Lightigo LIBS元素分析技術在植物金屬元素分布快速Mapping中的應用
Lightigo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應用技術研發領域具有近20年的深厚經驗，其研制生產的Sci-Trace LIBS元素分析系統獲得捷克國家2016年年度最佳合作獎冠軍。而在此之前，Lightigo團隊曾在歐洲LIBS元素分析大賽中斬獲第一名的優異成績！
使用Sci-Trace，便意味著得到了全球頂尖的專業團隊技術支持和實驗室合作。
LIBS技術相較于其它元素分析方法，有其獨特和不可替代的優勢
較XRF技術無法檢測輕元素的遺憾而言，LIBS可以檢測所有元素;
較ICP-MS等傳統方法，樣品無須預處理, 固、液、氣態樣品都可直接檢測，實時分析;
測量速度可達1秒鐘20次，單次測量即可同時定性、半定量檢測元素周期表中所有元素;
不同的營養及礦物質含量，極大的影響植物的生長和代謝對于環境的響應。元素測量一直采用ICP-OES或者AAS的傳統方法，缺點是樣品預處理復雜，容易引入新的雜質并造成測量誤差。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，對植物生理狀態的影響也差異巨大。而LIBS技術可以在植物活體狀態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果的影響）；霧化室及運送管中的死角對信號強度和持續時間的影響；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被認為是最優也是最有前景的測量技術。
Lightigo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，Jozef Kaiser博士（Lightigo CEO、布爾諾科技大學光譜技術實驗室主任）等即在European Physical Journal上發表了“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，Fe的LOD（檢測限）已經做到5ppm。
Lightigo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，優化算法、開發軟件、優化儀器-----例如用真空反應室、雙激發技術等提高mapping分辨率，開發AtomAnalyzer光譜數據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。并發表植物LIBS分析領域高影響因子文章如下：
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.
Krajcarová L, Novotny K, Kummerová M, J. Dubová J, Gloser V, Kaiser J. Mapping of the spatial distribution of silver nanoparticles in root tissues of Vicia faba by laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) [J], Talanta 173 (2017) 28–35.
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.
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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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Stejskal K, Mendelova Z, et al., Study of effects of lead ions on sugar beet [J]. Listy Cukrovarnicke A Reparske, 2008, 124 (4): 116-119.
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.
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.
Lightigo團隊應用LIBS技術進行植物中金屬元素分布的研究案例
研究案例一
浮萍（Lemna minor L.）是金屬元素環境污染的指示物種，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、細胞內部、還是植物組織內。
注：Cd離子在2015年275種重要有害物質清單中排名第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成，其外覆有有機聚合物。由于其染料效果優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。一次激發激光波長266nm，脈沖能量10mJ；二次激發激光波長1064nm，脈沖能量1064mJ；兩次激發激光脈沖長度均為5nm。每次測量均將葉片擊穿。