綜述|或將成為「下一代的土壤分析儀」——LIBS在土壤分析中的進展...

2020-12-06 儀器信息網

近年來，雷射誘導擊穿光譜（LIBS）回收、採礦和金屬分析等不同領域蓬勃發展，LIBS具有不需要樣品製備、便攜性、檢測速度快等優勢。與電感耦合等離子體-質譜法（ICP-MS）和其他一些元素分析方法不同，LIBS存在一種巨大的"矩陣效應"。本文將討論為什麼土壤分析會成為LIBS一項引人注目的應用？

為什麼選擇土壤分析？

土壤分析已經經歷了一個多世紀的發展，安德森在1960年的文章《土壤試驗的歷史與發展》中記錄了這一時期技術的進步，其主要側重於磷的監測，也考慮到了鉀和氮。他詳細介紹了不同土壤類型如何提取相關物質的方法，以及土壤養分與作物產量關係的早期證據（早在1890年）。大約在同一時間（1957年），大衛·賴斯·加德納向哈佛大學提交了題為"美國全國合作土壤調查"的博士論文，這是農業研究人員首次廣泛進行的土壤科學綜合調查。二戰後的美國經濟使得聯邦和州一級的農業推廣服務急劇擴大，土壤科學、除草劑、殺蟲劑、抗病作物等研究大爆發，這使得從1950年代中期到今天農業生產力的顯著提高。圖 1 展示了農業生產率的發展。

圖 1：1866-2014年，美國每公頃玉米平均產量，來自數據世界，未經修改。 

自然土壤分析自1960年以來發展至今，以經歷數個階段，過去十年來常見方法是收集一個田地不同地點的樣本，在不到20英畝的田地中，隨機地點採集了15到20個單獨的樣本。將採集的土壤混合，測試土壤中的pH水平、植物可用的N、P、K、Mg、Ca等物質的濃度。在某些情況下，還需要檢測土壤中的有機質的百分比和微量金屬，土壤檢測實驗室會採用多種方法檢測，從滴定測量方法到ICP-MS。

如今，精準農業已成為最新的趨勢，其對植物和土壤健康的測量越來越精確，需要更頻繁的獲取土壤信息，以便於更加精準的進行灌溉、蟲害控制和施肥。

LIBS土壤分析的早期研究主要側重於土壤中的微量重金屬的檢測，但由於檢測限達不到要求，分析精度不足，這個應用實施較為困難。對於大多數有毒金屬，LIBS 在土壤基質中的檢測限大概為1到20ppm之間，這比檢測土壤中所需的元素檢測限高出一個數量級。每個地點土壤的變化以及土壤的粒狀大小也是測量的潛在問題。

隨著時間的推移，LIBS在土壤分析方面的應用已轉向對高濃度元素的分析，如總碳、氮、磷和鉀（稱為NPK）、鎂和鈣。這些元素在土壤中的濃度水平遠高於微量有毒金屬，並可廣泛應用於農學中進行測量土壤的健康。

使用LIBS的分析土壤健康的工作首先要做的是對土壤類型進行分類，然後應用適合的矩陣進行校準。

圖2：三個主要成分的分數圖應用於中國不同地區的8個未知土壤樣本。

這項工作由中國科學院南京土壤研究所的一個研究小組完成，他們使用LIBS並通過少量的計算，分析並預測了土壤的pH、陽離子交換能力（CEC）、土壤有機質（SOM）、以及總氮、總磷、總鉀、可用磷和可用鉀的濃度等特性。這項研究表明LIBS不僅僅能檢測元素的濃度，更能預測整體土壤的狀況。

上文的研究證實了使用LIBS確定土壤類型以及確定土壤狀況（如pH）的可行性。最近的一項研究結合了這些特徵，將土壤狀況的信息與光譜信息串聯，通過在調校和驗證方法，來預測不同土壤情況的微量金屬元素。在調校期間，他們不斷更改模型中的可調參數，直到校準的相對誤差低於他們設定的固定閾值。通過隨機交換不同土壤狀況和相同濃度的光譜數據點，建立了一個可以應對數據波動、堅固耐用的模型。他們還想將這個模型應用到所有類型的土壤，創造一款通用的模型。

