LIBS土壤元素測(cè)量技術(shù)在地球科學(xué)、生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)等方面的應(yīng)用前景

1. 土壤主要/微量營(yíng)養(yǎng)元素和有害元素檢測(cè)

土壤的主要營(yíng)養(yǎng)元素N、P、K、Si、Ca、Mg、S和微量元素Fe、Cu、Mn、Zn、B、Mo、Ni等，對(duì)植物生長(zhǎng)和生理活動(dòng)至關(guān)重要。當(dāng)代的人為污染元素比如Cu、Pb、Cd、Cr等以不同的形式進(jìn)入土壤、水及生態(tài)系統(tǒng)，從而由植物進(jìn)入食物鏈，并在人體富集、威脅人類健康。因此，對(duì)于土壤大量元素、微量元素、有害重金屬元素的檢測(cè)對(duì)于地球科學(xué)、生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)、公共健康都至關(guān)重要。
 

但是土壤的構(gòu)成、理化性質(zhì)極其復(fù)雜，分布差異和動(dòng)態(tài)變化大，因此對(duì)于土壤元素情況的評(píng)估通常需要大量測(cè)量數(shù)據(jù)，因此傳統(tǒng)方法的繁瑣耗時(shí)是亟待解決的問題。LIBS元素測(cè)量技術(shù)由于無須樣品預(yù)處理、一次測(cè)量即可得到元素周期表中的所有信息，所以非常簡(jiǎn)單快速，對(duì)于上述元素的測(cè)量可重復(fù)性高，檢測(cè)極限低，是傳統(tǒng)方法的極佳替代技術(shù)，并且可對(duì)動(dòng)植物的元素富集進(jìn)行跟蹤快速測(cè)量，被稱為土壤元素測(cè)量的“未來之星”。
 

冶金廠附近Cu,、Cr/Si、Pb分布鳥瞰圖，數(shù)據(jù)由LIBS技術(shù)測(cè)得(Gu et al., 2018)

2020年7月1日，LIBS國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T-38257-2019）正式實(shí)施。7月23日12時(shí)41分，我國(guó)的天問一號(hào)火星探測(cè)器成功進(jìn)入預(yù)定軌道，開啟了中國(guó)火星探測(cè)之旅，邁出我國(guó)行星探測(cè)的第一步。其中將完成火星土壤元素測(cè)量的任務(wù)的，便是火星車所搭載的LIBS元素測(cè)量系統(tǒng)。
 

2. 土壤C的測(cè)量
 

土壤C是土壤有機(jī)質(zhì)的基礎(chǔ)元素，在很大程度上決定了土壤的理化特性，與土壤蓄水能力、肥力直接相關(guān)；并且土壤C是影響大氣中CO2濃度、生態(tài)環(huán)境中C循環(huán)的直接因素。但是土壤C的動(dòng)態(tài)變化的不確定性和分布的異質(zhì)性，以及缺少有效的評(píng)估手段（測(cè)量土壤C總量的傳統(tǒng)方法比如干燒法，樣品制備繁復(fù)，測(cè)量非常耗時(shí)）等因素，使其評(píng)估一直是個(gè)難題。所以人們一直在尋找更快速、更具成本效益、更準(zhǔn)確和靈敏的土壤C總量測(cè)量方法。
 

LIBS技術(shù)無須樣品制備、幾秒即可測(cè)得結(jié)果，能夠輕松獲得成千上萬個(gè)數(shù)據(jù)，是土壤C異質(zhì)分布測(cè)量的強(qiáng)有力的工具；能夠減少無數(shù)不確定因素，從而對(duì)C庫(kù)及其變化進(jìn)行更可靠的量化評(píng)估。
 

2.1 引自: Michael H. Ebinger, et al, Extending the Applicability of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy for Total Soil Carbon Measurement. [J] Soil Science Society of America. 67:1616–1619 (2003).
 

