X射線熒光光譜法在測定土壤及植物礦質養分方面的應用

何姣姣，江榮風，王雁峰，武 良，王盛鋒，張宏彥，袁會敏*

（1．中國農業大學資源與環境學院/植物—土壤相互作用教育部重點實驗室，北京 100193；2．農業農村部作物專用肥料重點實驗室，北京 100193）

近年來，隨著我國農產品產量的提高和新品種大范圍的推廣，我國農業微量元素缺乏問題逐漸顯現［1-2］。傳統的土壤和植物體采樣方法以及微量元素測定方法耗費時間長，效率低，人們亟需一種簡單的方法，來測定土壤及植物［3］樣品中微量元素的含量，為解決農業微量元素的缺乏問題，提供準確快速的數據支撐。隨著光譜技術的發展，X射線熒光光譜儀逐漸成為一種符合我們對農業微量元素測定要求的養分速測儀［4-5］。X射線熒光光譜法具有快速、測定范圍廣、可多元素同時分析，分析結果可靠、重現性好，樣品制備方法簡單，對環境和樣品本身都沒有污染，測量過程全自動，分析成本低等特點［6-10］，而且已經在土壤、植物體礦質養分測定領域進行了嘗試。在我國，X射線熒光光譜法已經廣泛地應用于土壤和植物體中重金屬元素的測定［11-15］，但是對于農作物所需的P、K、Ca、Mg、Fe、Mn等元素，X射線熒光光譜儀的測定結果都會受到諸多因素的影響，XRF速測方法尚不成熟。本文總結了X射線熒光光譜儀在土壤和植物體礦質養分測定方面的應用進展。

1 X射線熒光光譜儀原理

1.1 X射線熒光方法基本原理

X射線熒光（XRF）是原子內產生變化所致的現象。一個穩定的原子結構由原子核及核外電子組成。其核外電子都以各自特有的能量在各自的固定軌道上運行。內層電子（如K層）在足夠能量的X射線照射下脫離原子的束縛，釋放出的電子會導致該電子殼層出現相應的電子空位。這時處于高能量電子殼層的電子（如：L層）會躍遷到該低能量電子殼層來填補相應的電子空位。由于不同電子殼層之間存在著能量差距，這些能量差以二次X射線的形式釋放出來，不同的元素所釋放出來的二次X射線具有特定的能量特性（圖1），這是X射線熒光技術的基礎原理。

1.2 X射線熒光光譜儀的工作原理

利用XRF儀器測定樣品時，X光管發射出的X射線照射到樣品上，反射出的X熒光射線到檢測器上，處理器測定反射X熒光射線的強度，轉化成各元素的含量（圖2）。

圖1 X射線熒光光譜儀的原理

圖2 X射線熒光光譜儀的工作原理

2 X射線熒光光譜儀在土壤和植物體礦質元素分析方面的應用

隨著電子技術、光學技術、計算機技術的發展，XRF分析技術取得了突破性的進展，其分析儀器向小型化、多功能化、智能化方向發展［16］。X射線熒光光譜儀包括：總X射線熒光（TXRF）光譜儀，野外便攜式X射線熒光（FP-XRF）光譜儀，便攜式X射線熒光（pXRF）光譜儀。便攜式X射線熒光光譜儀快速同時測定的元素范圍為元素周期表中從鈉到鈾［17］。該儀器廣泛應用于藝術品鑒定、考古學、制藥業、農產品安全、環境、能源、礦產勘探、電子材料的研究［18-25］。近年來，國內外的學者也越來越關注X射線熒光光譜儀在土壤、植物體礦質元素測定方面的研究和應用。

2.1 X射線熒光光譜儀在土壤礦質元素分析方面的應用進展

目前，雖然X射線熒光光譜法已經被應用到各個領域，但是其在農業土壤礦質元素分析方面的應用還在探索階段，方法尚不成熟，相關文獻也有限。

Towett等［26］使用總X射線熒光光譜法與電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）標準方法來測定土壤中總元素濃度，并將兩種方法的測定結果進行比較，結果表明，遵循有效的校準措施，TXRF可作為土壤中元素總濃度的快速測定工具。使用TXRF儀器測定土壤中總元素濃度，其測定值與電感耦合等離子體質譜標準方法的測定值相比偏低，這表明需要重新校準光譜儀，Towett等采用單元素重新校準方法，提高了TXRF方法對某些元素的測定精度。針對TXRF方法在校準后仍然存在對一些元素產生低估或高估的問題，該研究使用更大的校準樣本集對光譜儀進行重新校準，多元素標準樣品（添加驗證集）的TXRF測量值與參考值接近，變異系數（CV值）基本都小于10%（CV值是針對TXRF分析結果），說明使用更大的校準樣本集將進一步提高儀器的精度［26］。

