一种土壤固体样本的制备方法、一种土壤中速效钾含量的检测方法

摘要

本发明提供了一种土壤固体样本的制备方法、一种土壤中速效钾含量的检测方法，属于成分检测技术领域。本发明采用待测土壤样品固‑液‑固的转换方式，将不可激光诱导击穿光谱检测的土壤样品转化为可测的土壤固体样本，能够利用激光诱导击穿光谱检测技术建立K元素的LIBS发射谱线强度与土壤样本中K元素浓度的关系模型，实现土壤速效钾的快速定量检测。本发明将稀释浸提液与壳聚糖的醋酸溶液混合，其中壳聚糖作为粘稠剂，能够提高稀释浸提液的粘稠性，使得含钾离子的待测溶液干燥后在基底表面分布更均匀，避免样本的“咖啡环效应”，有利于提高激光诱导击穿光谱检测准确性。结果表明，本发明检测方法与国标方法相比，检测偏差≤5％。

说明书

技术领域

本发明涉及成分检测技术领域，特别涉及一种土壤固体样本的制备方法、一种土壤中速效钾含量的检测方法。

背景技术

土壤钾主要以无机形态存在，按其对作物的有效程度划分为速效钾、缓效钾和相对无效钾三种，总钾则为三者之和。其中速效钾包括水溶性钾和交换性钾，水溶性钾指土壤溶液中的钾离子，如含钾的有机肥料溶于土壤；交换性钾是指被土壤胶体表面吸附的钾离子，并能被土壤溶液中的阳离子在短时间内代换的钾。由于速效钾起着供给作物钾的重要作用，且是植物生长和发育必需的营养物质，因此速效钾是衡量土壤向农作物供应钾能力的重要指标，但是土壤中钾含量过高会导致资源浪费、土壤环境污染、水污染以及土壤养分分布不平衡等问题。

目前，土壤中速效钾含量的传统测定方法主要有火焰光度计法和火焰原子吸收法等，以上两种方法虽然具有较高精度，但过程繁琐，需耗费大量的人力、物力和财力，且往往具有滞后性。因此，建立快速、准确地检测土壤中速效钾含量的分析方法对农业发展具有重要意义。

激光诱导击穿光谱(Laser induced breakdown spectroscopy，LIBS)技术是一种原子光谱技术，具有快速检测的特点。LIBS测量原理是激光烧蚀样本产生等离子体，通过光谱仪采集等离子体中的光谱信号，可以用于钾元素的检测。但是，土壤样品成分复杂，难以使用激光诱导击穿光谱技术直接测试速效钾含量。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种土壤固体样本的制备方法、一种土壤中速效钾含量的检测方法，本发明能够将土壤样品转化为激光诱导击穿光谱可测样本，实现土壤中速效钾的快速、定量检测。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种土壤固体样本的制备方法，包括以下步骤：

