LIBS光谱技术应用于茶叶的研究二：分类鉴定、根区元素检测与成像分析

茶叶是我国具有代表性的特色经济作物，兼具重要的经济价值、生理保健价值与文化价值。目前，茶叶种质鉴定、分类溯源、元素组分分析及重金属安全筛查等研究仍以传统理化检测、感官审评和大型仪器分析为主，普遍存在样品预处理复杂、检测周期长、操作繁琐、难以原位实时检测、无法满足大批量快速筛查等问题，极大限制了茶树种质资源高效评价、加工过程精准质控及快速检测的应用需求。

激光诱导击穿光谱（LIBS）技术是一种新兴的元素检测和分析技术。当激光作用于样品表面时，在极短的时间内诱导产生含有样品物质信息的等离子体。通过对等离子体发出的光谱进行收集分析，建立光谱与元素一一对应的关系。由此可以检测出元素周期表中的大部分元素，检测限可达ppm级。通过标准物质定标后可以进一步得到元素的含量信息。

LIBS技术利用等离子体特征光谱，可快速获取茶叶中矿质元素、特征功能组分的指纹信息，能够高效完成茶叶品种区分、产地溯源、生长期判别、功能成分定量及重金属污染快速筛查，为茶叶品质机理研究、种质资源精准评价与质量安全管控提供了全新、高效的技术路径。本文以综述形式介绍LIBS光谱技术在茶树和茶叶研究中的应用。

1，茶叶分类鉴定研究

LIBS技术利用内置的分类模型和算法可以对茶叶样品进行分类计算。这一功能可以为茶叶的以下研究提供有效和快速的帮助。1，产地溯源是保障茶叶品质和地理标志的重要环节，LIBS技术通过分析茶叶的元素指纹图谱，结合化学计量学模型可实现产地的有效追溯。2，茶叶采收期鉴别，采收期直接影响其经济价值和消费者接受度。通过分析不同采收期茶叶的LIBS特征光谱，实现了采收期的快速分类鉴别。3，掺假检测与品质判别。例如，研究者利用LIBS光谱与烧蚀图像融合的方法，对两种等级抹茶与大麦苗粉混合的掺假进行了快速量化分析。

本研究采集了2022年江西两种名优茶春季不同采收期LIBS光谱，采用基线校正方法对LIBS光谱背景信号进行修正，并优选出11组特征变量，引入LDA、SVM、EML、KNN算法构建训练分类模型。结果表明，融合数据的分类结果优于单独使用茶叶或茶水获得的结果。

基于激光诱导击穿光谱的茶叶品种快速分类

文中指出，在提取激光诱导击穿光谱(LIBS)全部特征峰的基础上，利用支持向量机建立了有效的茶叶分类模型。采集了15种茶叶样品的有效LIBS光谱数据(190～720 nm)，运用窗口平移平滑和峰位漂移函数修正对光谱进行了预处理，再结合主成分分析降维，对绿茶、红茶、白茶实现了98.3%的识别率，对同一种类中不同品种的茶叶也实现了较好的识别。研究结果表明，LIBS在茶叶品种快速识别应用中具有较好的前景。

2，茶叶微区 Mapping成像研究

采用逐点激光扫描采集茶叶叶片、茎、根区等部位LIBS光谱，提取特定元素特征谱线强度，构建二维元素分布热图，实现元素空间分布可视化 mapping，可以直观观察矿质元素、重金属在茶叶不同部位的富集迁移规律。可应用于观察重金属污染物在茶叶叶片组织中的累积部位、叶面农药残留分布差异、营养元素在鲜叶中的分布模式，研究茶树养分吸收转运、污染物富集机理。区分表面附着污染物和茶叶本体内源元素分布，辅助判别外源污染和天然元素差异。

植物叶片病变处Ca、K元素的mapping分布分析

3，根区元素检测及分布分析

根部是茶树吸收水分和矿质元素的主要器官。通过分析根部的元素，可以了解茶树如何从土壤中汲取“养分”或“有毒物质”。根部也是茶树阻挡土壤中重金属等有害物质的第一道屏障。通过分析根部元素的含量和形态，可以评估茶叶的安全风险。根部元素组成直接反映了茶树的“营养状况”和“健康状态”，对于指导科学施肥和种植管理意义重大。

Oak Ridge 国家实验室研究使用LIBS技术对多种植物根系（干燥、横截面样品）进行原位多元素检测与 mapping 成像，可有效识别 K、Ca、Mg、Fe、Al、Si、Na 等常量、微量元素，实现根系剖面元素空间分布可视化，研究养分、重金属在根尖、根皮层的累积规律，验证了 LIBS 做植物根系原位元素快速检测的可行性。

文中研究了重金属胁迫下作物根部元素分布成像、养分元素快速筛查，配合二维位移平台做微区 mapping分析、结合 PLS 等机器学习校正基体效应，提高分析的准确度。

不同重金属胁迫下豌豆植株的镍、铜、铬、铅等元素分布成像

基于深度学习的激光诱导击穿光谱技术对超富集植物中重金属转运与积累的定量元素分布成像

元素分布成像（Mapping）是LIBS技术的一大优势。本研究已能对超富集植物（如东南景天） 根、茎、叶中的镉(Cd)、锌(Zn) 进行定量Mapping，清晰揭示了重金属从根部吸收到向地上部分转运的过程。

文中部分实验采用北京澳作生态仪器有限公司自主研发的EcoChem 激光光谱元素分析系统，该系统采用激光诱导击穿光谱（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50-300μm连续可调；三维全自动工作台；样品室可通入氦气或氩气。

通过本文，我们了解了利用LIBS技术针对茶叶进行的各项研究。同时对茶叶分类鉴定、根区元素检测与成像分析等进行了综合阐述。激光诱导击穿光谱技术作为一种新兴的、快速的、微损的微区化学分析技术，有着传统仪器所不具备的更多功能。随着这一技术的发展，它必将在元素分析领域发挥越来越重要的作用。