X射线荧光光谱法在测定土壤及植物矿质养分方面的应用

何姣姣，江荣风，王雁峰，武 良，王盛锋，张宏彦，袁会敏*

（1．中国农业大学资源与环境学院/植物—土壤相互作用教育部重点实验室，北京 100193；2．农业农村部作物专用肥料重点实验室，北京 100193）

近年来，随着我国农产品产量的提高和新品种大范围的推广，我国农业微量元素缺乏问题逐渐显现［1-2］。传统的土壤和植物体采样方法以及微量元素测定方法耗费时间长，效率低，人们亟需一种简单的方法，来测定土壤及植物［3］样品中微量元素的含量，为解决农业微量元素的缺乏问题，提供准确快速的数据支撑。随着光谱技术的发展，X射线荧光光谱仪逐渐成为一种符合我们对农业微量元素测定要求的养分速测仪［4-5］。X射线荧光光谱法具有快速、测定范围广、可多元素同时分析，分析结果可靠、重现性好，样品制备方法简单，对环境和样品本身都没有污染，测量过程全自动，分析成本低等特点［6-10］，而且已经在土壤、植物体矿质养分测定领域进行了尝试。在我国，X射线荧光光谱法已经广泛地应用于土壤和植物体中重金属元素的测定［11-15］，但是对于农作物所需的P、K、Ca、Mg、Fe、Mn等元素，X射线荧光光谱仪的测定结果都会受到诸多因素的影响，XRF速测方法尚不成熟。本文总结了X射线荧光光谱仪在土壤和植物体矿质养分测定方面的应用进展。

1 X射线荧光光谱仪原理

1.1 X射线荧光方法基本原理

X射线荧光（XRF）是原子内产生变化所致的现象。一个稳定的原子结构由原子核及核外电子组成。其核外电子都以各自特有的能量在各自的固定轨道上运行。内层电子（如K层）在足够能量的X射线照射下脱离原子的束缚，释放出的电子会导致该电子壳层出现相应的电子空位。这时处于高能量电子壳层的电子（如：L层）会跃迁到该低能量电子壳层来填补相应的电子空位。由于不同电子壳层之间存在着能量差距，这些能量差以二次X射线的形式释放出来，不同的元素所释放出来的二次X射线具有特定的能量特性（图1），这是X射线荧光技术的基础原理。

1.2 X射线荧光光谱仪的工作原理

利用XRF仪器测定样品时，X光管发射出的X射线照射到样品上，反射出的X荧光射线到检测器上，处理器测定反射X荧光射线的强度，转化成各元素的含量（图2）。

图1 X射线荧光光谱仪的原理

图2 X射线荧光光谱仪的工作原理

2 X射线荧光光谱仪在土壤和植物体矿质元素分析方面的应用

随着电子技术、光学技术、计算机技术的发展，XRF分析技术取得了突破性的进展，其分析仪器向小型化、多功能化、智能化方向发展［16］。X射线荧光光谱仪包括：总X射线荧光（TXRF）光谱仪，野外便携式X射线荧光（FP-XRF）光谱仪，便携式X射线荧光（pXRF）光谱仪。便携式X射线荧光光谱仪快速同时测定的元素范围为元素周期表中从钠到铀［17］。该仪器广泛应用于艺术品鉴定、考古学、制药业、农产品安全、环境、能源、矿产勘探、电子材料的研究［18-25］。近年来，国内外的学者也越来越关注X射线荧光光谱仪在土壤、植物体矿质元素测定方面的研究和应用。

2.1 X射线荧光光谱仪在土壤矿质元素分析方面的应用进展

目前，虽然X射线荧光光谱法已经被应用到各个领域，但是其在农业土壤矿质元素分析方面的应用还在探索阶段，方法尚不成熟，相关文献也有限。

Towett等［26］使用总X射线荧光光谱法与电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）标准方法来测定土壤中总元素浓度，并将两种方法的测定结果进行比较，结果表明，遵循有效的校准措施，TXRF可作为土壤中元素总浓度的快速测定工具。使用TXRF仪器测定土壤中总元素浓度，其测定值与电感耦合等离子体质谱标准方法的测定值相比偏低，这表明需要重新校准光谱仪，Towett等采用单元素重新校准方法，提高了TXRF方法对某些元素的测定精度。针对TXRF方法在校准后仍然存在对一些元素产生低估或高估的问题，该研究使用更大的校准样本集对光谱仪进行重新校准，多元素标准样品（添加验证集）的TXRF测量值与参考值接近，变异系数（CV值）基本都小于10%（CV值是针对TXRF分析结果），说明使用更大的校准样本集将进一步提高仪器的精度［26］。