Towett等［27］結合了漫反射傅立葉變換中紅外（DRIFT-MIR）光譜法和X射線熒光（TXRF）光譜法分析并預測了與土壤肥力相關的土壤性質，研究表明兩種方法能夠產生有限的互補作用，將MIRRF模型與來自TXRF分析的總元素濃度數據相結合，顯著降低了部分土壤性質預測的均方根誤差，這兩種方法都能預測與營養物質緩沖能力有關的土壤性質，包括一些可交換的基質，pH值、P吸附能力，粘土含量和有機質含量等。Towett等［28］使用總X射線熒光光譜法量化總元素組成及其變化的比例，研究結果表明，TXRF技術以土壤元素組成的指紋圖譜為基礎，為表征土壤形成因子和土壤固有功能提供可能性。TXRF提供的化學指紋圖譜能用來推斷土壤化學和物理功能特性，這對農業土壤環境的管理也是非常有意義的［28］。鄧麗等［29］使用X射線熒光光譜儀研究了蘋果土壤中磷、鈣、硅、鎂等常量元素的垂直分布特征，揭示了不同種植年限土壤中常量元素的分布規律，研究結果表明，可用XRF法指導洛川蘋果園土壤合理施肥，為其養分優化管理提供理論依據，同時減少資源浪費和環境污染。

2.2 X射線熒光光譜儀在植物礦質元素分析方面的應用進展

X射線熒光光譜法在農業方面的應用也涉及到植物體礦質養分的測定。便攜式X射線熒光系統的出現，無論是作為實驗室系統還是現場系統，都為快速、低成本的植物分析提供了新的方法。有研究肯定了使用pXRF進行植物分析的優勢，Mcgladdery等［30］證明pXRF是一種快速評估植被元素濃度的方法。Towett等［31］的研究結果表明利用pXRF可以對不同植物體礦質元素進行定量分析，同時也為pXRF在植物分析上的使用提供了技術背景。郝曉雯［4］使用XRF與ICP-AES測定雪松老針樣品中銅元素的濃度，研究發現兩種方法的測定結果較為一致。Stephens等［3］研究表明XRF方法適用于煙草樣品中多種無機元素的測定分析。王佳妮等［5］研究表明，X射線熒光光譜法可以實現螺旋藻中一系列微量元素的便捷、準確檢測?？凳啃愕龋?2］利用該方法對水中植物葉片重金屬元素進行分析，說明該方法可用于區域水域重金屬監測。X射線熒光光譜儀不僅能測定植物葉片的重金屬元素含量，也能測定植物不同組織和器官中礦質元素的含量，判斷植物的營養狀況。Kalcsits等［33］用X射線熒光光譜儀對蘋果赤道周圍、梨果皮組織、蘋果皮下組織等器官部位中鈣和鉀的含量進行測定，該研究表明XRF可以用于檢測植物組織和器官中元素的分布，以及預測植物的病害。Richardson等［34］使用XRF對地衣中的元素進行測定，提出了XRF方法的優缺點和光譜法的限制性，同時對樣品的制備過程提出了改進的建議。

XRF可以用于樣品的原位檢測，對樣品是非破壞性的，該方法非常適合定期調查工業活動周圍植物的元素含量。Richardson［35-36］使用XRF方法對愛爾蘭一個發電站運行前（1985年）和運行后（1991年）周圍一系列地點上地衣的鉛含量進行測定，揭示了含鉛量高的汽油和基本無鉛汽油對地衣中含鉛量的影響，也揭示了鉛含量的變化對發電站周圍的兒童血鉛水平產生的影響。地衣通過捕集塵粒，吸附可溶性離子和積累陰離子來積累元素，已經成為目前最流行的空氣質量監測生物，據估計，僅在歐洲共同體中，每年就有超過5 000個地衣分析，XRF方法通過測定地衣中鉛元素的含量，可以快速準確的檢測環境質量［35，37-39］。為了改善地衣中元素的測定工作，歐共體已經將X射線熒光光譜法確定為許多實驗室分析測定方法之一［34］。目前，世界上關于該儀器對植物體礦質養分測定的研究還比較少，我國利用該儀器測定植物礦質元素的研究幾乎沒有。所以X射線熒光光譜法在植物體礦質養分含量測定方面還有待研究。

