СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ Pr, Nd, Sm В ПОЧВАХ Российский патент 2014 года по МПК G01N23/223 

Изобретение относится к области химии почв и может быть использовано для определения редкоземельных элементов Pr, Nd и Sm в почвах.

В прототипе [1] определяется содержание элементов Ва, La и Ce в почвах рентгенорадиометрическим методом, когда возбуждение исследуемого образца проводится излучением изотопного источника ²⁴¹Am. После вычитания фонового излучения интенсивности спектральных линий нормируются на интенсивность некогерентно рассеянного возбуждающего излучения - т.е. находится аналитический параметр для способа стандарта-фона, строятся зависимости концентраций анализируемых элементов от аналитического параметра (градуировочные графики) по библиотеке эталонных образцов, а концентрации исследуемых элементов в неизвестных образцах находят после вычисления аналитических параметров с помощью построенных градуировочных графиков. Определению Pr, Nd и Sm мешали два обстоятельства: 1) на K_α-линии этих элементов накладывалась K_β-линии Ba, La и Ce, т.е. не было возможности измерить истинные интенсивности линий Pr, Nd, Sm и

2) построение градуировочных графиков для этих элементов было невозможно из-за крайне малого количества эталонных образцов, аттестованных на эти элементы.

Целью изобретения является нахождение способа определения элементов Pr, Nd и Sm в почвах. Поставленная цель достигается разработкой процедуры определения истинных интенсивностей K_α-линий Pr, Nd и Sm путем вычитания мешающего наложения K_β-линий Ba, La и Ce и последующего определения концентраций Pr, Nd и Sm с помощью обобщенной градуировочной кривой, большая часть материала которой получена для элементов La и Ce. Способ осуществляется следующими этапами.

Этапы

1. Пробоподготовка.

Размолотый до крупности 50-70 мкм порошок анализируемого образца насыпается в полиэтиленовую кювету диаметром 32 мм и дном из майларовой пленки, толщиною 5 мкм. Масса порошка - 8 г, точное соблюдение навески не требуется. Проба при анализе не расходуется.

2. Съемка спектра.

Аппаратура: энергодисперсионный рентгенофлуоресцентный анализатор с Si(Li)-детектором, разрешением ~ 165 эВ на линии Mn K_α, энергетический диапазон многоканального анализатора не менее 60 кэВ (опробованы рентгенофлуоресцентные анализаторы TEFA-6111, EX-6500, РеСПЕКТ [2]); радиоизотопный источник ²⁴¹Am, линия излучения 59.48 кэВ, активность 3.7·10¹⁰c^-1.

Время набора спектра - 800-1000 с при загрузке регистрирующего тракта ~ 1000 имп/с. Обработка спектра и вычисление концентраций анализируемых элементов проходит во время набора спектра следующего образца, время обработки не превышает 600 с. Таким образом, затраченное время на один образец не превышает 17-18 мин.

3. Измерение истинных интенсивностей спектральных линий. В таблице 1 приведены данные об энергиях спектральных линий бария и изучаемых лантанидов. Легко заметна энергетическая близость K_α1,2 - линий Pr, Nd, Sm - линий, по которым предполагается диагностика этих элементов, с K_β1,2 - линиями элементов Ba, La, Ce, наложение которых будет мешать корректному измерению истинных интенсивностей линий диагностируемых элементов [3].

Таблица 1 Энергии спектральных линий бария и диагностируемых лантанидов. Положение энергетических окон для вычисления интенсивностей линий (номера каналов при разрешении анализатора 10 эВ/канал) Элемент Энергии спектральных линий, кэВ Номера каналов для границ энергетических окон K_α1 K_α2 K_β1 K_β2 нижняя верхняя Ba 32.191 31.815 36.376 37.255 3168 3239 La 33.440 33.033 37.799 38.728 3293 3364 Ce 34.717 34.276 39.255 40.231 3420 3491 Pr 36.023 35.548     3551 3622 Nd 37.359 36.845     3680 3751 Sm 40.124 39.523     3947 4018 область некогерентного рассеяния         4995 5145

