从采样到分析：维百瑞植物元素检测全流程拆解

植物营养元素

植物营养元素分为必需元素和有益元素两类。根据国际植物营养学会标准，必需元素必须满足三个条件：直接参与植物生长或代谢（如构成细胞结构、酶活性中心等）、不可替代性以及缺素导致生长障碍。目前已确定的17种必需元素包括：C、H、O（基本元素）；N、P、K、Ca、Mg、S（大量元素）；Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、B、Ni、Cl（微量元素）。此外，Si、Ti、V、Se、Na、Co及稀土元素等虽非普遍必需，但对特定植物具有生理促进作用，故称为有益元素。

植物元素检测技术作为现代分析科学的重要组成部分，其应用价值主要体现在以下关键领域：

1、农业生产管理

通过精准测定植物体内元素含量，可建立动态施肥模型，实现作物营养的精准调控，从而提升作物产量，更能改善农产品品质，保障食品安全和营养均衡：

《plants》期刊一篇题为“Impact of Crop Sequence and Fertilization on Potato Yield in a Long-Term Study”的论文中，研究人员通过长期实验的结果表明，马铃薯种植最有效的方法是将粪肥和全矿物肥料（NPK）与作物轮作相结合。

表1：不同栽培方式和施肥处理对马铃薯的影响

2、生态环境保护

植物元素含量可反映土壤污染（如重金属超标、微塑料）或生态健康状况。《ACS Omega》期刊内题为“Hyperaccumulators' Diversity Enhances Cd-Contaminated Soil Restoration and Reduces Rice Cd Uptake under an Intercropping System”的论文，研究人员发现种植重金属富集植物可以修复Cd污染土壤并降低Cd对水稻产量的影响。

图1：间套轮作超积累植物技术模式修复重金属镉（Cd）污染土壤

2023年《Journal of Hazardous Materials》发表题为“Tryptophan pretreatment adjusts transcriptome and metabolome profiles to alleviate cadmium toxicity in Arabidopsis”的研究论文中，作者团队发现色氨酸（Trp）预处理保持了拟南芥幼苗的生物量和根长，缓解了镉（Cd）诱导的脂质过氧化，减少了Cd向芽的转运；并阐明了Trp预处理不仅通过产生主要生长素吲哚-3-乙酸并维持其水平减轻Cd毒性，而且还通过促进木质化来增加细胞壁的面积和强度，以进一步减少Cd的摄入，以及微调源自含硫氨基酸代谢的Cd 解毒产物等分子机制，揭示Trp预处理是减轻拟南芥和水稻等植物中Cd毒性的新有效策略。

图2：色氨酸预处理调节转录组和代谢组谱以减轻拟南芥中的镉毒性

3、生理机制研究

可定量解析植物对气候变化（如CO2升高）和逆境胁迫（干旱、盐碱等）的适应策略，为生态预测模型提供关键参数，助力植株抗逆机制解析与品种改良。

2023年《JOURNAL OF EXPERIMENTAL BOTANY》发表题为“Tryptophan pretreatment adjusts transcriptome and metabolome profiles to alleviate cadmium toxicity in Arabidopsis”的研究论文中，作者团队发现植物富含甘氨酸蛋白家族成员 BnGRP1主要表达在主根和侧根（无根尖）以及叶脉细胞的细胞壁，其遗传变异可介导磷酸盐转运蛋白1（PHT1） 表达上调，从而增强甘蓝型油菜对低磷胁迫的反应。

图3：植物低磷胁迫中的BnGRP1变化

4、地球化学循环

通过稳定同位素标记等技术，精确追踪C、N、P、S、Si等元素在土壤、植物、人体、大气等系统中的迁移转化规律，深化对生物地球化学循环的理解。

图4：土壤-植物-人体系统中的硅（Si）生物地球化学循环

这些应用彰显了植物元素检测技术在实现农业绿色发展、生态环境保护和基础科研突破中的不可替代性。随着检测精度和通量的持续提升，其应用前景将更加广阔。

下面，就跟随小瑞逐一了解这些植物元素：

检测意义

1  植物必需元素

植物必需元素的缺乏会显著影响生长发育，准确识别缺素症状并针对性补充，是农业高产和生态修复的关键。建议结合植物组织分析与土壤检测进行精准管理。

表2：植物必需元素生理功能及缺素症状对照表

2  植物有益元素

植物有益元素（如硅、硒、钴、稀土等）检测对现代农业发展具有重要意义。这些元素虽非植物必需，但适量存在可显著提升作物抗逆性、品质和产量，如硅增强植物机械强度，硒提高抗氧化能力，钴促进豆科固氮。

然而，农业实际应用中仍面临三大关键问题：元素适宜浓度范围狭窄（如硒在0.1-1ppm有效，超5ppm则毒害）、与必需元素的交互作用机制不明确，以及缺乏统一检测标准。未来需加强元素形态转化、作物特异性需求及快速检测技术研究，为功能农业和逆境栽培提供科学支撑。

