LIBS技術(shù)：土壤元素測量的“未來之星”

1. 土壤主要/微量營養(yǎng)元素和有害元素檢測

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，對植物生長和生理活動關(guān)重要。當代的人為污染元素比如Cu、Pb、Cd、Cr等以不同的形式進入土壤、水及生態(tài)系統(tǒng)，從而由植物進入食物鏈，并在人體富集、威脅人類健康。因此，對于土壤大量元素、微量元素、有害重金屬元素的檢測對于地球科學、生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)、公共健康都關(guān)重要。

但是土壤的構(gòu)成、理化性質(zhì)極其復雜，分布差異和動態(tài)變化大，因此對于土壤元素情況的評估通常需要大量測量數(shù)據(jù)，因此傳統(tǒng)方法的繁瑣耗時是亟待解決的問題。LIBS元素測量技術(shù)由于無須樣品預處理、一次測量即可得到元素周期表中的所有信息，所以非常簡單快速，對于上述元素的測量可重復性高，檢測極限低，是傳統(tǒng)方法的JJ替代技術(shù)，并且可對動植物的元素富集進行跟蹤快速測量，被稱為土壤元素測量的“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)測得(Gu et al., 2018)

2020年7月1日，LIBS標準（GB/T-38257-2019）正式實施。7月23日12時41分，我國的天問一號火星探測器成功進入預定軌道，開啟了中國火星探測之旅，邁出我國行星探測的DY步。其中將完成火星土壤元素測量的任務的，便是火星車所搭載的LIBS元素測量系統(tǒng)。

2. 土壤C的測量

土壤C是土壤有機質(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，以及缺少有效的評估手段（測量土壤C總量的傳統(tǒng)方法比如干燒法，樣品制備繁復，測量非常耗時）等因素，使其評估一直是個難題。所以人們一直在尋找更快速、更具成本效益、更準確和靈敏的土壤C總量測量方法。

LIBS技術(shù)無須樣品制備、幾秒即可測得結(jié)果，能夠輕松獲得成千上萬個數(shù)據(jù)，是土壤C異質(zhì)分布測量的強有力的工具；能夠減少無數(shù)不確定因素，從而對C庫及其變化進行更可靠的量化評估。

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)對于土壤C總量測量有個問題：248nm處的C譜線受到Fe譜線的干擾。為克服這個問題，（Ebinger et al., 2003）等人使用193nm處的C譜線，信號靈敏、Fe元素譜線干擾、并具有JJ的可重復性。因此認為 LIBS技術(shù)是非常有力的土壤C總量測量方法。

【DragonFly LIBS系統(tǒng)具有土壤總C測量所須的真空反應室和紫外測量模塊。請聯(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)（美國橡樹嶺實驗室）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檢測器，具備精確時序控制功能，并具有快速測量、數(shù)據(jù)自動處理功能。請聯(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C，LIBS測量的則為有機C。非酸沖洗的土壤，測量結(jié)果為總C。

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

3. 土壤N和P的測量（來源同上）

(Martin et al., 2003, 美國橡樹嶺實驗室）應用LIBS技術(shù)在定量測量土壤C的同時，得到土壤總N（幾乎全部是有機N）的定量測量結(jié)果。由于N₂占空氣的78%，實驗必須小心保證測量數(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、能量為23mj的激光脈沖聚焦在土壤樣品表面進行燒蝕，使等離子體幾乎不存在于空氣中。

Martin認為，LIBS方法操作更簡單、分析速度更快、無須預處理，是土壤C和N測量技術(shù)的JJ選項。中科院智能機械研究所的(Lu et al., 2013)應用LIBS技術(shù)測量土壤總氮的相關(guān)系數(shù)達0.981， 總磷含量的相關(guān)系數(shù)達0.868，因此稱LIBS技術(shù)是土壤C、N、P分析的“希望之星”。

【 FireFly LIBS系統(tǒng)和DragonFly LIBS系統(tǒng)的二極管激光器都具1064nm、532nm、266nm波長中任2種可選，并且可通過軟件在兩種波長之間自動切換，無須手動調(diào)試。DragonFly另可提供真空反應室（1-1300 mbar），在N元素測量時隔絕空氣干擾。】

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”科學研究與監(jiān)測/檢測技術(shù)方案推廣、研發(fā)與應用服務。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EcoTech生態(tài)實驗室（北京）、西安光譜成像與無人機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驗研究設備，可提供研究實驗合作和技術(shù)服務。