AtomTraceLIBS元素分析技術

——應用于植物金屬元素分布快速Mapping

AtomTrace是歐洲工程技術中心（CEITEC）的唯一衍生公司，公司成員均為布爾諾大學激光光譜與化學分析實驗室的科研人員。實驗室起始于1997年，在LIBS應用技術研發(fā)領域具有近20年的深厚經(jīng)驗，其研制生產(chǎn)的Sci-Trace LIBS元素分析系統(tǒng)獲得捷克國家2016年年度最佳合作獎冠軍。而在此之前，AtomTrace團隊曾在歐洲LIBS元素分析大賽中斬獲第一名的優(yōu)異成績！

使用Sci-Trace，便意味著得到了全球頂尖的專業(yè)團隊技術支持和實驗室合作。

不同的營養(yǎng)及礦物質(zhì)含量，極大的影響植物的生長和代謝對于環(huán)境的響應。元素測量一直采用ICP-OES或者AAS的傳統(tǒng)方法，缺點是樣品預處理復雜，容易引入新的雜質(zhì)并造成測量誤差。但最關鍵的是，無法得到元素分布的空間信息。而如若分布模式不同，即使含量相近，對植物生理狀態(tài)的影響也差異巨大。而LIBS技術可以在植物活體狀態(tài)下無須預處理進行元素mapping掃描快速分析，恰恰彌補了這一缺憾。LA-ICP-MS技術同也可進行元素分布掃描，但仍存很多問題有待克服：激光燒蝕樣品經(jīng)載氣運送至ICP，會在運送管中有顆粒物殘留； ICP中大顆粒氣化不完全；記憶效應（前次測量對下次測量結(jié)果的影響）；霧化室及運送管中的死角對信號強度和持續(xù)時間的影響；必須在同一位置多次測量才能獲得足夠強的信號等等。因此對于植物中元素分布的測量，LIBS被認為是最優(yōu)也是最有前景的測量技術。

?AtomTrace研究團隊很早就關注到LIBS技術在植物科學領域的應用。2006年，JozefKaiser博士（AtomTraceCEO、布爾諾科技大學光譜技術實驗室主任）等即在EuropeanPhysicalJournal上發(fā)表了“Femtosecond laser spectrochemical analysis of plant samples”，應用libs技術對山茱萸整個葉片中的Fe、Mn元素進行分布mapping研究。當時在該實驗中，F(xiàn)e的LOD（檢測限）已經(jīng)做到5ppm。

AtomTrace團隊應用LIBS技術在植物元素分析領域一直在孜孜不倦的探索，優(yōu)化算法、開發(fā)軟件、優(yōu)化儀器-----例如用真空反應室、雙激發(fā)技術等提高mapping分辨率，開發(fā)AtomAnalyzer光譜數(shù)據(jù)分析軟件將計算速度提高10倍，研制紫外真空模塊檢測0-300nm紫外光區(qū)域譜線等。測試對象既有活體植物，也有干枯樣品；包括植物根、莖、葉等植物各部分組織；植物種類包括旱生植物，也包括高水分含量的水生植物；定性定量測量的元素涉及對植物有重要影響的Al、Ca、C、Mg、P、Si、Sr、Zn、B、Cu、Fe、Mn、Pb、K、S、Na、Cl、H、N、Ni、Ba、Ag等等。并發(fā)表植物LIBS分析領域高影響因子文章如下：

1. Pavlína M, Karel N, Pavel P, Jakub K, P?emysl L, Helena Z. G, Kaiser J, Comparative investigation of toxicity and bioaccumulation of Cd-based quantum dots and Cd salt in freshwater plant Lemna minor L.[J],Ecotoxicology and Environmental Safety, 147 (2018) 334–341.

2. Krajcarová L, Novotný K, Kummerová M, J. Dubová J, Gloser V, Kaiser J. Mapping of the spatial distribution of silver nanoparticles in root tissues of Viciafaba bylaser-inducedbreakdownspectroscopy(LIBS) [J], Talanta173 (2017) 28–35.