3 影響因素

X射線熒光光譜法加快了對土壤植物養分的測定速度，使測土配方施肥更加快速實施成為可能，從而適時指導農業生產。但是該方法之所以還沒有被廣泛的應用，主要原因在于X射線熒光光譜儀在測定過程中會受到很多因素的影響。使用X射線熒光光譜法對土壤和植物樣品進行測定時，均會受到儀器本身、樣本的制備、樣品的性質以及所測定的元素的影響［40］。

3.1 儀器

初級X射線的入射角與X射線熒光的傾斜角度都會對全反射X射線熒光分析產生影響，因為他們都會影響樣品反射出的熒光強度，從而直接影響測定值，應通過實驗來得出最好的初級X射線的入射角度［41］。定位精度也會對該分析方法造成影響，因為分析物的直徑會直接影響熒光強度，分析物直徑越小，檢測位置的精確度對測定值的影響就越大，帶有光學傳感器自動定位功能的X射線熒光光譜儀可以減少因定位不精確帶來的誤差［41］。樣品到檢測器之間的距離會對測定結果產生影響，在XRF儀器中，X射線熒光信號到達檢測器之前會被大氣吸收，使元素的分析不準確，但是，在TXRF中樣品和檢測器之間的距離很短，空氣中的吸附可忽略不計［26］。測定時間也會影響測定結果，原位便攜式XRF分析儀性能隨著Cu、Mn和Pb分析時間的延長而提高［42］；Block等［43］的研究結果表明，隨著樣品濃度的增加和分析時間的延長，XRF的精密度得到提高。Liang等［40］的研究結果表明，60 s的測量時間可以產生足夠的XRF信號。黃秋鑫等［44］研究了濾光片的選取對X射線熒光光譜儀測定土壤重金屬元素的影響，使用Ag、Al、Mo、Ni、Ti 5種濾光片分別檢測8種元素，結果表明使用濾光片后，各元素的總體響應均有明顯下降，其中至少有一種濾光片有明顯較好的降噪效果，使目標譜線的響應相對于背景噪音要高很多，以此提高檢測的信噪比和靈敏度。樣品杯的使用也會對測定結果產生負面的影響［31］，所以在未來的工作中，需要進一步研究和發展XRF的原位測定技術。

3.2 樣本的制備

使用XRF方法在實驗室進行測定時，樣品要先進行預處理，該預處理對樣品是無污染的，并且在分析后可對樣品進行回收［3］。樣品的制備是TXRF方法精度的影響因素之一，土壤樣品越均勻，該方法的精度越好，如泥漿樣品，通過研磨和水浴超聲波保證樣品的均勻性；漿料介質中加入有機化合物triton X-100能提高樣品的均勻性［26］；植物樣最好先粉碎再進行測定［40］，而且有研究表明對植物樣品進行適當的研磨和混合，可以最大限度減小不均勻性的影響，提高分析結果的準確性［45］。也可以通過重復測量來量化由于樣品的小規模非均質性引起的測定結果的不確定性［46］。粉末樣品在制備過程中要進行壓實處理［6］。有研究結果表明，水稻根樣品厚度＞6.1 mm時，足以進行FP-XRF光譜法的測量［40］。土壤樣品在處理過程中可能被污染，TXRF在層流罩下進行分析樣品的處理工作，污染物將不會對元素分析結果產生嚴重影響，但不能排除其影響的可能，還需要實驗來確定，并減小甚至排除該影響［26］。天氣條件也會對樣品的處理產生影響，如果在干燥多風的天氣收集樣品，樣品表面會有明顯的塵埃，相反在多雨的天氣收集，塵埃將被洗掉，但是洗滌會造成鉀等元素的丟失，對測定結果產生影響，所以決定是否洗滌樣品，是目前需要解決的問題之一［34］。

