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【技术应用】玉米籽粒微量金属元素微区原位富集分析

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玉米具有很强的耐旱性、耐寒性以及极好的环境适应性。玉米的营养价值较高,是优良的粮食作物。由于玉米资源极为丰富、廉价且易于获得,它们还具有许多生物活性,如抗氧化、抗肿瘤、降血糖、提高免疫力和抑菌杀菌等。玉米的营养成分比较全面,除了丰富的有机质、有机元素氮磷钾外,玉米中还有Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn、Mo等多种微量金属元素。因此玉米具有广阔的研究、开发及应用前景。

钙元素是一种生命必需元素,含量仅次于C、H、O、N。

镁元素是酶的激活剂,也是构成叶绿素唯一的金属元素。镁能影响植物呼吸,促进磷的吸收运输。植物镁缺乏时老叶黄化,初期由叶肉细胞变黄,叶缘仍保持绿色,严重时黄化部位转坏疽,落叶。

铜元素是植物必需营养元素之一。铜参与植物体内多种氧化酶的合成,与植物体内的氧化还原反应和呼吸作用有关,对蛋白质代谢及叶绿素的形成有重大影响,铜能增强光合作用和促进花粉萌发和花粉管伸长,提高结实率。

锌元素是植物必需的微量元素之一。锌是一些脱氢酶、碳酸酐酶和磷脂酶的组成元素,这些酶对植物体内的物质水解、氧化还原过程和蛋白质合成起重要作用。植物缺锌生长发育停滞、叶片缩小、茎节缩短。

锰元素控制着植物体内的许多氧化还原反应,还是许多酶的活化剂,并直接参加光合作用中水的光解,锰也是叶绿体的结构成分。

钼元素是植物必需的微量营养元素之一。钼是固氮酶和硝酸还原酶的组成元素,缺钼会影响根瘤固氮和蛋白质的合成。铁元素也是植物必需微量营养元素之一,是植物中一些重要的氧化还原酶的组分。

 本文重点研究玉米中微量金属元素的检测手段,光谱特性,元素分布特征,元素含量定量计算等。基于元素的检测,目前最好、最快捷的方法就是激光诱导击穿光谱(LIBS)技术。样品无需前处理,无污染。检测限可达ppm级,测量的元素可覆盖元素周期表中的大部分元素。

 我们取玉米籽粒,沿中心切开后即可实验,整个过程简单快速,无需前处理。样品放在工作台上直接进行实验。通过查询EcoChem激光光谱元素分析系统内置的ElementLIBS元素识别数据库可以实现快速元素识别的目的,元素重叠信息少,高效识别。通过实验得知,各金属元素信息清晰,谱线特征明显。

微量元素的检测 

ElementLIBS元素识别数据库

通过玉米标准物质以及系统内置的PLS多变量定量模型的运算,我们可以建立玉米中微量金属元素的定标拟合曲线,相关系数可达0.999,可作为元素含量预测的定标曲线,快速大量对待测玉米的元素含量进行计算。以铜、锰元素为例,计算了其元素的预测含量与实际含量的数据以及相对偏差,实验结果,铜、锰元素的相对偏差小于7.3%。

我们继续针对玉米籽粒进行实验,测量内部切面金属元素的分布富集情况。实验时为了得到更好的信号,我们采用0.8μs为延迟时间,80%能量输出,光斑100μm,10次脉冲的信号累加。实验结果如下图所示,暖色区为元素富集区域,冷色区元素含量较低。实验得知,不同元素在玉米籽粒内部富集的区域有所不同,边缘处元素含量相对较高。

实验装置我们采用EcoChem 激光光谱元素分析系统,该系统采用LIBS技术。激光能量200mJ@1064nm,能量输出0-100%可调;重现率20Hz;光斑大小20-200μm连续可调;检测器谱宽190-1040nm。

EcoChem激光光谱元素分析系统因具有无需前处理,无污染,全元素快速测量,样品消耗量小,可在线分析,准确度高,功能多等特点,必将在玉米的元素检测,含量测定,品质鉴定等诸多方面发挥越来越重要的作用。同时此方法也可以引用到其他多种粮食和作物的检测领域。


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