LIBS技術：土壤元素測量的“未來之星”

 1. 土壤主要/微量營養元素和有害元素檢測

土壤的主要營養元素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、水及生態系統，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、生態環境、農業、公共健康都至關重要。

但是土壤的構成、理化性質極其復雜，分布差異和動態變化大，因此對于土壤元素情況的評估通常需要大量測量數據，因此傳統方法的繁瑣耗時是亟待解決的問題。LIBS元素測量技術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，是傳統方法的優佳替代技術，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，數據由LIBS技術測得(Gu et al., 2018)

2020年7月1日，LIBS國家標準（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初一步。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。

2. 土壤C的測量

土壤C是土壤有機質的基礎元素，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；并且土壤C是影響大氣中CO2濃度、生態環境中C循環的直接因素。但是土壤C的動態變化的不確定性和分布的異質性，以及缺少有效的評估手段（測量土壤C總量的傳統方法比如干燒法，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技術無須樣品制備、幾秒即可測得結果，能夠輕松獲得成千上萬個數據，是土壤C異質分布測量的強有力的工具；能夠減少無數不確定因素，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、并具有優佳的可重復性。因此認為 LIBS技術是非常有力的土壤C總量測量方法。

【Lightigo的DragonFly LIBS系統具有土壤總C測量所須的真空反應室和紫外測量模塊。請聯系北京易科泰生態技術有限公司，討論您的系統方案。】

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)（美國橡樹嶺國家實驗室）的研究中，使用高分辨率光譜儀和可準確觸發的iCCD有效區分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果的穩定性。

【Lightigo的FireFly LIBS系統和DragonFly LIBS系統都可配置高分辨率光譜儀、iCCD檢測器，具備準確時序控制功能，并具有快速測量、數據自動處理功能。請聯系北京易科泰生態技術有限公司討論您的系統方案。】

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，測量結果為總C。

測量數據與傳統的干燒法比較，結果相近。

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）應用LIBS技術在定量測量土壤C的同時，得到土壤總N（幾乎全部是有機N）的定量測量結果。由于N2占空氣的78%，實驗必須小心保證測量數據的譜線中土壤N譜線與空氣中的N無關。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測量技術的優佳選項。中科院智能機械研究所的(Lu et al., 2013)應用LIBS技術測量土壤總氮的相關系數達0.981， 總磷含量的相關系數達0.868，因此稱LIBS技術是土壤C、N、P分析的“希望之星”。

【Lightigo的 FireFly LIBS系統和DragonFly LIBS系統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。】

北京易科泰生態技術有限公司致力于“生態、農業、健康”科學研究與監測/檢測技術方案推廣、研發與應用服務。與歐洲工程技術中心（CEITEC）及Lightigo公司合作，提供包括FireFly、DragonFly等LIBS元素分析全面技術方案；并與歐洲Specim合作，提供高光譜成像分析技術方案。易科泰Ecolab生態實驗室（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服務。