3. Lucie K, Novotny K, Petr B, Ivo P, Petra K, Vojtech A, Madhavi Z. Rene K, Kaiser J, Copper Transport and Accumulation in Spruce Stems Revealed by Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, [J]. Electrochemical Science, 8 (2013) 4485 – 4504.

4. Zitka O, Krystofova O, Hynek D, et al. Metal Transporters in Plants [M]. Heavy Metal Stress in Plants. 2013: 19-41.

5. Kaiser J, Novotny K, Martin M Z, et al. Trace elemental analysis by laser-induced breakdown spectroscopy—Biological applications [J]. Surface Science Reports, 2012, 67 (11–12): 233-243.

6. Michaela G, Jozef K, Karel N, et al. Utilization of laser-assisted analytical methods for monitoring of lead and nutrition elements distribution in fresh and dried Capsicum annuum I. leaves [J]. Microscopy Research and Technique, 2011, 74 (9): 845-852.

7. Diopan V, Shestivska V, Zitka O, et al. Determination of Plant Thiols by Liquid Chromatography Coupled with Coulometric and Amperometric Detection in Lettuce Treated by Lead (II) Ions [J]. Electroanalysis, 2010, 22 (11): 1248-1259.

8. Kaiser J, Galiova M, Novotny K, et al. Utilization of the Laser Induced Plasma Spectroscopy for monitoring of the metal accumulation in plant tissues with high spatial resolution [J]. Networking IEEE/ACM Transactions on, 2010, 20 (4): 1096-1111.

9. Kaiser J, Galiova M, Novotny K, et al. Mapping of lead, magnesium and copper accumulation in plant tissues by laser-induced breakdown spectroscopy and laser-ablation inductively coupled plasma mass spectrometry [J]. Spectrochimica Acta Part B Atomic Spectroscopy, 2009, 64 (1): 67-73.

10. Krystofova O, Shestivska V, Galiova M, et al. Sunflower Plants as Bioindicators of Environmental Pollution with Lead (II) Ions [J]. Sensors, 2009, 9 (7): 5040-5058.

11. Kaiser J, Galiova M, Novotny K, et al. Mapping of the heavy-metal pollutants in plant tissues by Laser-Induced Breakdown Spectroscopy [C]Spectrochimica Acta Part B 64 (2009) 67–73.

12. Galiova M, Kaiser J, Novotny K, et al. Investigation of heavy-metal accumulation in selected plant samples using laser induced breakdown spectroscopy and laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry [J]. Applied Physics A, 2008, 93 (4): 917-922.

13. Sona K, Pavel R, Olga K, et al. Multi-instrumental analysis of tissues of sunflower plants treated with silver(I) ions – plants as bioindicators of environmental pollution [J]. Sensors, 2008, 8 (1): 445-463.

14. Stejskal K, Mendelova Z, et al., Study of effects of lead ions on sugar beet [J]. ListyCukrovarnicke A Reparske, 2008, 124 (4): 116-119.

15. Galiova M, Kaiser J, Novotny K, et al. Utilization of laser induced breakdown spectroscopy for investigation of the metal accumulation in vegetal tissues [J]. Spectrochimica Acta Part B Atomic Spectroscopy, 2007, 62 (12): 1597-1605.

16. Kaiser J, Samek O, Reale L, et al. Monitoring of the heavy-metal hyperaccumulation in vegetal tissues by X-ray radiography and by femto-second laser induced breakdown spectroscopy [J]. Microscopy Research and Technique, 2007, 70 (70): 147-153.