将土壤样品与中性醋酸铵溶液混合，进行浸提，得到浸提液；

对所述浸提液进行稀释，得到稀释浸提液；

将所述稀释浸提液与壳聚糖的醋酸溶液混合，取样所得混合液于溶液承载基底表面，干燥后得到土壤固体样本。

优选的，所述土壤样品的粒径≤1mm；所述中性醋酸铵溶液的浓度为0.5～1.5mol/L。

优选的，所述浸提在振荡条件下进行，所述振荡的频率为55～65Hz，时间为2～3min。

优选的，所述壳聚糖的醋酸溶液由包括壳聚糖和醋酸溶液的原料混合得到；

所述醋酸溶液的体积浓度为1～5％，所述壳聚糖的醋酸溶液中壳聚糖的浓度为4～6mg/mL。

优选的，所述壳聚糖的粘稠度为50～200mpa.s，脱乙酰度为80～90％。

优选的，所述干燥的温度为30～45℃，时间为10～15min。

本发明提供了一种土壤中速效钾含量的检测方法，包括以下步骤：

按照上述制备方法制备土壤固体样本，记录土壤样品质量与中性醋酸铵溶液体积比C和浸提液稀释倍数α；

对所述土壤固体样本进行激光诱导击穿检测，获得钾元素激光诱导击穿发射谱线强度；

根据预定的标准曲线和所述钾元素激光诱导击穿发射谱线强度，获得制备所述土壤固体样本所用稀释浸提液中速效钾含量Y

根据式I计算土壤中速效钾含量：

式I中，Y

α为浸提液稀释倍数；

C为土壤样品质量与中性醋酸铵溶液体积比，g/mL；

Y

优选的，所述激光诱导击穿的激光波长为532nm。

优选的，所述土壤样品质量与中性醋酸铵溶液体积比C为(1～2)g：10mL。

优选的，所述标准曲线的制作方法包括：

提供已知浓度的梯度钾离子浓度的中性醋酸铵溶液；

将所述梯度钾离子浓度的中性醋酸铵溶液与壳聚糖的醋酸溶液混合，取样所得混合液于溶液承载基底表面，干燥后得到梯度钾离子浓度固体样本；

对所述梯度钾离子浓度固体样本进行激光诱导击穿检测，获得梯度钾离子浓度固体样本对应的钾元素激光诱导击穿发射谱线强度；

以钾元素激光诱导击穿发射谱线强度为横坐标，以钾离子浓度为纵坐标，绘制标准曲线。

本发明提供了一种土壤固体样本的制备方法，包括以下步骤：将土壤样品与中性醋酸铵溶液混合，进行浸提，得到浸提液；对所述浸提液进行稀释，得到稀释浸提液；将所述稀释浸提液与壳聚糖的醋酸溶液混合，取样所得混合液于溶液承载基底表面，干燥后得到土壤固体样本。本发明采用待测土壤样品固-液-固的转换方式，将不可激光诱导击穿光谱检测的土壤样品转化为可激光诱导击穿光谱检测的土壤固体样本，能够利用激光诱导击穿光谱检测技术(LIBS)建立K元素的LIBS发射谱线强度与土壤样本中K元素浓度的关系模型，实现土壤速效钾的快速定量检测。本发明使用中性醋酸铵溶液对土壤样品进行浸提，能够有效地将土壤中的速效钾离子转移至浸提液中。由于液体对激光有湮灭效应，降低光谱信号质量，本发明将稀释浸提液转化为土壤固体样本，有助于提高光谱信号质量。本发明将稀释浸提液与壳聚糖的醋酸溶液混合，其中壳聚糖作为粘稠剂，能够提高稀释浸提液的粘稠性，使得含钾离子的待测溶液干燥后在基底表面分布更均匀，避免样本的“咖啡环效应”，有利于提高激光诱导击穿光谱检测准确性。

本发明提供了一种土壤中速效钾含量的检测方法，本发明利用钾离子浓度与钾元素激光诱导击穿发射谱线强度的线性关系，通过对土壤固体样本进行激光诱导击穿，获得制备所述土壤固体样本所用稀释浸提液中速效钾含量Y

进一步的，本发明在振荡条件下使用中性醋酸铵溶液对土壤样品进行浸提，浸提时间仅为2～3min，能够大大缩短样品处理时间，提高检测效率。

附图说明

图1为直接平均法得到的标准曲线；

图2为中值绝对偏差剔除异常值得到的标准曲线。

具体实施方式

本发明提供了一种土壤固体样本的制备方法，包括以下步骤：

将土壤样品与中性醋酸铵溶液混合，进行浸提，得到浸提液；

对所述浸提液进行稀释，得到稀释浸提液；

将所述稀释浸提液与壳聚糖的醋酸溶液混合，取样所得混合液于溶液承载基底表面，干燥后得到土壤固体样本。

本发明将土壤样品与中性醋酸铵溶液混合，进行浸提，得到浸提液。本发明对所述土壤样品没有特殊的要求，本领域技术人员熟知的土壤样品均适用本发明固体样本的制备方法。

所述浸提前，本发明优选对土壤样品进行干燥和研磨。在本发明中，所述干燥的方式优选为风干。在本发明中，所述研磨后，土壤样品的粒径优选≤1mm。

在本发明中，所述中性醋酸铵溶液的浓度优选为0.5～1.5mol/L，更优选为1mol/L。在本发明中，所述中性醋酸铵溶液的酸碱性优选采用分析纯氨水和分析纯醋酸调节。

在本发明中，所述土壤样品质量与中性醋酸铵溶液体积比优选为(1～2)g：10mL，更优选为1g：10mL。在本发明中，所述土壤样品的取样量优选为0.4～0.8g，更优选为0.6g。

在本发明中，所述浸提优选在振荡条件下进行，所述振荡的频率优选为55～65Hz，更优选为60Hz；时间优选为2～3min，更优选为2～2.5min。在本发明中，所述振荡优选在离心管中进行。

