更低，相比于现有LIBS检测装置的时间控制更加精确，更加简单。

通过对待测样本烧蚀产生等离子体信号，检测光谱信息进行样品重金属元素含量预测，不仅具有LIBS分析的无接触、快速的一般优点，还在此基础上进一步提高了重金属含量预测的准确性和效率。

在一个实施例中，步骤140可以包括：

步骤141：对等离子体特征光谱信号进行异常值剔除；

步骤142：对异常值剔除后的等离子体特征光谱信号进行光谱基线校正；

步骤143：基于预设模拟退火算法优化偏最小二乘算法模型对校正后的等离子体特征光谱信号进行定量预测，获得样品中的重金属元素含量。

示例性地，对步骤121-123产生的光谱数据集进行数据分析并计算农业沟渠水Cr含量预测值的定量预测模型过程可以包括：可配置预设局部离群因子法剔除异常值的预处理算法对产生的光谱数据集进行异常值剔除生成第一数据集，可配置预设光谱基线校正的预处理算法对第一数据集进一步预处理生成第二数据集，可对第二数据集建立预设模拟退火算法优化偏最小二乘算法模型进行定量预测，并输出最终农业沟渠水重金属Cr值。

沟渠水成分复杂自身一般含有很多元素，其等离子体特征光谱波长与元素存在一一对应的特点，又由于LIBS光谱的高维高相关特性，因此获取的沟渠水光谱数据偏大，而且部分特征峰谱线波长相距较近，先采用模拟退火算法优化进行特征波长选择，一方面可以降低沟渠水光谱数据的维度，简化模型结构，另一方面可以通过选择出沟渠水光谱数据中相关性较好的波长点进而有效提升模型性能。模拟物理退火算法类似物理退火的过程，在一个高温状态下（算法随机搜索），逐渐退火，在每个温度条件下（算法的每一次状态转移）缓慢冷却（算法局部搜索），最终达到物理基态（找到最优解）。

可选地，每个沟渠水样品可采集20副光谱，每副光谱是10次激光累计结果，并取平均值，最后结合模型数据库对农业沟渠水重金属Cr元素含量进行定量预测。在农业沟渠水的重金属定量分析中，由于农业沟渠水化学成分复杂，模拟退火算法优化偏最小二乘算法定量预测模型与现有偏最小二乘算法定量预测模型相比存在明显优势，通过模拟退火算法进行全局优化，优选沟渠水光谱数据中相关性好的波长点，可以更准确地确定偏最小二乘算法模型的参数，这种优化方法更加适合农业沟渠水这类复杂的环境样本，因为农业沟渠水通常包含多种化学成分和可能的干扰物质。

在一个实施例中，步骤143可以包括：

步骤1431：基于模拟物理退火优化原理，在初始高温状态下对等离子体特征光谱信号进行随机搜索，确定特征波长的非局部最优解；

步骤1432：在从初始高温状态缓慢降低温度过程中，对等离子体特征光谱信号进行局部搜索，确定特征波长的相对最优解；

步骤1433：在温度缓慢降低至趋于目标终止温度时，停止搜索，获得特征波长的全局最优近似解；

步骤1434：基于特征波长的全局最优近似解，确定特征波长对应的重金属元素含量。

示例性地，在每个温度调节下，基于Metropolis准则，粒子在温度T时趋于平衡的概率计算公式为：

通过采用模拟退火算法进行优化，能较好处理高维高相关性的沟渠水光谱数据，提高了模型的性能和预测准确性，这种方法通过精心调整控制参数T，并经过一系列迭代，寻找到了最佳的特征波长组合，从而在光谱分析中取得了更准确的结果。

请参阅图6，图6为本申请实施例提供的一种基于光吸收微结构的重金属检测装置的功能模块示意图。下面对本申请实施例进行详细阐释。该装置包括：预处理模块210、烧蚀模块220和数据处理模块230；

预处理模块210用于将采集的样品添加到光吸收基底表面进行干燥，获得待测样本；其中，光吸收基底通过对基底材料进行飞秒激光加工制备获得；

烧蚀模块220用于采用脉冲激光对待测样本表面进行烧蚀，并检测烧蚀后产生的等离子体特征光谱信号；

数据处理模块230用于对等离子体特征光谱信号进行定量预测，获得样品中的重金属元素含量。

示例性地，由于本申请实施例中重金属检测装置的解决问题的原理、具体实施方式同上述实施例中的任意一种重金属检测方法类似，因此本实施例中重金属检测装置的实施可参照上述的描述，重复之处不再赘述。

