植物生長離不開各種的金屬與非金屬元素。這些元素通過土壤、大氣、水進入植物體內，通過植物體內的運輸和一系列生理生化反應分布到植物的各個部位。各種元素對植物的影響一直是植物研究的重要熱點之一。這項研究的焦點主要集中在兩個方面：1. 由于日趨嚴重的糧食安全問題，如何獲得最優化的施肥方法既可以提高作物產量和質量，又能減少對環境造成的可能傷害（富營養化等）是擺在全人類面前的重大課題；2. 現代工業造成環境中嚴重的重金屬污染，這些重金屬通過植物富集并傳導到動物圈和人類。為了搞清楚這兩個問題的運行規律并找到解決方案，就必須對植物在不同元素條件的生理生態反應進行研究。
圖1. 礦物質和水分在植物體內的運輸過程（https://online.science.psu.edu/）
很多傳統的植物生理生化指標和元素分析方法大都需要將樣品取回實驗室，并進行破壞性預處理。這一過程中很多重要的信息都可能缺失或者產生變化，而且不能做到對同一個樣品進行長期監測，難以估量植物不同生長期的差異變化。本文將介紹一些國際上最先進的用于植物原位養分利用與重金屬毒害研究的無損/準無損儀器技術。
一、葉綠素熒光/葉綠素熒光成像分析技術
葉綠素熒光動態分析技術是目前最快捷無損的監測植物生物與非生物脅迫下光合性能的技術，也是用于植物生理學和生態生理學研究的最有效的、最權威的和應用最廣的技術之一（Lu，2001；Lu，1999）。因此在葉綠素熒光技術剛剛發展成熟之初，這項技術就被用于植物養分和金屬脅迫研究。1985年Sivak發現N、P、K、Mn、Fe、S或Cu缺乏的甜菜，葉綠素熒光曲線與對照組產生了偏離（Sivak, 1985）。Abadia在1988年就提出了用葉綠素熒光測量的方法來快速簡便地檢測植物營養缺失（Abadia，1988）。
圖2. 大麥Mn缺乏與Mn充足造成OJIP快速瞬變熒光動力學曲線變化（Hebbern, 2005）
但是傳統的葉綠素熒光技術也有其局限性。一般的葉綠素熒光儀僅能通過光纖測量一個點的總值。無法展示樣品不同部位、結構的差異，更難以研究脅迫受損組織的分布以及受損部分和健康部分的差異，測量的數據無法代表測量樣品的全部情況。隨著Charge-CoupledDevice(CCD)相機技術、電腦圖像分析技術以及LED光源板技術的成熟，從上世紀八十年代末開始，葉綠素熒光成像技術開始逐漸發展起來。Ladislav Nedbal等于上世紀90年代末期發明了與PAM技術相結合的葉綠素熒光成像技術，研制成功了第一臺FluorCam調制式葉綠素熒光成像儀（Nedbal，2000），使得葉綠素熒光研究正式進入二維時代。這一技術發明以后，就因為其可以直觀定量反映營養元素與重金屬對植物光合系統產生影響的部位、分布、面積及具體機理，而迅速取代傳統的葉綠素熒光儀。
圖3. 最初的FluorCam調制式葉綠素熒光成像儀設計圖與熒光成像圖（Nedbal，2000）
山東農業大學使用FluorCam研究了兩種玉米在不同施氮條件下光合特性的變化（Li, 2012）。研究發現，施加氮肥使兩個品種的最大光化學效率Fv/Fm和量子產額ΦPSII都有所升高，而ΦPSII的升高幅度要高于Fv/Fm，表明氮肥對PSII的實際功能活性更有作用。同時玉米品種HZ4熒光參數的升高幅度也要高于Q319，這應該是由于HZ4是一種低N效率的非持綠玉米。
Vaculík研究了硅元素對緩解玉米鎘毒害的作用。通過檢測玉米葉片的實際量子產額ΦPSII發現：在低濃度鎘處理下，添加硅元素幾乎可以消除鎘的毒害；在高濃度處理下，添加硅元素不但減輕了鎘毒害的程度，同時也使毒害面積大為減少（Vaculík，2015）。
FluorCam葉綠素熒光成像系統也用于大氣重金屬等污染監測研究。Hida通過對監測鋼鐵廠不同距離白楊葉片的相對熒光衰減指數Rfd，發現了空氣污染影響植物光合系統的規律與季節波動，也為監測空氣污染找到了靈敏直觀的生物指標（Hida, 2014）。
圖7. FluorCam系列葉綠素熒光成像系統