金博宝188亚洲体育app_官网|welcome

北京总公司 010-82611269,13671083121
青岛分公司 0532-82861228,15563963062
西安易科泰光谱成像与无人机遥感技术研究中心 029-81124223
/ En

LIBS技术:土壤元素测量的“未来之星”

LIBS技术:土壤元素测量的“未来之星”

LIBS技术:土壤元素测量的“未来之星”

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”。

image.png

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。

image.png

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。请联系金博宝188亚洲体育app,讨论您的系统方案。

image.png

image.png

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。请联系金博宝188亚洲体育app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。】

image.png

金博宝188亚洲体育app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。