LIBS土壤元素测量技术在地球科学、生态环境、农业等方面...

2021.3.01

王辉

致力于为分析测试行业奉献终身

LIBS土壤元素测量技术在地球科学、生态环境、农业等方面的应用前景

1. 土壤主要/微量营养元素和有害元素检测

土壤的主要营养元素N、P、K、Si、Ca、Mg、S和微量元素Fe、Cu、Mn、Zn、B、Mo、Ni等，对植物生长和生理活动至关重要。当代的人为污染元素比如Cu、Pb、Cd、Cr等以不同的形式进入土壤、水及生态系统，从而由植物进入食物链，并在人体富集、威胁人类健康。因此，对于土壤大量元素、微量元素、有害重金属元素的检测对于地球科学、生态环境、农业、公共健康都至关重要。

但是土壤的构成、理化性质极其复杂，分布差异和动态变化大，因此对于土壤元素情况的评估通常需要大量测量数据，因此传统方法的繁琐耗时是亟待解决的问题。LIBS元素测量技术由于无须样品预处理、一次测量即可得到元素周期表中的所有信息，所以非常简单快速，对于上述元素的测量可重复性高，检测极限低，是传统方法的极佳替代技术，并且可对动植物的元素富集进行跟踪快速测量，被称为土壤元素测量的“未来之星”。

冶金厂附近Cu,、Cr/Si、Pb分布鸟瞰图，数据由LIBS技术测得(Gu et al., 2018)

2020年7月1日，LIBS国家标准（GB/T-38257-2019）正式实施。7月23日12时41分，我国的天问一号火星探测器成功进入预定轨道，开启了中国火星探测之旅，迈出我国行星探测的第一步。其中将完成火星土壤元素测量的任务的，便是火星车所搭载的LIBS元素测量系统。

2. 土壤C的测量

土壤C是土壤有机质的基础元素，在很大程度上决定了土壤的理化特性，与土壤蓄水能力、肥力直接相关；并且土壤C是影响大气中CO2浓度、生态环境中C循环的直接因素。但是土壤C的动态变化的不确定性和分布的异质性，以及缺少有效的评估手段（测量土壤C总量的传统方法比如干烧法，样品制备繁复，测量非常耗时）等因素，使其评估一直是个难题。所以人们一直在寻找更快速、更具成本效益、更准确和灵敏的土壤C总量测量方法。

LIBS技术无须样品制备、几秒即可测得结果，能够轻松获得成千上万个数据，是土壤C异质分布测量的强有力的工具；能够减少无数不确定因素，从而对C库及其变化进行更可靠的量化评估。

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技术对于土壤C总量测量有个问题：248nm处的C谱线受到Fe谱线的干扰。为克服这个问题，（Ebinger et al., 2003）等人使用193nm处的C谱线，信号灵敏、Fe元素谱线干扰、并具有极佳的可重复性。因此认为 LIBS技术是非常有力的土壤C总量测量方法。

【Lightigo的DragonFly LIBS系统具有土壤总C测量所须的真空反应室和紫外测量模块。请联系北京易科泰生态技术有限公司，讨论您的系统方案。】

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)（美国橡树岭国家实验室）的研究中，使用高分辨率光谱仪和可精确触发的iCCD有效区分248 nm 处的Fe谱线和C谱线，并使用快速、多次测量的方法提升结果的稳定性。

【Lightigo的FireFly LIBS系统和DragonFly LIBS系统都可配置高分辨率光谱仪、iCCD检测器，具备精确时序控制功能，并具有快速测量、数据自动处理功能。请联系北京易科泰生态技术有限公司讨论您的系统方案。】

用酸冲洗土壤去除无机C，LIBS测量的则为有机C。非酸冲洗的土壤，测量结果为总C。

测量数据与传统的干烧法比较，结果相近。

3. 土壤N和P的测量（来源同上）

(Martin et al., 2003, 美国橡树岭国家实验室）应用LIBS技术在定量测量土壤C的同时，得到土壤总N（几乎全部是有机N）的定量测量结果。由于N2占空气的78%，实验必须小心保证测量数据的谱线中土壤N谱线与空气中的N无关。因此使用266nm波长、能量为23mj的激光脉冲聚焦在土壤样品表面进行烧蚀，使等离子体几乎不存在于空气中。

Martin认为，LIBS方法操作更简单、分析速度更快、无须预处理，是土壤C和N测量技术的极佳选项。中科院智能机械研究所的(Lu et al., 2013)应用LIBS技术测量土壤总氮的相关系数达0.981，总磷含量的相关系数达0.868，因此称LIBS技术是土壤C、N、P分析的“希望之星”。

【Lightigo的 FireFly LIBS系统和DragonFly LIBS系统的二极管激光器都具1064nm、532nm、266nm波长中任2种可选，并且可通过软件在两种波长之间自动切换，无须手动调试。DragonFly另可提供真空反应室（1-1300 mbar），在N元素测量时隔绝空气干扰。】

北京易科泰生态技术有限公司致力于“生态、农业、健康”科学研究与监测/检测技术方案推广、研发与应用服务。与欧洲工程技术中心（CEITEC）及Lightigo公司合作，提供包括FireFly、DragonFly等LIBS元素分析全面技术方案；并与欧洲Specim合作，提供高光谱成像分析技术方案。易科泰Ecolab生态实验室（北京）、西安光谱成像与无人机遥感研究中心拥有高光谱成像、多光谱荧光成像等光谱成像实验研究设备，可提供研究实验合作和技术服务。