作者將這種模型應用於LIBS的數據，其中涵蓋4種不同的土壤類型，6種不同的元素濃度，每次檢測重複6次。

圖3：Ag濃度在四種不同類型的土壤中，測量（a）通過單變量峰集成，而（b）使用所有四個類型的通用模型

圖 3 顯示，右側使用模型的預測濃度與測量到的參考濃度之間近乎完美的一致，證明了模型的可行性。

基於LIBS的土壤分析前景

一些企業努力已經開始研究相關應用。一家名為LogiAg的公司已經推出了一種名為 LaserAg的解決方案，該解決方案使用LIBS測量土壤和樹葉的關鍵參數。他們在加拿大與本地的實驗室合作開發LIBS的解決方案，這些實驗室具有區域特性，可根據情況進行修正，以適應當地土壤類型。修正需要從該區域採集500個樣本，包括各種土壤類型和營養值等信息。

SciAps還推出了Z300 LIBS手持設備，用於測量土壤中的總有機碳。他們使用了來自美國和加拿大的87個土壤樣本對總有機碳測定進行校準，所呈現的校準曲線的R2值為0.8825，平均誤差為0-7%，有機碳誤差範圍0.44%，表明可攜式 LIBS 系統可用於以中等精度對碳含量進行局部測定。

迄今為止的研究和企業成果清楚的表明了基於LIBS的土壤分析解決方案的希望。其他可攜式分析方法，如X射線螢光（XRF），不能測量輕元素，如氮或碳（XRF在土壤分析的某些方面也十分重要），XRF還需要更多的樣品製備和與土壤的物理接觸進行測量。LIBS系統的獨特優勢，使它作為下一代土壤分析儀成為可能性，並有助於精準農業的進一步發展。

由於需要彌補的矩陣效應，以及構建綜合資料庫所需的大量土壤樣本，可能成為使用LIBS進行土壤分析的最大障礙。然而，基於LIBS的土壤分析似乎只是時間問題。敬請期待！

