LIBS技(ji)術(shu)：土(tu)壤元(yuan)素測量的(de)“未(wei)來之星(xing)”

 1. 土(tu)壤主(zhu)要/微量營(ying)養(yang)元(yuan)素和有(you)害(hai)元(yuan)素檢(jian)測

土(tu)壤的(de)主要營(ying)養(yang)元(yuan)素N、P、K、Si、Ca、Mg、S和微量(liang)元(yuan)素Fe、Cu、Mn、Zn、B、Mo、Ni等，對植(zhi)物生(sheng)長(chang)和生理(li)活動至關重要。當代的(de)人(ren)為汙(wu)染(ran)元(yuan)素比如(ru)Cu、Pb、Cd、Cr等以不(bu)同的形(xing)式進入土(tu)壤、水(shui)及(ji)生(sheng)態系統(tong)，從而由(you)植物進(jin)入食物鏈(lian)，並在(zai)人(ren)體(ti)富集(ji)、威脅(xie)人類健康。因此(ci)，對於土(tu)壤大(da)量元(yuan)素、微量(liang)元素、有(you)害(hai)重金(jin)屬(shu)元(yuan)素的檢(jian)測對於地球(qiu)科學(xue)、生(sheng)態環境(jing)、農業(ye)、公共(gong)健康都(dou)至(zhi)關重要。

但是土(tu)壤的(de)構(gou)成(cheng)、理(li)化性質極其(qi)復(fu)雜，分布差(cha)異(yi)和動態變化大，因此(ci)對於土(tu)壤元(yuan)素情(qing)況的(de)評(ping)估(gu)通常需(xu)要大量測量數據，因此(ci)傳統(tong)方(fang)法的繁(fan)瑣耗(hao)時是亟(ji)待解(jie)決(jue)的問(wen)題。LIBS元(yuan)素測量技(ji)術(shu)由於無須樣(yang)品(pin)預(yu)處理(li)、壹次(ci)測量即(ji)可(ke)得到元素周(zhou)期表(biao)中(zhong)的所(suo)有(you)信息(xi)，所(suo)以非常簡單快速(su)，對(dui)於上(shang)述(shu)元素的測量可(ke)重復(fu)性高(gao)，檢(jian)測極限低(di)，是傳(chuan)統方(fang)法的優(you)佳(jia)替代技(ji)術(shu)，並且(qie)可(ke)對(dui)動植物的(de)元素富集(ji)進行(xing)跟蹤快速(su)測量，被稱(cheng)為土(tu)壤元(yuan)素測量的(de)“未(wei)來之星(xing)”。

冶金廠附(fu)近(jin)Cu,、Cr/Si、Pb分布鳥(niao)瞰圖，數據由(you)LIBS技(ji)術(shu)測得(Gu et al., 2018)

2020年7月(yue)1日，LIBS國家標準(zhun)（GB/T-38257-2019）正式(shi)實施。7月(yue)23日12時41分，我(wo)國的天問壹(yi)號火星(xing)探測器成(cheng)功(gong)進入預(yu)定軌(gui)道(dao)，開(kai)啟了(le)中國(guo)火星(xing)探測之旅(lv)，邁(mai)出我(wo)國行星(xing)探測的初壹步。其(qi)中將(jiang)完成火星(xing)土(tu)壤元(yuan)素測量的(de)任(ren)務的，便是火星(xing)車所(suo)搭載的LIBS元素測量系(xi)統(tong)。