Towett等［27］结合了漫反射傅立叶变换中红外（DRIFT-MIR）光谱法和X射线荧光（TXRF）光谱法分析并预测了与土壤肥力相关的土壤性质，研究表明两种方法能够产生有限的互补作用，将MIRRF模型与来自TXRF分析的总元素浓度数据相结合，显著降低了部分土壤性质预测的均方根误差，这两种方法都能预测与营养物质缓冲能力有关的土壤性质，包括一些可交换的基质，pH值、P吸附能力，粘土含量和有机质含量等。Towett等［28］使用总X射线荧光光谱法量化总元素组成及其变化的比例，研究结果表明，TXRF技术以土壤元素组成的指纹图谱为基础，为表征土壤形成因子和土壤固有功能提供可能性。TXRF提供的化学指纹图谱能用来推断土壤化学和物理功能特性，这对农业土壤环境的管理也是非常有意义的［28］。邓丽等［29］使用X射线荧光光谱仪研究了苹果土壤中磷、钙、硅、镁等常量元素的垂直分布特征，揭示了不同种植年限土壤中常量元素的分布规律，研究结果表明，可用XRF法指导洛川苹果园土壤合理施肥，为其养分优化管理提供理论依据，同时减少资源浪费和环境污染。

2.2 X射线荧光光谱仪在植物矿质元素分析方面的应用进展

X射线荧光光谱法在农业方面的应用也涉及到植物体矿质养分的测定。便携式X射线荧光系统的出现，无论是作为实验室系统还是现场系统，都为快速、低成本的植物分析提供了新的方法。有研究肯定了使用pXRF进行植物分析的优势，Mcgladdery等［30］证明pXRF是一种快速评估植被元素浓度的方法。Towett等［31］的研究结果表明利用pXRF可以对不同植物体矿质元素进行定量分析，同时也为pXRF在植物分析上的使用提供了技术背景。郝晓雯［4］使用XRF与ICP-AES测定雪松老针样品中铜元素的浓度，研究发现两种方法的测定结果较为一致。Stephens等［3］研究表明XRF方法适用于烟草样品中多种无机元素的测定分析。王佳妮等［5］研究表明，X射线荧光光谱法可以实现螺旋藻中一系列微量元素的便捷、准确检测。康士秀等［32］利用该方法对水中植物叶片重金属元素进行分析，说明该方法可用于区域水域重金属监测。X射线荧光光谱仪不仅能测定植物叶片的重金属元素含量，也能测定植物不同组织和器官中矿质元素的含量，判断植物的营养状况。Kalcsits等［33］用X射线荧光光谱仪对苹果赤道周围、梨果皮组织、苹果皮下组织等器官部位中钙和钾的含量进行测定，该研究表明XRF可以用于检测植物组织和器官中元素的分布，以及预测植物的病害。Richardson等［34］使用XRF对地衣中的元素进行测定，提出了XRF方法的优缺点和光谱法的限制性，同时对样品的制备过程提出了改进的建议。

XRF可以用于样品的原位检测，对样品是非破坏性的，该方法非常适合定期调查工业活动周围植物的元素含量。Richardson［35-36］使用XRF方法对爱尔兰一个发电站运行前（1985年）和运行后（1991年）周围一系列地点上地衣的铅含量进行测定，揭示了含铅量高的汽油和基本无铅汽油对地衣中含铅量的影响，也揭示了铅含量的变化对发电站周围的儿童血铅水平产生的影响。地衣通过捕集尘粒，吸附可溶性离子和积累阴离子来积累元素，已经成为目前最流行的空气质量监测生物，据估计，仅在欧洲共同体中，每年就有超过5 000个地衣分析，XRF方法通过测定地衣中铅元素的含量，可以快速准确的检测环境质量［35，37-39］。为了改善地衣中元素的测定工作，欧共体已经将X射线荧光光谱法确定为许多实验室分析测定方法之一［34］。目前，世界上关于该仪器对植物体矿质养分测定的研究还比较少，我国利用该仪器测定植物矿质元素的研究几乎没有。所以X射线荧光光谱法在植物体矿质养分含量测定方面还有待研究。