AtomTrace團隊應用LIBS技術進行植物中金屬元素分布的研究案例

浮萍（Lemna minor L.）是金屬元素環(huán)境污染的指示物種，也是常被用于金屬毒害和富集作用研究的模式生物。本案例中，AtomTrace團隊應用LIBS技術對浮萍做元素分布mapping，比較研究Cd鹽和QDs中的Cd元素在浮萍中的富集模式；并應用傳統(tǒng)ICP-OES技術對不同含Cd化合物在浮萍中的含量和富集進行測量；同時應用TEM方法探究QDs的富集位置---浮萍表面、細胞內(nèi)部、還是植物組織內(nèi)。

注：Cd離子在2015年275種重要有害物質(zhì)清單中排名第7。含Cd量子點（QDs）通常由直徑3-6 nm的CdS、CdSe、PbSe及CdTe和其它一些金屬元素構(gòu)成，其外覆有有機聚合物。由于其染料效果優(yōu)于其它生物染料所以大量排放至水域中并在水中釋放出Cd離子，所以研究Cd量子點對生物的毒害作用有重要的應用意義。

使用雙激發(fā)LIBS技術研究Cd元素在浮萍小葉中的分布情況

實驗方法：

• 浮萍葉片分別在含鎘化合物CdCl₂、MPA-QDs 及 GSH-QDs 溶液（該三種溶液濃度皆分別設為三個梯度：0.1、 1和 10 mg/L）中處理。將小葉貼于載玻片上制作樣品；

• LIBS測量采用正交雙激發(fā)。一次激發(fā)激光波長266nm，脈沖能量10mJ；二次激發(fā)激光波長1064nm，脈沖能量1064mJ；兩次激發(fā)激光脈沖長度均為5nm。每次測量均將葉片擊穿。

• 掃描測量分辨率：200μm；

• Cd檢測主譜線：508.58 nm；

Fig. 4 Cd量子點及Cd鹽處理下浮萍小葉元素mapping圖像

實驗結(jié)論：

• CdCl₂和Cd-QDs污染，對于Cd元素在浮萍葉片表面分布的影響無區(qū)別；

• 濃度不同，對于Cd元素在浮萍葉片表面分布的影響無區(qū)別；

• 實驗中三種含鎘化合物（CdCl_2、MPA-QDs、GSH-QDs）濃度升高，LIBS檢測信號皆隨之增強；

• 莖結(jié)處Cd元素富集作用明顯高于其它組織

引自：Pavlína, M., Karel, N., Pavel, P., J, K., P, L., H, Z.G., Jozef, K., 2018. Comparative investigation of toxicity and bioaccumulation of Cd-based quantum dots and Cd salt in freshwater plant Lemna minor L.[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety 147 (2018) 334–341

對植物組織的元素進行LIBS mapping分析，可以通過譜線位置判別元素種類，通過譜線強度得到元素濃度，而元素mapping圖像可以得到元素分布、以及若干種元素的相關位置分布信息。而在同一位置連續(xù)測量，即可得到元素剖面分布的3D信息。

Fig. 5 所示實驗研究：

Fig. 5 A：萵苣葉片上，Pb元素對Mg元素分布的影響。Mg是葉綠素的關鍵金屬，而Pb元素對葉綠素卻有更強的親和性，因此葉片中Pb濃度上升時，Mg濃度下降。

Fig. 5 B：Pb處理使玉米葉片中Pb濃度增加。

Fig. 5 C：植物對金屬離子毒害的抗性各不相同。如圖中所示向日葵葉片中，Pb處理對Mg元素的分布無影響。該實驗結(jié)果與形態(tài)學分析實驗結(jié)果一致。

Fig. 5 D：LIBS技術也可應用于植物其它組織中的元素分析。如圖中所示松樹枝條的雙激發(fā)LIBS測量所得的3D元素分布圖。

Fig. 5

引自：Jozef, K., Karel, N., et al., Trace elemental analysis by laser-induced breakdown spectroscopy—Biologicalapplications. Surface Science Reports 67 (2012) 233–243

