Лазерный инструмент для изучения почвы и роста растений
Перспективные культуры, такие как тополь и свитчграсс, могут стать источником устойчивого биотоплива и помочь в хранении углерода в почве. Чтобы оптимизировать их выращивание, учёным необходимо лучше понимать взаимосвязь между процессами над и под землёй, особенно роль химических элементов (азота, фосфора, кальция и др.) в росте растений и их реакции на стресс.
Лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия (LIBS)
Учёные из Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США (ORNL) используют для анализа растений и почвы лазерно-искровую эмиссионную спектроскопию (LIBS). Этот метод создаёт уникальный химический «отпечаток» образца.
Принцип работы LIBS:
- Высокоэнергетический лазерный импульс создаёт искру, которая испаряет верхний слой образца, образуя плазму.
- При остывании плазма испускает свет с длинами волн, специфичными для определённых элементов.
- Спектрометр и детектор измеряют эти длины волн и их интенсивность.
По сравнению с традиционными методами, LIBS обладает ключевыми преимуществами:
- Скорость: анализ занимает миллисекунды, возможно тестирование более 100 образцов в день.
- Минимальная подготовка: часто можно обойтись без сложной пробоподготовки.
- Чувствительность: эффективно обнаруживает лёгкие элементы (азот, углерод) и токсичные металлы (ртуть, свинец).
- Потенциал для полевого использования: в отличие от лабораторных тестов почвы.
Применение LIBS в исследованиях
Учёные под руководством Мадхави Мартин (ORNL) адаптировали LIBS для биологических материалов.
Исследование культур для биоэнергетики:
- Свитчграсс: LIBS использовали для анализа элементов в золе сожжённых образцов с 11 разных ферм. Это помогает улучшить методы превращения свитчграсса в биотопливо.
- Тополь: Быстрорастущее дерево с простым геномом. LIBS помогает определить локализацию элементов в тканях и связать её с активностью конкретных генов, что важно для селекции.
Оптимизация пробоподготовки:
В одном эксперименте учёные тестировали минимально подготовленные образцы, имитируя полевые условия:
- Корни и побеги растений: срезы делали скальпелем. Результаты LIBS для свежих образцов были сопоставимы или точнее, чем для высушенных и измельчённых.
- Почва: неподготовленная влажная почва плохо крепилась и давала «шумные» данные. Высушивание и прессование в таблетки значительно повысило надёжность. Однако анализ необработанной почвы может помочь заранее оценить необходимый уровень подготовки.
Перспективы метода
LIBS доказал свою эффективность как инструмент для биологов. Сейчас его применяют для изучения взаимоотношений грибов и растений. Метод также показал полезность в криминалистике: анализ древесины с места преступления с помощью LIBS помог установить её происхождение и способствовал раскрытию дела.
Работа учёных ORNL расширила область применения LIBS, открыв новые возможности для исследований в биоэнергетике и экологии.