得到所述浸提液后，本发明对所述浸提液进行稀释，得到稀释浸提液。在本发明中，稀释所述浸提液的稀释剂优选为中性醋酸铵溶液，所述中性醋酸铵溶液的浓度优选为0.5～1.5mol/L，更优选为1mol/L。

在本发明中，所述稀释时的稀释倍数α的计算方法，优选包括以下步骤：

取V

使用中性醋酸铵溶液对所述浸提液进行稀释，得到稀释浸提液，对所述稀释浸提液进行称重，记录质量m

根据式II计算稀释倍数：

α＝m

得到所述稀释浸提液后，本发明将所述稀释浸提液与壳聚糖的醋酸溶液混合，取样所得混合液于溶液承载基底表面，干燥后得到土壤固体样本。在本发明中，所述壳聚糖的醋酸溶液由包括壳聚糖和醋酸溶液的原料混合得到，所述壳聚糖的醋酸溶液的制备方法优选包括：

将壳聚糖粉末与醋酸溶液混合，得到壳聚糖的醋酸溶液。

在本发明中，所述醋酸溶液的体积浓度优选为1％，更优选为2～4％，所述壳聚糖的质量与醋酸溶液的体积比为4～6mg：1mL，更优选为5mg：1mL。

在本发明中，所述壳聚糖的分子量优选≥40000，更优选为50000，粘稠度优选为50～200mpa.s，更优选为100～150mpa.s；脱乙酰度优选为80～90％，更优选为85％。

在本发明中，所述稀释浸提液与壳聚糖的醋酸溶液的体积比优选为1：1～3，更优选为1:1～2。在本发明中，所述混合的方式优选为涡旋振荡混合，所述涡旋振荡速度优选为3000～4000rpm，更优选为3500rpm；时间优选为2～3min。

本发明取样所得混合液于溶液承载基底表面。在本发明中，所述溶液承载基底优选包括约束孔，所述约束孔的尺寸优选为6×6mm。

在本发明中，所述溶液承载基底的制备方法优选包括以下步骤：

将铝箔平铺在玻片表面，为了保证铝箔与玻片紧密贴合，先用酒精润湿玻片表面，将铝箔哑光面朝上平铺在玻片表面，再用透明胶横竖粘贴在铝箔表面，形成6×6mm的正方形透明胶约束孔。

在本发明中，所述混合液的取样量优选为14～16μL，更优选为15μL。取样所得混合液于溶液承载基底表面后，本发明优选将所述混合液在溶液承载基底表面涂抹均匀。

在本发明中，所述干燥的方式优选为加热蒸干。在本发明中，所述干燥的温度优选为30～45℃，更优选为35～40℃；时间优选为10～15min，更优选为12～14min。

本发明提供了一种土壤中速效钾含量的检测方法，包括以下步骤：

按照上述制备方法制备土壤固体样本，记录土壤样品质量与中性醋酸铵溶液体积比C和浸提液稀释倍数α；

对所述土壤固体样本进行激光诱导击穿检测，获得钾元素激光诱导击穿发射谱线强度；

根据预定的标准曲线和所述钾元素激光诱导击穿发射谱线强度，获得制备所述土壤固体样本所用稀释浸提液中速效钾含量Y

根据式I计算土壤中速效钾含量：

式I中，Y

α为浸提液稀释倍数；

C为土壤样品质量与中性醋酸铵溶液体积比，g/mL；

Y

本发明按照上述制备方法制备土壤固体样本，记录土壤样品质量与中性醋酸铵溶液体积比C和浸提液稀释倍数α。此操作方式与上文操作方式相同，在此不再赘述。在本发明中，所述土壤样品质量与中性醋酸铵溶液体积比C优选为(1～2)g：10mL。

本发明对所述土壤固体样本进行激光诱导击穿检测，获得钾元素激光诱导击穿发射谱线强度。在本发明中，所述激光诱导击穿的激光波长优选为532nm。

在本发明中，所述激光诱导击穿的具体操作过程优选包括以下步骤：

选取532nm的激光波长，将土壤固体样本放置在x-y-z移动的位移台上，控制位移台z方向移动，使得激光聚焦点在固体样本表面以下2mm位置，控制位移台x-y方向移动，使激光在样品上不同位置烧蚀16个点，每个点累计击打1次，形成4×4的排列，一个样本得到16条LIBS光谱曲线，根据美国国家标准与技术研究院(national institute of standardsand technology，NIST)原子数据库能快速定位到K元素的LIBS发射谱线(K769.9nm)，并获得钾元素激光诱导击穿发射谱线强度。

