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LIBS技術(shù):土壤元素測量的“未來之星”

閱讀:2297      發(fā)布時間:2020-10-12
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 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(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(yù)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(fù)性高,檢測極限低,,是傳統(tǒng)方法的優(yōu)替代技術(shù),,并且可對動植物的元素富集進(jìn)行跟蹤快速測量,被稱為土壤元素測量的“未來之星”,。

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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國家標(biāo)準(zhǔn)(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(jìn)入預(yù)定軌道,,開啟了中國火星探測之旅,,邁出我國行星探測的初一步。其中將完成火星土壤元素測量的任務(wù)的,,便是火星車所搭載的LIBS元素測量系統(tǒng),。

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2. 土壤C的測量

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(fù),,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(zhǔn)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(qiáng)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(jìn)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,、并具有優(yōu)的可重復(fù)性。因此認(rèn)為 LIBS技術(shù)是非常有力的土壤C總量測量方法,。

【Lightigo的DragonFly LIBS系統(tǒng)具有土壤總C測量所須的真空反應(yīng)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?!?/span>

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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)(美國橡樹嶺國家實驗室)的研究中,,使用高分辨率光譜儀和可準(zhǔn)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,,具備準(zhǔn)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(jī)C,,LIBS測量的則為有機(jī)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, 美國橡樹嶺國家實驗室)應(yīng)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(jī)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(jìn)行燒蝕,,使等離子體幾乎不存在于空氣中,。

Martin認(rèn)為,LIBS方法操作更簡單,、分析速度更快,、無須預(yù)處理,是土壤C和N測量技術(shù)的優(yōu)選項,。中科院智能機(jī)械研究所的(Lu et al., 2013)應(yīng)用LIBS技術(shù)測量土壤總氮的相關(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(yīng)室(1-1300 mbar),,在N元素測量時隔絕空氣干擾?!?/span>

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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/檢測技術(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)實驗室(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驗研究設(shè)備,,可提供研究實驗合作和技術(shù)服務(wù),。 

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