激光工具为植物生长和土壤健康提供洞察力

一大片又高又瘦的树木在微风中摇曳。未来，在这样的场景中，白杨树可以成为可持续燃料的来源，为飞机或重型车辆提供动力。它们还能帮助我们在土壤中储存更多的碳。生物能源和碳储存，都是减少大气中导致气候变化的二氧化碳含量的重要战略。

但在这成为现实之前，科学家们需要更好地了解土壤上下发生了什么。美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员率先使用一种独特的测量工具来分析植物、土壤和其他生物样本。这是生物能源创新中心（能源部生物能源研究中心）的科学家们十多年来为改善生物能源作物生长所做工作的一部分。

表层下的调查
植物及其根系是极其复杂多样的生态系统的一部分。邻近的两块土壤，甚至是不同深度的同一块土壤，在结构、湿度和微生物方面都可能存在差异。

特别是，土壤中的化学元素会对植物的生长和对压力的反应产生重大影响。氮、磷、钙和其他元素，对植物的生长和存活至关重要。植物如何吸收和利用这些元素，取决于它们的基因和环境。虽然科学家们知道所有这些不同的因素之间都有关系，但他们并没有很多关于这些关系的可靠信息。由于缺乏数据，很难知道农民可以通过改变什么来影响植物的生长和碳储存。

如果能够快速、准确、详细地找出植物和土壤中存在的元素，将大大提高我们对地上和地下情况之间联系的了解。这些信息可以帮助我们开发生物技术，帮助农民更可持续地种植生物能源作物。它还能帮助气候科学家更好地了解植物如何应对环境变化。

Madhavi Martin在观察激光诱导击穿光谱过程。她率先将该技术用于生物学研究

激光工具
激光诱导击穿光谱（LIBS）为研究植物和土壤中的化学元素，提供了一种强大的工具。就像侦探利用人体指纹来了解犯罪现场一样，激光诱导击穿光谱技术为科学家提供了一种为样本创建独特化学指纹的方法。

科学家用于LIBS的工具可产生高能纳秒激光脉冲，从而产生火花。电火花的温度很高，能以产生等离子体羽流的方式去除样品的表层。等离子体是电子从原子中分离出来，形成带电离子的一种物质状态。等离子体冷却后会发光，但不是普通的光。这些光的波长与所研究材料中的特定元素有关。然后，科学家使用光谱仪测量光的波长，并使用探测器记录光波的强度。

过去，科学家们主要利用LIBS来监测工业过程和研究用于制造商品的材料。但美国能源部橡树岭国家实验室的科学家Madhavi Martin，率先使用激光离子束扫描光谱来研究土壤和植物等生物材料。与生物材料的其他分析方法相比，LIBS具有难以置信的快速和高效。如果你曾经在自家花园里检测过土壤，你就必须把它送到实验室去。相比之下，科学家们可以在野外直接使用LIBS。

科学家几乎无需准备样品，就能快速获得高分辨率的结果。LIBS可以在几毫秒内完成样品分析，科学家每天可以检测100多个样品。它尤其适用于检测对生物学家非常重要的轻元素，如氮和碳。此外，LIBS还能检测有毒元素，如汞和铅，从而揭示环境污染情况。