3 影响因素

X射线荧光光谱法加快了对土壤植物养分的测定速度，使测土配方施肥更加快速实施成为可能，从而适时指导农业生产。但是该方法之所以还没有被广泛的应用，主要原因在于X射线荧光光谱仪在测定过程中会受到很多因素的影响。使用X射线荧光光谱法对土壤和植物样品进行测定时，均会受到仪器本身、样本的制备、样品的性质以及所测定的元素的影响［40］。

3.1 仪器

初级X射线的入射角与X射线荧光的倾斜角度都会对全反射X射线荧光分析产生影响，因为他们都会影响样品反射出的荧光强度，从而直接影响测定值，应通过实验来得出最好的初级X射线的入射角度［41］。定位精度也会对该分析方法造成影响，因为分析物的直径会直接影响荧光强度，分析物直径越小，检测位置的精确度对测定值的影响就越大，带有光学传感器自动定位功能的X射线荧光光谱仪可以减少因定位不精确带来的误差［41］。样品到检测器之间的距离会对测定结果产生影响，在XRF仪器中，X射线荧光信号到达检测器之前会被大气吸收，使元素的分析不准确，但是，在TXRF中样品和检测器之间的距离很短，空气中的吸附可忽略不计［26］。测定时间也会影响测定结果，原位便携式XRF分析仪性能随着Cu、Mn和Pb分析时间的延长而提高［42］；Block等［43］的研究结果表明，随着样品浓度的增加和分析时间的延长，XRF的精密度得到提高。Liang等［40］的研究结果表明，60 s的测量时间可以产生足够的XRF信号。黄秋鑫等［44］研究了滤光片的选取对X射线荧光光谱仪测定土壤重金属元素的影响，使用Ag、Al、Mo、Ni、Ti 5种滤光片分别检测8种元素，结果表明使用滤光片后，各元素的总体响应均有明显下降，其中至少有一种滤光片有明显较好的降噪效果，使目标谱线的响应相对于背景噪音要高很多，以此提高检测的信噪比和灵敏度。样品杯的使用也会对测定结果产生负面的影响［31］，所以在未来的工作中，需要进一步研究和发展XRF的原位测定技术。

3.2 样本的制备

使用XRF方法在实验室进行测定时，样品要先进行预处理，该预处理对样品是无污染的，并且在分析后可对样品进行回收［3］。样品的制备是TXRF方法精度的影响因素之一，土壤样品越均匀，该方法的精度越好，如泥浆样品，通过研磨和水浴超声波保证样品的均匀性；浆料介质中加入有机化合物triton X-100能提高样品的均匀性［26］；植物样最好先粉碎再进行测定［40］，而且有研究表明对植物样品进行适当的研磨和混合，可以最大限度减小不均匀性的影响，提高分析结果的准确性［45］。也可以通过重复测量来量化由于样品的小规模非均质性引起的测定结果的不确定性［46］。粉末样品在制备过程中要进行压实处理［6］。有研究结果表明，水稻根样品厚度＞6.1 mm时，足以进行FP-XRF光谱法的测量［40］。土壤样品在处理过程中可能被污染，TXRF在层流罩下进行分析样品的处理工作，污染物将不会对元素分析结果产生严重影响，但不能排除其影响的可能，还需要实验来确定，并减小甚至排除该影响［26］。天气条件也会对样品的处理产生影响，如果在干燥多风的天气收集样品，样品表面会有明显的尘埃，相反在多雨的天气收集，尘埃将被洗掉，但是洗涤会造成钾等元素的丢失，对测定结果产生影响，所以决定是否洗涤样品，是目前需要解决的问题之一［34］。

