用于测量植物叶片中元素浓度的装置及其实施方法制造方法及图纸

测量植物叶片中元素浓度的方法包括以下步骤：(a)收集待测试植物的叶片；(b)调理所述叶片的样品；(c)获得所述样品的原始每秒计数的XRF数据集；(d)获得所述样品的原始NIR数据集；(e)获得原始分析数据集；(f)基于所述每秒计数的XRF、NIR和分析数据集评估所样品内的矿物质的浓度。前述方法还包括以下步骤：获得白色参考辐射率数据集并基于其对所述原始NIR数据集进行归一化，并且提供NIR反射率数据集。并且提供NIR反射率数据集。并且提供NIR反射率数据集。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于测量植物叶片中元素浓度的装置及其实施方法


[0001]本专利技术涉及定量植物叶片中必需元素和非必需元素浓度两者的基于消化的分析方法，更具体地，涉及基于能量色散X射线荧光(EDXRF)光谱法和近红外(NIR)光谱法的组合的定量方法。

技术介绍

[0002]随着全球气候的持续的和预测的变化以及人口的持续增长，对增加可持续性的和营养的食品生产的需求比以往更大。因此，施肥管理的优化成为甚至更重要和紧迫的问题，因为各种土壤元素的缺乏或过量会限制植物生长和发育，损害农产品的产量、质量和安全性，并导致土壤和地下水劣化。为了解决这一挑战，迫切的是基于快速、准确、宽泛、简单和负担得起的方法对田间植物大量营养物和微量营养物进行定量。虽然基于实验室消化的分析技术被认为是评估元素状态的常见和最可靠的方式，但它们也是冗长、费力、昂贵和危险的；这是因为这样的程序依赖于熟练的人力来进行大量的称重，使用各种危险试剂(诸如硝酸、盐酸、高氯酸、硫酸和氢氟酸)的长时间消化，以及用台式仪器进行相当广泛的光谱分析。此外，在高吞吐量时或当受关注的元素需要不同的消化方法时，常规分析实验室的延迟变得更长并且产生不可避免的瓶颈
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显著阻碍了将建议传送回农民并限制了可以分析的样品量。除了这些问题之外，还值得注意的是，基于“湿化学”的方法可能由于元素挥发和不完全的基质溶解性而被证明是不精确的，可能由于宽泛的工作协议而在实验室之间变化很大，并且由于它们固有的破坏性性质而可能不适合于有限尺寸样品的分析或重新分析。
[0003]上述问题的可行解决方案是使用X射线荧光(XRF)光谱法，其提供准确、可靠、快速和非破坏性的方式来定量大量元素。在XRF系统中，高能辐射(通常为5
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100keV)用于电离样品的原子，引起内轨道电子的射出，并因此产生空位，所述空位几乎立即(10
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16秒)被来自外壳的电子填充。由于后者比内轨道的电子更具能量，因此回到其基态的经电离的原子的稳定伴随着荧光光子的释放(即，辐射跃迁)，对于特定能级之间的重新定位每个能量是唯一的。通过识别所有可能的跃迁中的几个强烈跃迁并测量它们的相应光子的能量，台式能量色散XRF(EDXRF)光谱仪可以在从钠(Na)到铀(U)的元素之间进行区分，并在几分钟内精确地定量它们的浓度，而不需要称重或化学消化，并且以允许存储和重新分析样品的非破坏性方式。鉴于这些优点，自从20世纪70年代引入以来，这些仪器已经成为分析实验室中最广泛使用的X射线方法之一，持续应用于各种学科的科学研究中。此外，由于它们对于大多数原子序数(Z)能够呈现百分之几十的准确度并能够检测低百万分率(ppm)水平，台式EDXRF装置也已成功地评估许多植物物种的叶片中的不同元素水平。
[0004]尽管它们具有有前途的能力，但重要的是要注意，台式XRF光谱仪根据定义是不能移动的并且在现场分析中运输或使用是有问题的，操作相当复杂，并且购买和维护仍然相当昂贵。此外，使用管产生辐射的那些仪器在第一次测量之前通常需要相对长的时间来稳定，而依赖于放射性同位素的那些仪器连续发射并且因此需要许可并对运输、储存和维护造成额外的困难。然而，过去二十年的巨大技术进步使得管的小型化成为可能，并且极大地
提升了X射线可检测性
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导致产生甚至更小、更简单、更快速、更安全和更便宜的便携式EDXRF(PEdXRF)仪器。此外，这样的工具可以在现场进行研究并直接呈现给样品，并且在评估叶片中的某些元素时可以恰恰与它们的基于实验室的对应物一样准确。在这方面，虽然当前的pEDXRF光谱仪具有跟踪许多必需和非必需植物营养物(包括磷(P)和钾(K))的潜力，但是它们也对重要的较轻原子(诸如氮(N)和硼(B))不敏感，因为Z<镁(Mg)的荧光产率太低而不能与背景辐射分离。有趣的是，尽管使用XRF定量较重的元素在理论上更容易，但是它们在叶片中的绝对低量
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即，从植物营养角度来看可以被认为是足够或过量的浓度，但是尚处于光谱仪的检测极限以下
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仍然可能导致不令人满意的信噪比(SNR)并阻止检测到一些必需的微量元素。
[0005]为了提供大量营养物的更完整的图片，pEDXRF系统可以与便携式近红外(NIR)技术组合，在过去几十年中已经证明该技术具有在植物中进行N(以及其他重要的生物化学性质，如叶片中水、蛋白质、淀粉、糖和油的含量)评估的巨大潜力。与上述元素高能量X射线的基于荧光的分析不同，NIR光谱法主要依赖于测量非电离且能量较低的辐射(700
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2500nm)的反射率，其在吸收时在某些光谱频带处引起谐波分子振动。虽然N相关谐波的一般位置是已知的，但是在它们中使用特定的叶片或植物定向波长对于准确推断实际浓度是必要的；即，由于检测到的NIR辐射轮廓受到材料的物理化学性质(主要是含水量和组织学)的强烈影响，因此在叶片情况下，它们应该相对于彼此校准。相同的原理对于XRF光谱法也是有效的，其中测量的强度和元素浓度之间的关系强烈地取决于基质成分，基质成分在叶片和其他材料之间是极大不同的。尽管常用的统计工具不适合于针对那些叶片特异性波长，但是先进的多变量化学计量方法是非常合适的。特别地，偏最小二乘回归(PLSR)技术对于将诸如XRF和NIR光谱的高光谱数据集(包含数百个波长)的维度降低到仅最有用和不相关的波长特别有用。
[0006]总之，当前专利说明书文件的目的是证明组合的XRF
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NIR
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PLSR系统在使用各种植物物种和样品制备形式来监测特别是主要获取的N、P和K元素以及一般的其他主要和次要必需营养物(包括Mg、硫(S)、氯(Cl)、钙(Ca)、锰(Mn)、铁(Fe)和锌(Zn))方面的优点。
[0007]Comino等人(Talanta，188(2018)，676
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684)报道了针对诊断橄榄营养状态的叶片分析结果。所提出的方法基于NIR和便携式EDXRF的组合使用。测试了两种技术单独和应用两种数据融合策略来预测最重要的植物营养物(即N、P、K、Ca、Mg、Mn、Zn和硼(B))的能力。使用PLSR构建预测模型以将光谱与营养物含量相关联。当分别考虑这两种技术时，对于不同参数获得了不等预测性能的模型。最近，F.Comino等证明了将上述技术组合用于橄榄叶片矿物质定量的潜力。然而，它们的不足够的数据处理技术和室内大气的使用(参见“专利技术详细内容”部分)导致结果劣于当前文献中所呈现的结果。