对于一个样本得到的16条LIBS谱线，本发明直接平均代表一个样本的LIBS光谱，或者采用中值绝对偏差(median-absolute-deviation，MAD)异常值剔除算法剔除异常光谱，剩下的光谱取平均代表一个样品的LIBS光谱，然后，同一浓度三个样品的LIBS光谱取平均代表该浓度下的光谱。

本发明根据预定的标准曲线和所述钾元素激光诱导击穿发射谱线强度，获得制备所述土壤固体样本所用稀释浸提液中速效钾含量Y

提供梯度钾离子浓度的中性醋酸铵溶液；

将所述梯度钾离子浓度的中性醋酸铵溶液与壳聚糖的醋酸溶液混合，取样所得混合液于溶液承载基底表面，干燥后得到梯度钾离子浓度固体样本；

对所述梯度钾离子浓度固体样本进行激光诱导击穿，获得梯度钾离子浓度固体样本对应的钾元素激光诱导击穿发射谱线强度；

以钾元素激光诱导击穿发射谱线强度为横坐标，以钾离子浓度为纵坐标，绘制标准曲线。

本发明提供梯度钾离子浓度的中性醋酸铵溶液。在本发明中，所述钾离子浓度的中性醋酸铵溶液的制备方法，优选包括以下步骤：

将可溶性钾盐与中性醋酸铵溶液混合，得到钾离子浓度的中性醋酸铵溶液。

在本发明中，所述可溶性钾盐优选为氯化钾和/或硝酸钾。在本发明中，所述可溶性钾盐的纯度优选为分析纯。在本发明中，所述中性醋酸铵的浓度与制备土壤固体样本时所用中性醋酸铵的浓度相同。

在本发明中，所述梯度钾离子浓度的中性醋酸铵溶液的浓度优选为10、8、6、4、2、0mg/L。在本发明中，制备所述梯度钾离子浓度的中性醋酸铵溶液过程中，本发明优选逐级稀释，提高浓度准确性。本发明以此浓度作为溶液中钾含量真实值，用Y

本发明将所述梯度钾离子浓度的中性醋酸铵溶液与壳聚糖的醋酸溶液混合，取样所得混合液于溶液承载基底表面，干燥后得到梯度钾离子浓度固体样本。在本发明中，所述壳聚糖的醋酸溶液的浓度、梯度钾离子浓度的中性醋酸铵溶液与壳聚糖的醋酸溶液的体积比与制备土壤固体样本时的对应参数相同。在本发明中，所述混合液的取样量、干燥过程与制备土壤固体样本时的对应参数相同。

本发明对所述梯度钾离子浓度固体样本进行激光诱导击穿，获得梯度钾离子浓度固体样本对应的钾元素激光诱导击穿发射谱线强度。在本发明中，所述激光诱导击穿的激光波长优选为532nm。在本发明中，获得钾元素激光诱导击穿发射谱线强度的方式优选与上文相同，具体的，使一个样本获得16条LIBS光谱曲线，采用直接平均法或中值绝对偏差法剔除异常光谱获得一个样本的LIBS发射光谱强度，然后同一浓度三个样品的LIBS光谱取平均代表该浓度下的发射光谱强度。

在本发明中，采用中值绝对偏差法剔除异常光谱时，优选采用异常值剔除算法剔除异常光谱，剩下的光谱取平均代表一个样品的LIBS光谱。

本发明以钾元素激光诱导击穿发射谱线强度为横坐标，以钾离子浓度为纵坐标，绘制标准曲线。

作为本发明的一个具体实施例，当采用直接平均法时(即中值绝对偏差法剔除异常光谱前)，所述标准曲线为y＝0.025x-9.1622，R

当采用中值绝对偏差法剔除异常光谱时，所述标准曲线为y＝0.0247x-8.9259，R

在本发明中，Y

得到Y

式I中，Y

α为浸提液稀释倍数；

C为土壤样品质量与中性醋酸铵溶液体积比，g/mL；

Y

下面结合实施例对本发明提供的一种土壤固体样本的制备方法、一种土壤中速效钾含量的检测方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

(1)制备1M的中性醋酸铵溶液，溶液酸碱性采用分析纯氨水和分析纯醋酸调节。

(2)制备出构建K元素定标曲线的溶液样本。将分析纯氯化钾粉末溶于上述1M的中性醋酸铵溶液中制备出10、8、6、4、2、0mg/L不同K浓度的醋酸铵溶液，制备过程中应逐级稀释，提高浓度准确性。以此浓度作为溶液中K含量真实值，用Y