相關焦點

  • 土壤元素分析儀是哪種
    土壤元素分析儀，顧名思義就是對土壤進行分析的儀器，對了解土壤中的氮磷鉀、銨態氮、硝態氮、速效磷、速效鉀等很多種成分起到技術支撐，幫助人們選擇補充何種肥料，促進作物的生長發育。我們都知道不同的肥料起到的施肥作用是不同的，只有相互配合才能促進作物的正常生長，在土壤元素分析儀的幫助下，我們可以通過為作物提供必需的營養成分、調節土壤酸鹼度、改良土壤結構、改善土壤理化性質和生物學性質；調節或改善作物的生長機制；改善肥料品質和性質或能提高肥料的利用率。
  • 案例分享丨復旦大學聶明團隊在土壤碳循環方面取得新進展
    （圖3），強調急需將這一特徵納入到陸地氣候預測模型中以提高預測精度。國內外學者對Q10的影響因素或機制開展了大量卓有成效的研究工作，並有不少相關的綜述或展望。（同位素）分析系統，並發展了Q10研究的連續變溫培養+連續自動測試的新模式。
  • 土壤微生物生物地理學最新綜述
    新研究技術的湧現大幅提升了我們對微生物群落時空分布格局的認識，也加深了有關土壤微生物生態功能的認知。但隨著技術的不斷進步與發展，新研究問題不斷呈現，仍有數方面認知空白亟待填補。本綜述概述了土壤微生物生物地理學研究的最新進展，並著重強調了明確微生物物種的概念，預測全球變化背景下土壤微生物分布模式，以及採用分離培養法來確定微生物功能結構等幾方面研究的重要性。
  • 土壤中重金屬元素CR的雷射光譜測量分析
    試驗中測得了土壤樣品中的光譜圖，綜合考慮各原子譜線的已知波長、譜線的精細結構、譜線強度以及譜線的激發電位等因素，選擇周圍幹擾比較少的譜線，最終確定將波峰為357.869nm 的譜線作為元素定量分析時的分析譜線，得到相關數據並保存下來。
  • 土壤重金屬現場快速檢測工具——如何看待手持土壤重金屬分析儀的...
    北極星環境修復網訊:近年來，土壤修復行業呈指數上升趨勢，特別是「土十條」出爐以後，更是蓬勃發展之勢。無論開展何種修復工程，首先要做的就是場地調研，就是要全面、快速地搞清楚汙染源、汙染程度、重金屬含量。如何科學地、全面地布點採樣，將會直接影響到後續的修復效果。如果沒有像手持式土壤重金屬分析儀的輔助，那將是一項龐大的、耗時的工程。
  • 自主研發 霍爾德土壤養分分析儀操作簡單、檢測快
    土壤分析在現代農業生產中是一項很重要的工作，通過土壤養分分析儀的使用，可以知道土壤的墒情、養分含量、酸鹼度、汙染情況等數據，為了保證分析結果的準確性，檢測人員通常會藉助土壤養分分析儀進行檢測分析。　　由山東霍爾德電子科技廠家自主研發的土壤養分分析儀性能穩定，質量可靠，土壤養分分析儀體積小，可以在任何時候使用，操作簡單方便，檢測速度快，可以快速出結果，準確判斷土壤肥力，實現科學種植，合理施肥。
  • 中國土壤微生物組:進展與展望*
    中國土壤微生物組:進展與展望[J]. 中國科學院院刊, 2017, 32(6): 554-565+542.，闡述了土壤微生物組研究的前沿科學問題，綜述了中國土壤微生物組的主要科研進展，提出了中國土壤微生物組研究的機遇和挑戰，探討了土壤-微生物系統功能及其調控所需的主要技術手段與能力建設，期望通過「土壤-微·生物系統功能及其調控」中科院戰略性先導科技專項研究，為深度發掘土壤微生物組資源，定向調控土壤微生物組功能，解決我國經濟社會發展面臨的生態環境、農業生產及資源瓶頸等問題起到應有的貢獻。
  • 天瑞儀器全速領跑環境保護之土壤檢測,天瑞儀器,土壤檢測,土壤修復...
    【中國環保在線 明星企業】「土十條」的出臺為土壤修復及土壤檢測帶來重大利好，天瑞儀器作為眾多涉及土壤檢測設備研發及業務的企業龍頭，憑藉全備的土壤檢測儀器及領先的解決方案，有望在未來幾年，成為土壤修復領域的大受益者，助推我國土壤修復及生態文明建設的順利推進。
  • 應用13C核磁共振技術研究土壤有機質化學結構進展
    :土壤有機質化學結構對準確評價土壤有機質的穩定性及其在土壤中的功能具有重要意義。土壤有機質化學結構的研究方法中，固態13C核磁共振波譜技術（Solid-state13C-NMR spectroscopy）具有獨特優勢，對土壤有機質化學結構的解析更貼近真實狀態，近年來已取得諸多新進展和新突破。論文綜述了近年來應用13C-NMR測定土壤全土、團聚體和密度組分、腐殖質組分的有機碳化學結構特徵，進一步分析了影響土壤有機質化學結構變化的因素。
  • 中國土壤微生物組:進展與展望|研究