2. 土(tu)壤C的(de)測量

土(tu)壤C是土(tu)壤有(you)機(ji)質的基礎(chu)元(yuan)素，在(zai)很(hen)大(da)程(cheng)度上(shang)決(jue)定了(le)土(tu)壤的(de)理(li)化特性，與土(tu)壤蓄(xu)水(shui)能力、肥(fei)力直接相(xiang)關；並且(qie)土(tu)壤C是影(ying)響(xiang)大氣(qi)中(zhong)CO2濃(nong)度、生態環境(jing)中C循環的直接因素。但是土(tu)壤C的(de)動態變化的不(bu)確(que)定性和分布的異(yi)質性，以及(ji)缺(que)少(shao)有(you)效的評(ping)估(gu)手(shou)段（測量土(tu)壤C總量(liang)的傳統方(fang)法比如(ru)幹(gan)燒法，樣品(pin)制(zhi)備繁(fan)復(fu)，測量非常耗時(shi)）等因素，使其(qi)評(ping)估(gu)壹(yi)直是個(ge)難題。所(suo)以人(ren)們壹直在(zai)尋(xun)找更快速(su)、更具(ju)成本效益、更準(zhun)確(que)和靈敏(min)的土(tu)壤C總量(liang)測量方(fang)法。

LIBS技(ji)術(shu)無須樣(yang)品(pin)制(zhi)備、幾(ji)秒(miao)即(ji)可(ke)測得結果(guo)，能(neng)夠(gou)輕松(song)獲(huo)得成千(qian)上(shang)萬(wan)個數據，是土(tu)壤C異(yi)質分布測量的(de)強(qiang)有(you)力的(de)工(gong)具(ju)；能夠(gou)減(jian)少(shao)無數不(bu)確(que)定因素，從而對(dui)C庫及(ji)其(qi)變化進行更可(ke)靠的(de)量(liang)化評(ping)估(gu)。

2.1 引(yin)自(zi): 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(ji)術(shu)對於土(tu)壤C總量(liang)測量有(you)個(ge)問(wen)題：248nm處的(de)C譜(pu)線(xian)受(shou)到Fe譜線的幹(gan)擾。為克(ke)服這(zhe)個(ge)問(wen)題，（Ebinger et al., 2003）等人使(shi)用193nm處的(de)C譜(pu)線(xian)，信號(hao)靈(ling)敏(min)、Fe元素譜線(xian)幹(gan)擾、並具(ju)有(you)優(you)佳(jia)的可(ke)重復(fu)性。因此(ci)認(ren)為 LIBS技(ji)術(shu)是非常有(you)力的(de)土(tu)壤C總量(liang)測量方(fang)法。

【Lightigo的DragonFly LIBS系統具(ju)有(you)土(tu)壤總C測量所(suo)須的(de)真(zhen)空(kong)反應室(shi)和紫(zi)外(wai)測量模塊(kuai)。請(qing)聯(lian)系北(bei)京易(yi)科(ke)泰(tai)生(sheng)態技(ji)術(shu)有(you)限公司(si)，討論您(nin)的系統方(fang)案。】

2.2引(yin)自(zi)：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(mei)國橡樹嶺(ling)國家實驗室(shi)）的(de)研究中，使(shi)用高(gao)分辨(bian)率光譜儀和可(ke)準(zhun)確(que)觸(chu)發(fa)的(de)iCCD有(you)效區分248 nm 處的(de)Fe譜(pu)線(xian)和C譜線(xian)，並使(shi)用快速(su)、多(duo)次(ci)測量的(de)方(fang)法提升(sheng)結果(guo)的(de)穩(wen)定性。

【Lightigo的FireFly LIBS系統和DragonFly LIBS系統(tong)都(dou)可(ke)配置高(gao)分辨(bian)率光譜儀、iCCD檢(jian)測器，具(ju)備準(zhun)確(que)時(shi)序(xu)控制(zhi)功能(neng)，並具(ju)有(you)快速(su)測量、數據自(zi)動處理(li)功能。請(qing)聯(lian)系北(bei)京易(yi)科(ke)泰(tai)生(sheng)態技(ji)術(shu)有(you)限公司(si)討論您(nin)的系統方(fang)案。】

用酸沖(chong)洗土(tu)壤去除無機(ji)C，LIBS測量的(de)則(ze)為有(you)機(ji)C。非酸沖(chong)洗的(de)土(tu)壤，測量結果(guo)為(wei)總C。