3.3 樣品性質

樣品的粒徑會影響XRF發射的熒光強度，隨著土壤樣品粒徑的減小，XRF的響應強度呈下降趨勢，而穩定性則越來越好［44］。對于土樣顆粒的TXRF定量分析，建議使用小于20 μm的尺寸以獲得最佳精度，但會增加制備的成本和時間，所以在一般的情況下粒徑低于50 μm即可［26］。在植物樣品測定中，與大多數元素相反，pXRF測定Si元素發射的熒光強度隨研磨力度的增加而減小，是因為Si主要沉積在表皮植物組織中，增加研磨可導致表皮組織對總表面積的相對貢獻減少，因此，為了可靠地比較不同的植物樣品，研磨時間應該根據植物組織的韌性來調整，以確保顆粒大小相似［6］。另外，相對于實驗室分析而言，植物樣品的原位分析會受到樣品的不均勻性和不同的組織類型的影響［31］。Argyraki等［46］通過校正，減小了原位樣品表面粗糙度對pXRF原位測定結果帶來的偏差。樣品中元素的濃度也會影響測定結果，使用光譜儀測定具有較高濃度的樣品時，可能產生兩個X射線光子同時撞擊TXRF檢測器，導致在光子的兩倍能量處檢測到峰，即堆積峰，可通過使用SPECTRA軟件利用3種含水多元素標準物進行校正，但是當前的校正方法對于某些元素無效，所以還需要進一步研究［26］。水分含量會影響測定數據的準確性，目前對植物樣品一般都是經過干燥后，再進行測定，因為植物樣品中的水分會衰減光子，植物體的含水量不同，光子的衰減量不同［31］。Liang等［40］使用pXRF儀器對不同預處理的水稻根樣品進行測定，結果表明，隨著含水量增加，初級散射X射線的強度增加，凈峰面積減少，數據精度和準確度也降低，所以樣品在測定前應進行風干處理。有研究發現隨著土壤含水量的增加，土壤樣品測得的峰強（熒光強度）降低，檢測精度增加［47］。冉景等［48］研究表明土壤含水量控制在25%以內，可以實現pXRF對Cu、Cr、Ni、Zn幾種元素的原位定量測定。通過建立經驗校準模型可有效地減少水底沉積物的水分含量對目標元素特征X射線的干擾［49］。Ge等［50］提出了水對濕樣品分析影響的校正方法，證明在含水量不高于20%時，可以有效地校正濕樣品中水的影響。在研究XRF光譜快速檢測土壤重金屬含量中發現，需要建立適用于不同類型、不同成土母質土壤的準確可靠的重金屬檢測模型，并根據檢測結果進行模型優化［51］。

3.4 元素

不同的元素類型，所需要的測定條件不同，Towett等［31］設置3種不同的樣品呈現方式，結果表明，對于輕元素，尤其是對于鎂，最可靠的分析條件是在真空下，植物粉末樣品與儀器鼻端直接接觸進行測定。輕元素（Mg，Al，Si，P，S）如果不在氦氣條件下測定，會增加該方法的檢測限［6］。而相對較重的元素，例如硫、鉀和鈣3種元素，在非真空條件下，將樣品置于樣品杯中測定的結果更準確（R2＞0.93）［31］。由于XRF是多元素同時測定，所以測定結果會出現光譜重疊現象，也會影響熒光效率，可以通過恒定校正或者通過使用物理參數來解決［31］。也可以通過校準曲線，建立線性回歸模型，減小元素相互之間產生的譜線干擾［6］。TXRF對土壤元素的測定值會出現偏高或偏低的現象，如對鈉、鎂、鋇、鑭、鉿、釹、鎢、鈰和釤測定結果偏低，對元素鉈、鋯和鉍測定結果偏高，其可能的原因是基質（如土壤）的復雜性對數據的處理產生影響，但是還沒有具體的試驗來驗證這些影響因素，因此還需要進行相關的研究來驗證并縮小甚至消除這些影響［26］。

4 展望

雖然pXRF是一種潛在的用于土壤植物元素組成分析的強大研究工具，但會受到諸多因素的影響，因此，想要在土壤植物體礦質元素分析中成功使用pXRF方法，需要了解X射線物理學、校準過程以及測試足夠多種均勻且表征良好的參考材料以開發基質特異性校準的能力，才有可能將其成功地用于土壤植物礦質養分分析［31］。針對以上影響XRF測定土壤植物養分的因素，今后的研究需在前人的研究基礎上，根據樣品的種類，設定儀器的參數，參考前人的文獻，將樣品預處理到最佳狀態，建立適合我國土壤和植物的速測方法和模型，完善X射線熒光光譜儀在實驗室快速測定的應用，在實驗室條件下的測定方法成熟后，再進一步探索便攜式X射線熒光光譜儀的原位測定方法。

在農業土壤測定方面，建立起適合我國不同土壤類型的XRF測定曲線后，對我國農田土壤的養分含量進行測定。在植物養分測定方面，建立包含多種植物類型的XRF標準曲線，對植物關鍵生育期樣品的養分含量進行測定，與土壤有效態的養分含量數據結合并分析，為農作物提供施肥推薦。即根據不同的土壤環境和植物種類建立起適合各種樣品的方法和模型，從而在我國實現土壤和植物樣品元素的快速測定，為我國農業的綠色發展提供先進的技術支撐。