一、引言

元素的分布及含量多少對(duì)植物的生長(zhǎng)具有重要意義。由于一些元素的缺乏，植物生長(zhǎng)會(huì)受阻，會(huì)產(chǎn)生病癥，不能完成其生活史。所以元素對(duì)于植物的生長(zhǎng)有著至關(guān)重要的作用。同時(shí)，植物也會(huì)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(dòng)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(dòng)的。例如，鎂元素是葉綠素的重要成分，缺少鎂元素時(shí)，葉綠素和B類胡蘿卜素含量下降，葉片退綠，對(duì)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(huì)導(dǎo)致葉片失綠。
這些元素的移動(dòng)規(guī)律，含量多少，分布情況和植物體的生長(zhǎng)有著密切的關(guān)系。植物體對(duì)外界元素吸收和運(yùn)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。

2.2 分析內(nèi)容
植物葉片表層對(duì)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(yíng)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(cè)量系統(tǒng)源自美國(guó)加州勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(cè)單元對(duì)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(cè)量樣品中的微量、痕量元素或同位素，
檢測(cè)限可達(dá)ppb級(jí)。真正實(shí)現(xiàn)了一次剝蝕，全元素及同位素同時(shí)分析。
? 系統(tǒng)無(wú)需樣品制備，數(shù)秒內(nèi)可得結(jié)果?？煽焖贆z測(cè)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(guó)生態(tài)樣品標(biāo)準(zhǔn)樣品數(shù)據(jù)庫(kù)，含我國(guó)常見(jiàn)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(dòng)去除背景噪聲、自動(dòng)計(jì)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(jì)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(kù)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(cè)單元、三維運(yùn)動(dòng)控制單元、高精密工作臺(tái)、氣體控制單元，操控主
機(jī)，水循環(huán)冷卻系統(tǒng)等
? 測(cè)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(jì)算、物質(zhì)分類、溯源等功能
? 光譜數(shù)據(jù)庫(kù)：全光譜，TrueLIBS 發(fā)射光譜數(shù)據(jù)庫(kù)
? 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(jì)分析計(jì)算等模型
? 光譜范圍：190-1040nm

3.1 植物葉片表層對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)，期間分別進(jìn)行元素分布測(cè)量。
鉛 / 砷元素的研究實(shí)驗(yàn)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(cè)量。
實(shí)驗(yàn)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(cè)量元素為Pb，As等重金屬元素。

鉛元素在葉片中隨時(shí)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(shí)間變化的含量變化情況：

砷元素在葉片中隨時(shí)間的遷移：

砷及其它元素在葉片中24小時(shí)之后的分布情況：

砷元素隨濃度變化和隨時(shí)間變化的含量變化情況：

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，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(shí)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(cè)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(shí)驗(yàn)



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(duì)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(yíng)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(gè)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(yíng)養(yǎng)元素分布情況。測(cè)量元素為12C，24Mg，31P，39K，44Ca等同位素。

上圖顯示為所選的實(shí)驗(yàn)區(qū)域，進(jìn)行3次掃描剝蝕

通過(guò)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(huì)曝露在隨后而來(lái)的激光剝蝕下。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知，根系所選區(qū)域的中心部位主要營(yíng)養(yǎng)元素含量較高。
目前激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)在國(guó)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(shí)無(wú)污染和快速便捷的實(shí)驗(yàn)也大大縮短了實(shí)驗(yàn)周期。有了這樣的觀測(cè)系統(tǒng)，也為我們未來(lái)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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