    ，闡述了土壤微生物組研究的前沿科學問題，綜述了中國土壤微生物組的主要科研進展，提出了中國土壤微生物組研究的機遇和挑戰，探討了土壤-微生物系統功能及其調控所需的主要技術手段與能力建設，期望通過「土壤-微生物系統功能及其調控」中科院戰略性先導科技專項研究，為深度發掘土壤微生物組資源，定向調控土壤微生物組功能，解決我國經濟社會發展面臨的生態環境、農業生產及資源瓶頸等問題起到應有的貢獻。
  • 國內土壤科研進展
    東北地理所在土壤水分微波遙感估算研究中取得進展 地表土壤水分是地球水資源的重要組成部分，是控制地表與大氣界面能量和水分交換的重要邊界條件，也是地表蒸散的關鍵影響因子，對地表水循環、能量循環、生態環境和農業應用都具有意義。
  • 生態環境中心發表綜述文章闡釋酸性土壤硝化作用機理
    酸性土壤（pH<5.5）在全球範圍內廣泛分布，約佔陸地無冰區表面的30%。但酸性土壤硝化作用的機理一直不甚清楚，成為全球氮循環研究的熱點和難點。中科院生態環境研究中心賀紀正研究員課題組多年來致力於土壤硝化微生物及硝化作用機理研究，取得了系列研究成果。
  • 改性生物炭對土壤重金屬汙染修復研究進展
    北極星環境修復網訊:摘要：土壤中金屬汙染導致食用林產品、農產品中重金屬高富集，嚴重威脅人類健康。生物炭作為簡單易得，來源廣泛的吸附材料，可用於土壤重金屬汙染物修復。本文主要綜述了生物炭的製備、改性劑的選擇與功能、改性方法及改性生物炭的特性。
  • 土壤分析揭開復活節島石像之謎
    這些遺蹟的建造者早已湮沒在歷史長河中，留給現代人類的只有一個個謎團：當時的人類是用什麼方法完成這些遺蹟的？創造這些遺蹟的目的又是什麼？針對諸如此類的問題科學家們提出了一個又一個猜想，但至今仍沒有確定的結論。復活節島石像也是其中之一。這個孤懸海外的小島因為在復活節被西方世界發現，所以被隨口命名為「復活節島」。貧瘠落後的小島上沒有任何財富可以吸引當時的西方探險者，除了島上詭異的石像。
  • 石油汙染土壤生物修復技術研究進展
    摘要： 石油對土壤的汙染嚴重危害人類的健康本文綜述了微生物修復、植物修復以及聯合修復技術的研究進展，認為目前國內外在生物修復應用中存在缺乏高效降解菌株、降解效率低下等問題，未來應向篩選高效降解菌株和提高降解效率等方向發展。
  • 納米材料修復鉻汙染土壤的研究進展
    鉻鹽作為重要的工業原料，用於多種產品的生產工藝中，因此帶來了嚴重的鉻汙染。為此，學者們進行了大量的工作，探索能夠有效地修復被鉻汙染的土壤的方法，而納米材料因其獨特的結構、良好的性能逐漸成為研究熱點。因此對Cr(Ⅵ)汙染的治理受到了人們越來越多的關注，成為一項重大課題。土壤中的鉻起初來源於巖石風化，然後逐步被轉移到成土母質與土壤中。隨著社會的前進和科學的進步，特別是近幾十年鉻工業的高速發展，鉻及其化合物廣泛應用於電鍍、冶金、製藥、紡織、顏料、印染、製革、油漆、照相製版等行業，城市汙水、垃圾、汙泥、鉻渣等成為土壤鉻汙染的一個主要來源。
  • 農田土壤重金屬汙染化學鈍化修復研究進展
    北極星環境修復網訊:摘要：土壤重金屬化學鈍化修復是指向汙染土壤中添加鈍化劑，使重金屬由活性向穩定化形態轉化，以降低重金屬的遷移和生物可利用性，從而修復重金屬汙染土壤的方法。本文綜述了近些年國內外各類鈍化材料修復重金屬汙染土壤的作用效果和機理、實例等方面的研究進展，並討論了原位修復土壤重金屬中亟待解決的問題，旨在為農田土壤重金屬汙染的化學鈍化劑篩選與應用提供參考依據。
  • 國內土壤科研進展,了解一下
    導 讀 瀋陽生態所揭示野外氮沉降對土壤有機碳分解激發效應的影響；東北地理所在土壤表面形態演化研究方面取得進展；地球環境所在我國黃土高原土壤侵蝕評估和生態修複評價方面取得進展
  • 土壤微生物生物地理學:國內進展與國際前沿
    近年來，儘管土壤微生物生物地理學研究取得了巨大進展，但仍面臨諸多難題與挑戰。論文簡要回顧了土壤微生物生物地理學的發展歷程，並檢索了土壤微生物生物地理學發文量隨時間的動態變化及其相應的研究技術（圖1）。論文系統介紹了我國土壤微生物生物地理學在森林、草地和農田生態系統中的重要研究進展，重點介紹了我國東部森林土壤微生物在水平和垂直梯度上的空間分布規律，北方溫帶草地和青藏高原高寒草地微生物群落的空間分布及其隨氣候的動態變化，旱地和水田生態系統的微生物的空間分布規律及群落構建機制。
  • 土壤中汞的來源及土壤汞汙染修復技術概述
    摘要：介紹了土壤中汞的來源，綜述了土壤汞汙染修復技術，包括2種常用修復技術——固化穩定化技術、熱解析修復技術，3種新興修復技術——植物修復技術、基因工程技術、納米修復技術。最後對土壤汞汙染及其修復技術發展前景進行了展望。