測量數據與(yu)傳(chuan)統的(de)幹(gan)燒法比較，結果(guo)相(xiang)近(jin)。

3. 土(tu)壤N和P的測量（來源同上(shang)）

(Martin et al., 2003, 美(mei)國橡樹嶺(ling)國家實驗室(shi)）應(ying)用LIBS技(ji)術(shu)在(zai)定量(liang)測量土(tu)壤C的(de)同時，得到土(tu)壤總N（幾(ji)乎全(quan)部是有(you)機(ji)N）的(de)定量(liang)測量結果(guo)。由(you)於N2占(zhan)空(kong)氣(qi)的78%，實驗必(bi)須小(xiao)心(xin)保證測量數據的(de)譜(pu)線中(zhong)土(tu)壤N譜(pu)線與(yu)空(kong)氣中(zhong)的(de)N無關。因此(ci)使用266nm波(bo)長(chang)、能(neng)量(liang)為(wei)23mj的(de)激光脈(mai)沖(chong)聚焦在(zai)土(tu)壤樣(yang)品(pin)表(biao)面(mian)進行(xing)燒蝕(shi)，使等離子(zi)體(ti)幾乎不(bu)存在(zai)於空氣(qi)中。

Martin認(ren)為，LIBS方(fang)法操(cao)作更簡單、分析(xi)速(su)度(du)更快、無須預(yu)處理(li)，是土(tu)壤C和N測量技(ji)術(shu)的優(you)佳選(xuan)項(xiang)。中科院(yuan)智(zhi)能機(ji)械(xie)研究所(suo)的(Lu et al., 2013)應(ying)用LIBS技(ji)術(shu)測量土(tu)壤總氮(dan)的相(xiang)關系數達0.981， 總磷(lin)含(han)量的相(xiang)關系數達0.868，因此(ci)稱LIBS技(ji)術(shu)是土(tu)壤C、N、P分析(xi)的(de)“希(xi)望(wang)之星(xing)”。

【Lightigo的 FireFly LIBS系統和DragonFly LIBS系統(tong)的(de)二極管(guan)激(ji)光器都(dou)具(ju)1064nm、532nm、266nm波長(chang)中(zhong)任(ren)2種可(ke)選(xuan)，並且(qie)可(ke)通過軟(ruan)件在(zai)兩種波(bo)長(chang)之間(jian)自(zi)動切(qie)換，無須手(shou)動調(tiao)試。DragonFly另可(ke)提(ti)供(gong)真(zhen)空(kong)反應室(shi)（1-1300 mbar），在(zai)N元(yuan)素測量時(shi)隔(ge)絕(jue)空(kong)氣(qi)幹(gan)擾。】

北京易(yi)科(ke)泰(tai)生(sheng)態技(ji)術(shu)有(you)限公司(si)致(zhi)力於“生態、農業(ye)、健康”科(ke)學(xue)研究與監(jian)測/檢(jian)測技(ji)術(shu)方(fang)案推(tui)廣、研發與應(ying)用服務。與歐洲(zhou)工(gong)程技(ji)術(shu)中心(xin)（CEITEC）及(ji)Lightigo公司(si)合作，提(ti)供(gong)包(bao)括(kuo)FireFly、DragonFly等LIBS元素分析(xi)全(quan)面技(ji)術(shu)方(fang)案；並與(yu)歐洲(zhou)Specim合(he)作，提(ti)供(gong)高(gao)光譜成(cheng)像(xiang)分析(xi)技(ji)術(shu)方(fang)案。易(yi)科(ke)泰(tai)Ecolab生(sheng)態實驗室(shi)（北(bei)京）、西安(an)光譜成(cheng)像(xiang)與(yu)無人機(ji)遙(yao)感(gan)研究中心(xin)擁(yong)有(you)高(gao)光譜成(cheng)像(xiang)、多(duo)光譜熒光成像(xiang)等光譜成(cheng)像(xiang)實驗研究設備(bei)，可(ke)提(ti)供(gong)研究實驗合(he)作和技(ji)術(shu)服務。