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LIBS技術(shù):土壤元素測(cè)量的“未來之星”
發(fā)布時(shí)間: 2020-10-12 點(diǎn)擊次數(shù): 1946次1. 土壤主要/微量營養(yǎng)元素和有害元素檢測(cè)
土壤的主要營養(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)方法的優(yōu)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,開啟了中國火星探測(cè)之旅,邁出我國行星探測(cè)的初一步。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、并具有優(yōu)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?!?/span>
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)(美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室)的研究中,使用高分辨率光譜儀和可準(zhǔn)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,具備準(zhǔn)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?!?/font>
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, 美國橡樹嶺國家實(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)的優(yōu)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?!?/span>
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)。