在一个实施例中，烧蚀模块包括：脉冲激光器、卷膜器、光电探测器和高分辨率光谱仪；

卷膜器包括：输送平面，输送平面用于放置待测样本；脉冲激光器的出光口正对卷膜器的输送平面设置；光电探测器的探测口斜向面对卷膜器的输送平面设置；高分辨率光谱仪与光电探测器电连接；

脉冲激光器用于发射脉冲激光，并将脉冲激光聚焦至待测样本表面进行烧蚀；

光电探测器用于探测烧蚀过程中产生的等离子体信号；

高分辨率光谱仪用于将等离子体信号分散为不同特征波长的光谱，获得等离子体特征光谱信号。

示例性地，脉冲激光器可以是调Q的Nd-YAG激光器，采用晶体电光调Q方法产生脉冲，发射的激光光束波长为532nm，激光能量的稳定性优于2%；高分辨率光谱仪可集成像素为1024x256的增强型CCD探测器；X-Y位移平台包括卷膜器、控制器、驱动器和载物台，可以精确控制在光谱采集过程中按照指定路径移动的线速度以及加速度，满足激光均匀击打在卷膜器表面，保证离焦量的一致性；由于光电探测器的存在，所有有关该光谱仪的时序控制的电信号，都来自光电探测器。

请继续查看图5，烧蚀模块的具体结构组成可包括Nd:YAG激光器411、高分辨率光谱仪412、反射镜413、聚焦透镜414、采集透镜415、光纤探头416、X-Y位移平台417、处理终端418、光电探测器419、卷膜器420、红外加热器421。Nd:YAG激光器输出的激光光束与反射镜处于同一平面，且反射镜位于Nd:YAG激光器水平方向45°，聚焦透镜设置在反射镜的正下方，X-Y位移平台用于放置卷膜器，卷膜器卷的膜为光吸收特性微纳周期铝箔耗材，红外加热器置于X-Y位移平台右上方，光电探测器固定在Nd:YAG激光器斜下方，且光电探测器探测口设置在Nd:YAG激光器一侧，光电探测器与高分辨率光谱仪电连接，采集透镜置于X-Y位移旋转平台的左侧，光纤探头置于采集透镜左侧，且光纤探头与高分辨率光谱仪通过光纤连接，高分辨率光谱仪与处理终端电连接。具体实现过程及有益效果同上述步骤121-步骤123的实施方式相同，这里不再赘述。

本申请实施例提供一种如图7所示的电子设备。电子设备300可以包括存储器311、存储控制器312、处理器313、外设接口314、输入输出单元315、显示单元316。

上述的存储器311、存储控制器312、处理器313、外设接口314、输入输出单元315、显示单元316各元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。上述的处理器313用于执行存储器中存储的可执行模块。

其中，存储器311可以是，但不限于，随机存取存储器（Random Access Memory，简称RAM），只读存储器（Read Only Memory，简称ROM），可编程只读存储器（ProgrammableRead-Only Memory，简称PROM），可擦除只读存储器（Erasable Programmable Read-OnlyMemory，简称EPROM），电可擦除只读存储器（Electric Erasable Programmable Read-OnlyMemory，简称EEPROM）等。其中，存储器311用于存储程序，所述处理器313在接收到执行指令后，执行所述程序，本申请实施例任一实施例揭示的过程定义的电子设备300所执行的方法可以应用于处理器313中，或者由处理器313实现。

上述的处理器313可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器313可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(digital signalprocessor，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

上述的外设接口314将各种输入/输出装置耦合至处理器313以及存储器311。在一些实施例中，外设接口314，处理器313以及存储控制器312可以在单个芯片中实现。在其他一些实例中，他们可以分别由独立的芯片实现。

上述的输入输出单元315用于提供给用户输入数据。所述输入输出单元315可以是，但不限于，鼠标和键盘等。

上述的显示单元316在电子设备300与用户之间提供一个交互界面（例如用户操作界面）给用户参考。在本实施例中，所述显示单元316可以是液晶显示器或触控显示器。液晶显示器或触控显示器可以对处理器执行所述程序的过程进行显示。

本实施例中的电子设备300可以用于执行本申请实施例提供的各个方法中的各个步骤。

此外，本申请实施例还提供一种存储介质，该存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述方法实施例中的步骤。

本申请实施例所提供的上述方法的计算机程序产品，包括存储了程序代码的存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行上述方法实施例中的步骤，具体可参见上述方法实施例，在此不再赘述。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。在本申请实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

需要说明的是，功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（Read-Only Memory，ROM）随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。