应用背景
一粒稻谷碾磨前后,营养天差地别:糙米营养满满,精白米却丢失大半矿物质;有些农田土壤重金属达标,长出的小麦籽粒依旧暗藏铅污染。生活中这些常见的粮食疑惑,本质都源于各类元素在籽粒里分布不均,有的扎堆外皮,有的深藏胚乳。
也正因如此,在作物营养强化、粮食安全防控、谷物品质改良与种质资源研究等领域中,探明谷物元素的空间排布规律与元素的含量特征,是解析作物生理机制、评估粮食安全、选育优质品种的核心关键。
随着现代农业科研不断向微区、原位、精细化方向深入,传统元素分析技术的局限性逐渐凸显。而飞秒激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(fsLA-ICP-MS)的成熟应用,彻底打破了传统技术壁垒,为小麦、水稻等谷物籽粒的高精度元素研究,开辟了全新的技术路径。
一 谷物元素分析技术的发展与迭代
随着谷物科研向精细化、机制化方向深入,元素分析技术持续迭代,实现了从破损总量检测到无损原位成像的跨越式升级。
传统消解‑ICP‑MS 需对籽粒进行粉碎消解处理,仅能获得整粒元素平均含量,完全缺失胚、糊粉层、胚乳等组织的空间分布信息,无法阐明元素转运与富集规律,难以满足现代精细育种与污染机制研究需求。
纳秒激光技术(nsLA‑ICP‑MS)虽首次实现谷物元素二维可视化成像,但固有热效应会造成籽粒组织碳化、变形,伴随明显元素分馏,成像失真、定量偏差大,空间分辨率有限,难以支撑高精度科研。
相较前两代技术,fsLA‑ICP‑MS 飞秒冷剥蚀技术优势突出,依靠超低热效应、低元素分馏、高空间分辨率的核心特性,可完整保留谷物微观组织结构,真实还原多元素原位分布。多项顶刊研究证实,该技术可精准解析稻麦籽粒营养元素与重金属的微区分配规律,是当前谷物微区元素成像分析最可靠、最先进的主流技术。
Jo & Todorov(2019, Food Chemistry) 采用消解‑ICP‑MS 与 LA‑ICP‑MS 原位成像技术,系统研究糙米与不同抛光程度精米中 14 种元素的分布规律。研究证实:P、K、Mn、Fe 高度富集在米粒外层糠层与糊粉层,胚乳含量极低;Cu、Zn、As、Cd 等由外向内递减分布。该结果直观解释了精加工谷物营养大幅流失的核心原因,为谷物营养强化育种、栽培提质与加工优化提供了关键科学依据。

重金属是影响粮食安全的关键风险因子。Zhang 等人(2022, Science of The Total Environment)利用 LA‑ICP‑MS 元素成像结合铅同位素示踪技术,明确了小麦籽粒中铅的来源与空间分布特征,研究证实大气沉降是小麦籽粒铅的主要来源,贡献率超过 50%,铅元素主要富集在籽粒外层的果皮和种皮结构中,胚乳部位无明显富集信号,且叶片吸收的大气铅可高效转运至籽粒,该成果为大气污染区域小麦的安全生产与加工脱毒提供了关键科学依据。

最新发表于Plant and Soil的研究,采用双同位素示踪结合 LA‑ICP‑MS 成像技术,解析了硬质小麦灌浆过程中镉与锌的差异分配机制,结果显示Cd 优先分配至旗叶、苞片等高蒸腾器官,难以再次向籽粒转运,而 Zn 可高效再分配并优先向籽粒运输;在上部茎节中,Cd 更多滞留于木质部,向韧皮部的转运效率显著弱于 Zn,该研究明确了高蒸腾器官是 Cd 的不可逆汇、却是 Zn 的重要再分配源,为小麦 “低镉高锌” 协同育种提供了核心理论支撑。

广西大学姚伟团队在ACS Nano(2025)发表的研究中,系统探究了小麦叶片硒纳米颗粒的转运、转化与籽粒富集规律,发现硒纳米颗粒可通过叶面气孔与角质层途径进入小麦体内,并高效转运至籽粒,最终以硒代蛋氨酸(SeMet)的形式积累;借助 LA‑ICP‑MS 成像技术,团队清晰揭示硒元素主要分布在麸皮与胚部,相关结论为富硒小麦的品种选育与精准加工提供了科学指导。

三 测试案例
01 样品前处理
上海凯来谱实验室依托fsLA‑ICP‑TOFMS / fsLA‑ICP‑MS高端分析平台,已建立水稻、小麦籽粒等各种谷物高分辨原位元素成像标准化体系,为营养强化、重金属防控、种质创新提供精准、稳定的测试服务。
实验室配套样品制靶 + 上机测试全流程一体化服务,已落地标准化 SOP。

02 成像案例


03 技术优势
飞秒激光采用超快冷剥蚀模式,剥蚀过程无明显热扩散,不会造成籽粒碳化、收缩与结构损伤,最大程度还原样品原始形态。
有效规避传统激光的元素分馏干扰,可精准还原 Fe、Zn、Ca、Mg、Mn 等营养元素,以及 Cd、As、Pb 等有毒重金属元素的真实分布状态。
凭借超高空间分辨率,可清晰区分种皮、糊粉层、胚、胚乳等不同功能区域,精准捕捉元素的富集位点与转运路径。
单次剥蚀即可同步完成数十种元素的成像与半定量分析,无需多次重复测试,大幅缩短检测周期、减少样品损耗。