根部對于植物養(yǎng)分供應、保護植物避免受到過量金屬離子的毒害方面發(fā)揮著重要作用，但是根部元素分析的難度要遠遠大于對莖部組織，原因包括：根通常要比莖和芽細小很多；干物質(zhì)含量小很多，為樣品切割帶來很大不便；通常待分析元素相對含量較低；而柔軟多汁的樣品如何保持其結(jié)構(gòu)形狀以得到元素分布的正確結(jié)果，同樣是個難題。

AtomTrace針對上述挑戰(zhàn)，在本案例中進行了成功的探索---應用雙激發(fā)LIBS技術對蠶豆幼苗根部納米銀顆粒（直徑為21.7±2.3 nm）進行mapping分析，目標是對自然狀態(tài)下的植物組織進行元素檢測，獲得高mapping分辨率的同時確保檢測靈敏度。這同時也是整個LIBS領域中，對植物根部納米顆粒分布情況的初次嘗試。

LIBS雙激發(fā)技術 ---即每次采集的測量信號，都為兩次激光脈沖激發(fā)。如此可減輕燒蝕擾動并提高mapping分辨率；同時兩次激發(fā)可增強信號，以獲得可重復性更高、更優(yōu)LOD（檢測限）的檢測結(jié)果。

實驗參數(shù)：二次激發(fā)脈沖能量分別為5MJ@266nm和100MJ@1064nm，間隔為500ns；測量頻率為1次/秒；實驗在1個大氣壓下進行。

實驗材料：蠶豆幼苗，分辨在AgNP溶液、Cu 和Ag 離子溶液處理7天，做40μm厚切片進行LIBSmapping測量。

實驗結(jié)果：由以下實驗結(jié)果可見，LIBS技術檢測速度快；即使對直徑只有2mm的幼根，也可對其橫切面中的金屬離子及金屬納米顆粒分布進行mapping分析，檢測的精確度和圖像分辨率足以滿足實驗需求。應用雙激發(fā)技術，Mapping分辨率可達到50μm，足以區(qū)分根表皮層、皮層、中柱中的元素分布特征。

此外，7天的短時間處理即可檢測結(jié)果，說明對自然環(huán)境中、自然養(yǎng)分條件下的植物來說，LIBS元素mapping也是元素分布檢測行之有效的實驗方法，因此將是植物生理學和環(huán)境毒理學領域中的有效應用。

Fig.6蠶豆幼苗根橫切進行分辨率為50μm的單線測量后，燒蝕坑情況

Fig.7 Cu 溶液處理蠶豆幼苗根橫切不同分辨率下mapping結(jié)果：100μm、75μm、50μm

Fig.8 不同濃度Cu² 溶液【a) 100 μmol l⁻¹ Cu² ；b)50 μmol l⁻¹ Cu² ；c) 10μmol l⁻¹ Cu² ； d) 0 μmol l⁻¹ Cu² 】處理蠶豆幼苗根橫切mapping結(jié)果；e）樣品區(qū)特征譜線；f）Cu² 濃度降低，其對應譜線強度也依次降低

Fig.8 Cu2 、Ag 、AgNPs處理7日后的蠶豆幼苗根部橫切的顯微圖像和元素mapping對應結(jié)果（引自：Krajcarová L, Novotný K, Kummerová M, J. Dubová J, Gloser V, Kaiser J. Mapping of the spatial distribution of silver nanoparticles in root tissues of Viciafaba bylaser-inducedbreakdownspectroscopy(LIBS) [J], Talanta 173 (2017) 28–35.）

北京易科泰生態(tài)技術有限公司是由科學家創(chuàng)建并為科學家提供頂尖科技服務的高新技術企業(yè)，是AtomTrace公司在中國（包括香港、臺灣地區(qū)）的獨家代理和技術咨詢服務中心。易科泰生態(tài)技術公司在青島、西安設有分公司，在全國各地設有辦事處，北京總部設立有EcoLab實驗室以提供實驗研究合作、儀器技術培訓等。