技术实现思路

[0008]因此，本专利技术的一个目的是公开一种测量植物叶片中元素浓度的方法。上述方法包括以下步骤：(a)收集待测试植物的叶片；(b)调理所述叶片的样品；(c)获得所述样品的原始每秒计数的XRF数据集；(d)获得所述样品的原始NIR数据集；(e)获得分析数据集；(f)基于所述每秒计数的XRF、NIR和分析数据集评估所样品内的矿物质的浓度。
[0009]本专利技术的核心目的是提供一种方法，该方法还包括以下步骤：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.测量植物叶片中元素浓度的方法，所述方法包括以下步骤：a.收集待测试植物的叶片；b.调理所述叶片的样品；c.获得所述样品的原始每秒计数的XRF数据集；d.获得所述样品的原始NIR数据集；e.获得原始分析数据集；f.基于所述每秒计数的XRF、NIR和分析数据集来评估所述样品内的矿物质的浓度；其特征在于，所述方法还包括以下步骤：获得白色参考辐射率数据集并基于其对所述原始NIR数据集进行归一化，并且提供NIR反射率数据集。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调理所述叶片的样品的步骤包括：对所述叶片进行灰尘清洗、研磨所述叶片、干燥研磨的叶片、称重干燥的叶片、化学消化所述干燥的叶片。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述评估矿物质的浓度的步骤包括预处理归一化的NIR数据集的步骤。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得所述样品的原始每秒计数的XRF数据集的步骤借助于XRF光谱仪执行。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得所述样品的原始NIR数据集的步骤借助于NIR光谱仪执行。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得分析数据集的步骤由原子发射光谱仪执行。7.根据权利要求1所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：U，
申请(专利权)人：以色列农业和农村发展部农业研究组织ARO火山中心，
类型：发明
国别省市：