一、引言
元素的分布及含量多少對植物的生長具有重要意義。由于一些元素的缺乏，植物生長會受阻，會產(chǎn)生病癥，不能完成其生活史。所以元素對于植物的生長有著至關(guān)重要的作用。同時，植物也會受到周圍環(huán)境和土壤里元素變化的影響。
植物進(jìn)行正常生命活動必需的礦質(zhì)元素有氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、鐵、銅、硼、鋅、錳、鉬、氯等。植物體內(nèi)這些礦質(zhì)元素都是可移動的。例如，鎂元素是葉綠素的重要成分，缺少鎂元素時，葉綠素和B類胡蘿卜素含量下降，葉片退綠，對CO2同化能力下降，光合能力下降。鐵元素也是植物體內(nèi)必需的元素。它是植物體內(nèi)鐵氧還原蛋白的重要組分，參與植物光合作用、硝酸還原、生物固氮等電子傳遞。缺鐵也會導(dǎo)致葉片失綠。
這些元素的移動規(guī)律，含量多少，分布情況和植物體的生長有著密切的關(guān)系。植物體對外界元素吸收和運移情況也直接影響著植物體的健康，我們有必要更好的了解植物葉片，根系體系中這些元素的遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律。
二、觀測系統(tǒng)設(shè)計2.1 目標(biāo) 本觀測系統(tǒng)主要針對植物體葉片，根系的元素分布，遷移及轉(zhuǎn)化規(guī)律進(jìn)行研究。也可以針對植物體生活環(huán)境土壤的元素遷移情況和含量做更深入的研究。2.2 分析內(nèi)容
植物葉片表層對重金屬元素吸收的分布及遷移
植物葉片組織內(nèi)部元素剖面分布
主要營養(yǎng)元素在植物根系中的分布
2.3 分析系統(tǒng)組成與特性
? EcoChem元素遷移測量系統(tǒng)源自美國加州勞倫斯伯克利國家實驗室多年科學(xué)研究成果，推出了激光誘導(dǎo)擊穿光
譜技術(shù)LIBS（Laser Induced Breakdown Spectroscopy）。在高頻激光的作用下，樣品表面形成等離子體，然
后由光譜檢測單元對等離子體的發(fā)射光譜進(jìn)行分析，進(jìn)而得到樣品的元素組分、含量以及指紋光譜信息等。隨著
等離子的冷卻，凝結(jié)的樣品顆粒還可輸送到ICP-MS（質(zhì)譜聯(lián)用），可以測量樣品中的微量、痕量元素或同位素，
檢測限可達(dá)ppb級。真正實現(xiàn)了一次剝蝕，全元素及同位素同時分析。
? 系統(tǒng)無需樣品制備，數(shù)秒內(nèi)可得結(jié)果?？煽焖贆z測土壤、植物、藥材等多種樣品中70多種元素的分布及含量。
? 系統(tǒng)內(nèi)置中國生態(tài)樣品標(biāo)準(zhǔn)樣品數(shù)據(jù)庫，含我國常見土壤和植物體的標(biāo)準(zhǔn)樣品數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)曲線。
? 該單元配置的系統(tǒng)軟件，可讓用戶任意選取光譜線及背景，自動去除背景噪聲、自動計算元素積分面積，提供譜
線的“凈”強(qiáng)度；還可優(yōu)化選擇原子/離子發(fā)射譜線作不同的分析，在光譜標(biāo)樣基礎(chǔ)上制作定量分析標(biāo)定曲線，并
提供了PCA、PLS、多參數(shù)線性回歸、化學(xué)統(tǒng)計分析等數(shù)據(jù)分析工具，方便將隨機(jī)樣品的譜線與數(shù)據(jù)庫中的譜線
比較，得到復(fù)雜的、多組分樣品的定量分析結(jié)果。
2.4 分析系統(tǒng)性能指標(biāo)
? 基本配置：高頻飛秒激光器、光譜檢測單元、三維運動控制單元、高精密工作臺、氣體控制單元，操控主
機(jī)，水循環(huán)冷卻系統(tǒng)等
? 測量參數(shù)：土壤中地球化學(xué)組成元素種類、含量及其特征指紋光譜
? 操作系統(tǒng)：硬件控制，預(yù)選或自制激光剝蝕采樣模式，元素分布、深度分析、定量計算、物質(zhì)分類、溯源等功能
? 光譜數(shù)據(jù)庫：全光譜，TrueLIBS 發(fā)射光譜數(shù)據(jù)庫
