摘要
目前精緻農業(農業4.0)在土壤地力元素檢測分析上植物必需的營養素：氮(N)、磷(P)、鉀(K)，除了使用XRF作分析外，有另個相同是快速檢測元素分析方式:LIBS中文雷射激光分光儀(英文Laser Induced Breakdown Spectroscopy)，來自美國NASA火星探勘計畫好奇號技術(ChemCam)，LIBS在輕元素-氫(H)、硼(B)、鈹(Be)、鋰(Li)、碳(C)和氟(F)有優異能力，本文特別提到肥料中磷酸鹽應用分析及在礦井裡LIBS成份分析-磷(P)和鎂(Mg)。
精緻農耕(農業4.0)與地力之雷射激光分光儀LIBS檢測方式
上個月跟各位介紹了各種營養素對植物的影響，尤其是對植物必需的營養素：氮(N)、磷(P)、鉀(K)，那麼除了手持式XRF能夠做檢測之外，你還能有更多選擇：LIBS的檢測讓你了解植物目前所需要的磷成分有多少。
來自美國NASA的技術：雷射激光分光儀LIBS
什麼是LIBS? LIBS的中文是：雷射激光分光儀(英文Laser Induced Breakdown Spectroscopy)。
是由美國Los Alamos國家實驗室David Cremers研究小組於1962年提出和實現的。自從1962年該小組成員Brech發表的一篇雷射激光分光儀LIBS論文標誌LIBS的誕生，至今已經有55年的發展歷史。於2012年美國火星探測器攜帶ChemCam的雷射激光分光儀LIBS登上火星。由於雷射激光分光儀LIBS不需要樣品處理，能夠剝蝕掉火星岩石上表面的灰塵，而且能夠分析C和H等有機輕元素，因此好奇號在2014年順利經由雷射激光分光儀LIBS完成了探測任務，發現火星土壤分析中存在有機物質成份等。
圖1. 美國NASA火星計畫好奇號的ChemCam(LIBS)
LIBS在輕元素優異能力-氫(H)、硼(B)、鈹(Be)、鋰(Li)、碳(C)和氟(F)
並且，對於輕元素具有靈敏度分析配備了極寬廣帶階梯光柵分析元件，元素測量範圍在10-100ppm，具有更佳靈敏度。雷射激光分光儀LIBS可輕鬆量測輕元素如：氫(H)、硼(B)、鈹(Be)、鋰(Li)、碳(C)和氟(F)。
圖2. 美國NASA好奇號檢測裝置結構圖
LIBS雷射分光儀檢疫工作原理
它的作用原理是用激發雷射，利用雷射光將待測物的表面加熱至激發態，而產生光譜，在對此光譜作解析，了解內含元素。在雷射打到樣品表面的時候會產生些微的破壞，大致上約介於50 µm ~ 100 µm之間。具體大小我們可以用生活上較常見的東西來比較，就像是我們人類的一根頭髮直徑約50~100 µm，而一隻塵螨的身體大小約100 µm左右。
圖3. 頭髮直徑約50~100 µm
相同原理LIBS與SPARK表面破壞分析簡述
因此當檢測過程所造成的破壞，相對於金屬分光儀(SPARK)來說，樣品表面還是能夠維持一定的完整度。對於大多數不介意表面有肉眼看不到的破壞而言，雷射激光分光儀LIBS的雷射激發檢測也是能夠考慮的選項。
為何肥料中大部分成分是磷酸鹽?
而相信對種植有經驗的朋友都了解，磷酸鹽是農業肥料中的基本成分。原因是許多土壤的類型原本就缺乏磷的元素，而磷元素又是植物成長的三大要素其中之一，造成農業對磷的需求量不斷增加。也因此在開採磷酸鹽的產量中有約90%的磷酸鹽用於生產肥料。其次才應用在最終產品，例如：食品防腐劑、動物飼料添加劑、殺真菌劑、化妝品和陶瓷產品等。其中桌上型雷射激光分光儀LIBS能夠看到廣泛的元素範圍和快速的分析時間是分析磷酸鹽肥料快速方便的工具之一。在土壤檢測或是肥料檢測上除了可以考慮XRF外，LIBS也是快速應用分析元素方法選擇之一。
在礦井裡的LIBS成份分析-磷(P)和鎂(Mg)?
採礦中，磷礦石的主要成份包含了磷(P)和鎂(Mg)，和礦物夾雜物像是：SiO2、Al2O3及Fe2O3。桌上型雷射激光分光儀LIBS寬光譜覆蓋可以在任何校準中使用多個發射線。幾乎所有的元素在不同強度的多個發射波長處發螢光。舉例來說，他們具有多個強弱不同程度的發射線，可以在低濃度及高濃度範圍內建構校準。
圖4. 礦物中Mg與P定量檢量線
能邁科技所代理的雷射激光分光儀LIBS設備其所屬的研發工程師及科學家早從1994年就開始在雷射剝離及雷射元素光譜分析的領域研究，專精於化學上與雷射分析相關商業應用，例如：雷射樣本剝蝕、雷射元素光譜分析系統等，可以說是世上少有經驗豐富的團隊。
常見3種檢測設備在礦物、農地及一般用地(場址)適合應用範圍?
每台儀器都根據硬體規格而有不同的檢測下限，檢測下限越好則能夠看到更精確的微量元素。而儀器的應用則是根據使用者的需要來決定，例如礦井分析，在剛挖出來的礦物需要非常準確的控制品質，這會影響到目標元素濃度及細微的雜質控制，以這樣的情況就需要硬體規格較好的設備。而在汙染土壤檢測與農地的應用方面，則需要精確的控制農地內含的鎘(Cd)和汞(Hg)的含量，大部分在考量成本的情況下，手持式X光螢光分析儀XRF即可以滿足需求。
而在種植者只需要知道我所施的肥料是不是正確的元素，確保植物吸收到對的營養素，則在這種情況下只需要基本款的X光螢光分析儀XRF即可，相關的概念以下面的圖來表示：
圖5. 常見3種檢測設備在礦物、農地及一般用地(場址)適合應用範圍
過去土壤的樣品需要送到實驗室化學分析，費時費工，採樣數量也無法增加，藉由X光螢光分析儀XRF及雷射機光分光儀LIBS等土壤檢測的快速分析設備，即可實現農業大數據的可能性，在不需要複雜前處理的情況下可以大量收集數據，建立起現地完整的目標元素分佈情況，完成農業大數據的未來展望，有效提高農產品的產量。
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