(3)制备溶液承载基底。液体对激光有湮灭效应，降低光谱信号质量，通过一种液转固的方式，即将液体滴加到溶液承载基底上，再加热蒸干，有助于提高光谱信号质量。具体步骤如下：将铝箔平铺在玻片表面，为了保证铝箔与玻片紧密贴合，先用酒精润湿玻片表面，将铝箔哑光面朝上平铺在玻片表面，再用透明胶横竖粘贴在铝箔表面，形成6×6mm的正方形透明胶约束孔，至此，溶液承载基底制备完成

(4)将步骤2制备的溶液样本转化成固体样本，具体步骤如下：壳聚糖难溶于水，易溶于稀醋酸，取10mL 1％的稀醋酸溶液，加入40mg的壳聚糖粉末，即按照壳液比＝4:1配备出较为粘稠的壳聚糖溶液。取1mL壳聚糖溶液加入0.5mL上述的浓度梯度的K的醋酸铵溶液，涡旋振荡一分钟，混合均匀后，取15μL滴加到步骤3制备的溶液承载基底正方形透明胶约束孔中，涂抹均匀，40℃下加热蒸干后形成固体样本，每个浓度进行三次平行实验，即产生三个样本。

(5)采集固体样本的激光诱导击穿(Laser induced breakdown spectroscopy，LIBS)光谱。选取532nm的激光波长，将固体样本放置在x-y-z移动的位移台上，控制位移台z方向移动，使得激光聚焦点在固体样本表面以下2mm位置，控制位移台x-y方向移动，使激光在样品上不同位置烧蚀16个点，每个点累计击打1次，形成4×4的排列，一个样本得到16条LIBS光谱曲线，根据美国国家标准与技术研究院(national institute of standards andtechnology，NIST)原子数据库能快速定位到K元素的LIBS发射谱线(K769.9nm)。

(6)构建K元素LIBS光谱检测标准曲线。对于一个样本得到的16条LIBS谱线，可以直接平均代表一个样本的LIBS光谱，也可以采用中值绝对偏差(median-absolute-deviation，MAD)异常值剔除算法剔除异常光谱，剩下的光谱取平均代表一个样品的LIBS光谱，然后，同一浓度三个样品的LIBS光谱取平均代表该浓度下的光谱。对于这两种方式，以溶液中K含量的真实值为Y

其中，直接平均法得到的标准曲线如图1所示，中值绝对偏差法剔除异常光谱得到的标准曲线如图2所示。

中值绝对偏差法得到标准曲线R

实施例2

(1)获取三种土壤速效钾待测溶液样本，分别为水稻所土壤1，记为样本1；水稻所土壤2，记为样本2；土壤是农业土壤成分分析标准物质，编号是GBW070043，采自四川简阳，是一种紫褐色粘性壤土，母质为砂页岩，记为样本3。

(2)取0.6g土壤粉末于10mL离心管中，按照土液比1:10加入6mL1M中性醋酸铵，设置振荡频率为60Hz，设置浸提时间为2min，振荡完成后，将50mL空离心管放入烧杯中再放置在天平上，清零，离心取4mL上清液于50mL离心管中，记录稀释前质量m

(3)按照国标方法对这三种土壤测量真实值，用原子吸收光谱仪(atomicabsorption spectrometer，AAS)测量稀释后溶液中K含量真实值，根据稀释倍数α推算成土壤速效钾真实值并记录，溶液中K元素含量为Y

表1国标方法检测土壤速效钾含量结果

(3)将上述三种稀释后的土壤速效钾待测溶液样本转化为土壤速效钾待测固体样本。具体步骤与实施例1步骤4相同，同样每个浓度做三次平行，三个浓度的样本光谱取平均代表该浓度下的光谱。

(4)采集待测固体样本的LIBS光谱。对于一个样本得到的16条LIBS谱线，采用MAD异常值剔除算法剔除异常光谱，剩下的光谱取平均代表一个样品的LIBS光谱。因为最优定标曲线中的K元素LIBS激发谱线已经过MAD算法剔除异常值，为了保持一致性，这里需要对待测固体样本进行同样的操作。

(5)将K元素LIBS发射谱线强度带入标准曲线Y

表2本发明方法土壤速效钾的测试结果及偏差

由表2可以看出，本发明方法相比国标方法，偏差在5％以内，本发明能实现土壤速效钾的快速定量准确检测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。