? 采樣方法：多種采樣方式，微區(qū)分析，深度分布，元素分布分析
? 分析工具：多種算法去除背景噪聲，內(nèi)置PCA、PLS、多參數(shù)線性回歸、化學(xué)統(tǒng)計分析計算等模型
? 光譜范圍：190-1040nm
三、數(shù)據(jù)分析及系統(tǒng)應(yīng)用3.1 植物葉片表層對重金屬元素吸收的分布及遷移
采用飛秒激光器質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)，取新鮮植物葉片浸泡在金屬溶液中，以研究鉛和砷等重金屬元素在葉片中的遷移情況。
鉛 / 砷元素的研究實驗一：將葉片浸泡在含有500ppm的Pb/As溶液中，分別等待0, 1, 3, 6, 12, & 24小時，期間分別進(jìn)行元素分布測量。
鉛 / 砷元素的研究實驗二：將葉片浸泡在不同濃度的Pb/As溶液中，濃度分別為1 ppm, 10 ppm, 100 ppm, & 500 ppm Pb，期間分別進(jìn)行元素分布測量。
實驗采用掃描外形預(yù)覽圖，設(shè)置為線性掃描，掃描深度一層。以得到植物葉片的元素分布結(jié)果。測量元素為Pb，As等重金屬元素。
鉛元素在葉片中隨時間的遷移：
鉛元素在葉片中隨濃度變化的遷移：
鉛元素隨濃度變化和隨時間變化的含量變化情況：
砷元素在葉片中隨時間的遷移：
砷及其它元素在葉片中24小時之后的分布情況：
砷元素隨濃度變化和隨時間變化的含量變化情況：
通過實驗，很清晰的看出，鉛、砷等重金屬元素在不同情況下在植物葉片里的分布及遷移情況。其含量也隨溶液濃度和時間的增加而發(fā)生變化。
3.2 植物葉片組織內(nèi)部元素剖面分布
采用飛秒激光器質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)，取新鮮植物葉片放置于系統(tǒng)的樣品室內(nèi)，掃描外形預(yù)覽圖，設(shè)置為線性掃描，掃描深度為10層。以得到植物葉片的剖面元素分布結(jié)果。測量元素為C，H，O，Mg，Ca，Al等元素。
選擇葉片上合適的位置，進(jìn)行實驗
上圖：各元素隨剝蝕層數(shù)的變化，強(qiáng)度（含量）也隨之發(fā)生變化
結(jié)果顯示了C，H，O，Mg，Ca，Al等元素隨著掃描深度的變化，強(qiáng)度也隨之變化，不同層面的元素含量也不同。充分展示了植物葉片內(nèi)部不同組織結(jié)構(gòu)含有的元素的情況。對植物的生理特性和元素在植物體內(nèi)的遷移具有重要的意義。
3.3 主要營養(yǎng)元素在植物根系中的分布
采用飛秒激光器質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)，取新鮮取植物草根樣品放置于系統(tǒng)的樣品室內(nèi)，掃描外形預(yù)覽圖，設(shè)置為線性掃描，20微米光斑，30個平行線掃描，掃描深度為3層。以準(zhǔn)確的得到植物組織內(nèi)部的營養(yǎng)元素分布情況。測量元素為12C，24Mg，31P，39K，44Ca等同位素。
上圖顯示為所選的實驗區(qū)域，進(jìn)行3次掃描剝蝕
通過三次柵格掃描式剝蝕，在同一根區(qū)，*剝蝕后再剝蝕為第二次，以此類推。樣品內(nèi)部組織有著皮層、韌皮部和木質(zhì)部，在層剝蝕后，植物組織會曝露在隨后而來的激光剝蝕下。通過實驗得知，根系所選區(qū)域的中心部位主要營養(yǎng)元素含量較高。
目前激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)在國外已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。使得植物體的微區(qū)分析成為可能，并且有了一定的效果。同時無污染和快速便捷的實驗也大大縮短了實驗周期。有了這樣的觀測系統(tǒng)，也為我們未來更加深入地研究植物和土壤提供了更新的方法和更加有效的工具。
四、參考文獻(xiàn)
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