3.3 样品性质

样品的粒径会影响XRF发射的荧光强度，随着土壤样品粒径的减小，XRF的响应强度呈下降趋势，而稳定性则越来越好［44］。对于土样颗粒的TXRF定量分析，建议使用小于20 μm的尺寸以获得最佳精度，但会增加制备的成本和时间，所以在一般的情况下粒径低于50 μm即可［26］。在植物样品测定中，与大多数元素相反，pXRF测定Si元素发射的荧光强度随研磨力度的增加而减小，是因为Si主要沉积在表皮植物组织中，增加研磨可导致表皮组织对总表面积的相对贡献减少，因此，为了可靠地比较不同的植物样品，研磨时间应该根据植物组织的韧性来调整，以确保颗粒大小相似［6］。另外，相对于实验室分析而言，植物样品的原位分析会受到样品的不均匀性和不同的组织类型的影响［31］。Argyraki等［46］通过校正，减小了原位样品表面粗糙度对pXRF原位测定结果带来的偏差。样品中元素的浓度也会影响测定结果，使用光谱仪测定具有较高浓度的样品时，可能产生两个X射线光子同时撞击TXRF检测器，导致在光子的两倍能量处检测到峰，即堆积峰，可通过使用SPECTRA软件利用3种含水多元素标准物进行校正，但是当前的校正方法对于某些元素无效，所以还需要进一步研究［26］。水分含量会影响测定数据的准确性，目前对植物样品一般都是经过干燥后，再进行测定，因为植物样品中的水分会衰减光子，植物体的含水量不同，光子的衰减量不同［31］。Liang等［40］使用pXRF仪器对不同预处理的水稻根样品进行测定，结果表明，随着含水量增加，初级散射X射线的强度增加，净峰面积减少，数据精度和准确度也降低，所以样品在测定前应进行风干处理。有研究发现随着土壤含水量的增加，土壤样品测得的峰强（荧光强度）降低，检测精度增加［47］。冉景等［48］研究表明土壤含水量控制在25%以内，可以实现pXRF对Cu、Cr、Ni、Zn几种元素的原位定量测定。通过建立经验校准模型可有效地减少水底沉积物的水分含量对目标元素特征X射线的干扰［49］。Ge等［50］提出了水对湿样品分析影响的校正方法，证明在含水量不高于20%时，可以有效地校正湿样品中水的影响。在研究XRF光谱快速检测土壤重金属含量中发现，需要建立适用于不同类型、不同成土母质土壤的准确可靠的重金属检测模型，并根据检测结果进行模型优化［51］。

3.4 元素

不同的元素类型，所需要的测定条件不同，Towett等［31］设置3种不同的样品呈现方式，结果表明，对于轻元素，尤其是对于镁，最可靠的分析条件是在真空下，植物粉末样品与仪器鼻端直接接触进行测定。轻元素（Mg，Al，Si，P，S）如果不在氦气条件下测定，会增加该方法的检测限［6］。而相对较重的元素，例如硫、钾和钙3种元素，在非真空条件下，将样品置于样品杯中测定的结果更准确（R2＞0.93）［31］。由于XRF是多元素同时测定，所以测定结果会出现光谱重叠现象，也会影响荧光效率，可以通过恒定校正或者通过使用物理参数来解决［31］。也可以通过校准曲线，建立线性回归模型，减小元素相互之间产生的谱线干扰［6］。TXRF对土壤元素的测定值会出现偏高或偏低的现象，如对钠、镁、钡、镧、铪、钕、钨、铈和钐测定结果偏低，对元素铊、锆和铋测定结果偏高，其可能的原因是基质（如土壤）的复杂性对数据的处理产生影响，但是还没有具体的试验来验证这些影响因素，因此还需要进行相关的研究来验证并缩小甚至消除这些影响［26］。

4 展望

虽然pXRF是一种潜在的用于土壤植物元素组成分析的强大研究工具，但会受到诸多因素的影响，因此，想要在土壤植物体矿质元素分析中成功使用pXRF方法，需要了解X射线物理学、校准过程以及测试足够多种均匀且表征良好的参考材料以开发基质特异性校准的能力，才有可能将其成功地用于土壤植物矿质养分分析［31］。针对以上影响XRF测定土壤植物养分的因素，今后的研究需在前人的研究基础上，根据样品的种类，设定仪器的参数，参考前人的文献，将样品预处理到最佳状态，建立适合我国土壤和植物的速测方法和模型，完善X射线荧光光谱仪在实验室快速测定的应用，在实验室条件下的测定方法成熟后，再进一步探索便携式X射线荧光光谱仪的原位测定方法。

在农业土壤测定方面，建立起适合我国不同土壤类型的XRF测定曲线后，对我国农田土壤的养分含量进行测定。在植物养分测定方面，建立包含多种植物类型的XRF标准曲线，对植物关键生育期样品的养分含量进行测定，与土壤有效态的养分含量数据结合并分析，为农作物提供施肥推荐。即根据不同的土壤环境和植物种类建立起适合各种样品的方法和模型，从而在我国实现土壤和植物样品元素的快速测定，为我国农业的绿色发展提供先进的技术支撑。