表3：植物有益元素生理功能及缺素症状对照表

3  重金属元素

重金属元素在植物中的积累在很大程度上取决于它们在周围介质中的生物利用度。然而，植物对重金属的生物利用度取决于土壤介质的许多因素，包括土壤pH值、阳离子交换能力（CEC）、土壤水分、土壤粘土含量、氧化还原电位和吸附土壤表面的性质等。

除此之外，土壤温度对不同植物物种的金属有效性和积累也起着重要作用。大气温度会影响土壤的水分有效性，也会改变OM矿化，从而改变土壤系统中重金属的有效性；譬如，干旱条件下，植物中营养物质和微量金属的积累能力严重下降。

图5：花生土壤性质与植株Cd吸收之间的关系

维百瑞检测植物元素检测服务体系

元素检测指标一览表

1  检测方法及仪器介绍

1、技术路线：

2、检测方法--内标法：

内标液和待测液同时进样，利用待测元素和内标元素的信号强度比值来定量，减小或消除了基质效应，消除进样体积变化导致的误差，定量更准确。

3、检测仪器（部分）：

满足植物、水体、土壤及固废样品痕量分析要求：

PerkinElmer NexION® 1000 ICP-MS：

检测周期短： 单个元素的测定时间最快仅需10秒，大幅提升分析效率；

精密度高： 标准偏差控制在2%–4%之间，完美兼顾快速检测与多元素精准分析；

抗干扰能力强： 有效降低基体与质谱干扰，确保数据更真实可靠；

检出限极低： 检测限低至1 ppt（万亿分之一），满足痕量分析需求。

Thermo Fisher iCAP PRO X ICP-OES：

• 采用垂直炬管与耐腐蚀内炬盒，支持径向与双向观测，轻松适配植物、土壤、水体等复杂基质样品；
  
• 恒温中阶梯光栅搭配CID检测器，200nm处分辨率优于7pm，全波长覆盖、检出限优异，多元素同步检测效率显著优于单元素AAS；
  
• 27.12MHz固态射频与三路MFC气控保障运行稳定，经吹扫的光栅多色仪与CID阵列检测器协同实现高光通量。
  

2  取样及储存运输

1、 取样：

鲜样：取样后，及时去除样品上的泥土和灰尘，柔软湿布擦净或流水冲洗完成后，用吸水纸吸走多余的水分后，放置离心管密封后并标记，放入液氮中速冻15-20分钟后，-80℃保存。不同类型的植物样本处理方式：

① 地上部分（花、茎、叶等）：幼嫩叶片和花瓣等组织直接取样，装进15ml或50ml离心管。

② 地下组织（根、块茎等）：取样后，快速用灭菌水或流水冲洗，用吸水纸吸走多余的水分后，快速装进15ml或50ml离心管。

③ 果肉组织（如番茄、桃子等）：利用工具将果肉切成1-2cm块状大小，快速装进15ml或50ml离心管。

④ 种子（拟南芥种子、谷物种子等）：先将同一组的植株种子混匀后再分装至离心管中。

烘干样：植物样品取样后105-120℃杀青15-20分钟，再60-80℃烘干至恒重，标记清楚后再常温保存

2、 样品寄送：

鲜样：样品名称简单、清晰、准确，填写好样品委托单后打印纸质版随样品一起邮寄。

样品包装：建议样品用锡箔纸、离心管包装，使用油性记号笔填写样本编号，再装入自封袋中，避免样品包装破损样品散落。

样品寄送：选择合适大小的泡沫盒，干冰用量1 天（5kg），2-3 天（10-20kg）3-5 天（20-30kg），并密封。

干样：纸箱常温寄样

3  质控说明

1、标准物质质控：

标准物质（RM）是指具有充分均匀性和稳定性的物质，其特性经确认适用于测量或标称特性检查的预期用途。有证标准物质（CRM）则附带权威机构发布的证书，提供经有效程序确定、具有不确定度和溯源性的特性值。

在检测过程中，标准物质与盲样同步处理测定，通过比较检测结果与认定值及不确定度来验证方法准确性。

2、平行质控：

平行样分析用于评估检测精密度。南京维百瑞检测对每批次样品随机抽取≥5%的样品进行平行测定，以监测同批次测试结果的稳定性，确保分析精密度。

3、内标质控：

内标法通过引入内标元素进行定量分析，可有效校正进样量波动、气体流量变化、信号漂移（短期/长期）及基体效应。内标的选择一般遵循以下要求：

样品本底不含：内标元素不得天然存在于样品中；

抗干扰特性：内标元素不受样品基体或待测元素干扰，待测元素不受内标元素干扰；

环境稳定性：避免选用易受环境沾污的元素。

4、试剂空白试验：

不加入待测样品，仅使用实验中所有试剂（包括溶剂、显色剂、辅助试剂等）按照与样品相同的分析步骤进行处理后得到的空白溶液。其作用为：

识别试剂引入的干扰物质（杂质/污染物）；

校正由试剂中目标分析物或干扰物导致的系统误差。

5、结果案例展示：

图6：植物元素检测中质量控制示例图