LIBS技術(shù)對(duì)于土壤C總量測(cè)量有個(gè)問題：248nm處的C譜線受到Fe譜線的干擾。為克服這個(gè)問題，（Ebinger et al., 2003）等人使用193nm處的C譜線，信號(hào)靈敏、Fe元素譜線干擾、并具有極佳的可重復(fù)性。因此認(rèn)為 LIBS技術(shù)是非常有力的土壤C總量測(cè)量方法。
 

【Lightigo的DragonFly LIBS系統(tǒng)具有土壤總C測(cè)量所須的真空反應(yīng)室和紫外測(cè)量模塊。請(qǐng)聯(lián)系北京易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司，討論您的系統(tǒng)方案�！�
 

2.2引自：Madhavi Z. Martin et al., Laser-induced breakdown spectroscopy for the environmental determination    of total carbon and nitrogen in soils. [J] Applied Optics. Vol. 42, No. 12 /20 April 2003
 

(Martin et al., 2003)（美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）的研究中，使用高分辨率光譜儀和可精確觸發(fā)的iCCD有效區(qū)分248 nm 處的Fe譜線和C譜線，并使用快速、多次測(cè)量的方法提升結(jié)果的穩(wěn)定性。
 

【Lightigo的FireFly LIBS系統(tǒng)和DragonFly LIBS系統(tǒng)都可配置高分辨率光譜儀、iCCD檢測(cè)器，具備精確時(shí)序控制功能，并具有快速測(cè)量、數(shù)據(jù)自動(dòng)處理功能。請(qǐng)聯(lián)系北京易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司討論您的系統(tǒng)方案。】
 

用酸沖洗土壤去除無機(jī)C，LIBS測(cè)量的則為有機(jī)C。非酸沖洗的土壤，測(cè)量結(jié)果為總C。

測(cè)量數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的干燒法比較，結(jié)果相近。
 

3. 土壤N和P的測(cè)量（來源同上）
 

(Martin et al., 2003, 美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）應(yīng)用LIBS技術(shù)在定量測(cè)量土壤C的同時(shí)，得到土壤總N（幾乎全部是有機(jī)N）的定量測(cè)量結(jié)果。由于N2占空氣的78%，實(shí)驗(yàn)必須小心保證測(cè)量數(shù)據(jù)的譜線中土壤N譜線與空氣中的N無關(guān)。因此使用266nm波長(zhǎng)、能量為23mj的激光脈沖聚焦在土壤樣品表面進(jìn)行燒蝕，使等離子體幾乎不存在于空氣中。
 

Martin認(rèn)為，LIBS方法操作更簡(jiǎn)單、分析速度更快、無須預(yù)處理，是土壤C和N測(cè)量技術(shù)的極佳選項(xiàng)。中科院智能機(jī)械研究所的(Lu et al., 2013)應(yīng)用LIBS技術(shù)測(cè)量土壤總氮的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.981， 總磷含量的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.868，因此稱LIBS技術(shù)是土壤C、N、P分析的“希望之星”。
 

【Lightigo的 FireFly LIBS系統(tǒng)和DragonFly LIBS系統(tǒng)的二極管激光器都具1064nm、532nm、266nm波長(zhǎng)中任2種可選，并且可通過軟件在兩種波長(zhǎng)之間自動(dòng)切換，無須手動(dòng)調(diào)試。DragonFly另可提供真空反應(yīng)室（1-1300 mbar），在N元素測(cè)量時(shí)隔絕空氣干擾�！�
 

北京易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司致力于“生態(tài)、農(nóng)業(yè)、健康”科學(xué)研究與監(jiān)測(cè)/檢測(cè)技術(shù)方案推廣、研發(fā)與應(yīng)用服務(wù)。與歐洲工程技術(shù)中心（CEITEC）及Lightigo公司合作，提供包括FireFly、DragonFly等LIBS元素分析全面技術(shù)方案；并與歐洲Specim合作，提供高光譜成像分析技術(shù)方案。易科泰Ecolab生態(tài)實(shí)驗(yàn)室（北京）、西安光譜成像與無人機(jī)遙感研究中心擁有高光譜成像、多光譜熒光成像等光譜成像實(shí)驗(yàn)研究設(shè)備，可提供研究實(shí)驗(yàn)合作和技術(shù)服務(wù)。
 

 
左圖：CEITEC激光光譜與化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室研發(fā)團(tuán)隊(duì)；右圖：研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)的野外移動(dòng)式遙感LIBS元素分析系統(tǒng)，可對(duì)20m遠(yuǎn)的樣品原位無損傷元素分析