На рис.1А приведен общий вид спектра для области элементов Ba-Nd на примере эталонного образца СГД-1А (габбро-эссекситовое). Наложение линий особенно сильно проявлено в энергетической области спектра 35-38 кэВ, что приводит к заметному искажению истинных интенсивностей спектральных линий Pr и Nd. Подробный вид этого участка спектра показан на рис.1Б. Основная задача при определении истинных интенсивностей линий Pr и Nd - корректно смоделировать линии Ba K_β1,2 и La K_β1, а затем вычесть их из исходного спектра. Определяющим моментом здесь является выбор модели контура спектральной линии. Экспериментальный подход (спектры чистых элементов) показал отношение интенсивностей линий Ba K_α1:Ba K_β1 - 5:1. Однако в спектрах реальных образцов это отношение оказалось несколько меньше (процентов на 20) и оно меняется в небольших пределах (разброс 10%) от образца к образцу, т.е. это отношение подвержено матричным эффектам. При высоких содержаниях Ba в почвах неучет такого разброса приведет к большой погрешности в определении истинных интенсивностей линий Pr и Nd. Поэтому в качестве модели контуров спектральных линий была выбрана Гауссова модель с отношением α и β-компонент, которое подбиралось для каждого образца исходя из наилучшего совпадения участка вершины линии Ba K_β1 с экспериментально полученным спектром по методу наименьших квадратов, как показано на рис.1Б. Кроме того, проводилась «подстройка» модельного контура по энергетической шкале - параллельный сдвиг в пределах произвольного числа каналов анализатора (при энергетическом разрешении - 10 эВ/канал). Точность «подстройки» достигала десятых долей канала. Этот эффект параллельного сдвига обусловлен дрейфом регистрирующей части энергодисперсионного анализатора (одна из причин - температурная нестабильность). На практике величина сдвига не превышала одного канала.

Процедура выбора амплитуды, «подстройки» модельного спектра и вычисления истинных интенсивностей спектральных линий.

При энергетическом разрешении многоканального анализатора 10 эВ/канал мы имеем исходные массивы чисел S_i и F_i - соответственно для исходного спектра, даваемого многоканальным анализатором и для аппроксимации фонового излучения, где номер канала i пробегает значения от 1 до 6000. Аппроксимация фонового излучения проводилась по способу, предложенному в [4].

Для области элементов Pr-Nd искался модельный спектр (SM1_i) β-компонент элементов Ba и La, которые накладываются на α-линии Pr и Nd и искажают истинные интенсивности спектральных линий. Модельный спектр искался в виде суммы трех Гауссиан:

$$\begin{array}{l}SM{1}_i=B1\cdot \exp \left\{-{\left[\left(3637.6-i-E\right)/D\right]}^2\right\}+0.25\cdot B1\cdot \exp \left\{-{\left[\left(3725.5-i-E\right)/D\right]}^2\right\}+\\ +B2\cdot \exp \left\{-[3779.9-i-E)/D{]}^2\right\}.\left(\text{1}\right)\end{array}$$

Легко видеть по положению вершин, что первых два слагаемых моделируют линии Ba K_β1 и Ba K_β2, третье слагаемое моделирует линию La K_β1. D - дисперсия Гауссовых кривых, для анализаторов указанных выше типов она составляет 21 (т.е. 210 эВ). Коэффициент 0.25 у второго слагаемого отражает соотношение между β-компонентами. Амплитуда B2 подбору не подлежит, ввиду малости ее влияния на конечный результат (линия 13 на рис.1Б), и она равна B2=0.2·(S₃₃₄₄-F₃₃₄₄), т.е. она составляет 20% от измеренной амплитуды линии La K_α1 (теоретическое соотношение). Оптимальному подбору подлежат: амплитуда B1 и величина сдвига Е. Процедура осуществлялась по следующему алгоритму: величина сдвига изменялась от -5 до +5 с шагом 0.1 и на каждом шаге проводился подбор амплитуды B1 из минимизации следующего выражения:

$${\displaystyle \sum _{i=3620}^{3650}{\left(S_i-F_i-SM{1}_i\right)}^2=\min .\left(\text{2}\right)}$$

Затем окончательно выбирается величина сдвига, соответствующая самому минимальному значению выражения (2), и та величина амплитуды B1, которая была получена при этой величине сдвига. Подбор амплитуды B1 чисто экспериментальный и не связан с теоретическими соотношениями. Пределы суммирования в выражении (2) соответствуют энергетическому диапазону 36.20-36.50 кэВ, где отсутствуют крылья линий элементов Pr и Nd (показано на рис.1Б).

После оптимального подбора K_β-компонент Ba и La по методу наименьших квадратов проводилось их вычитание из исходного спектра. Разность и есть спектр истинных интенсивностей K_α-линий Pr и Nd (рис.1В). Истинные интенсивности линий элементов Pr и Nd вычисляются соответственно:

$${\displaystyle \sum _{i=3551}^{3622}\left(S_i-F_i-SM{1}_i\right)}$$ ; $${\displaystyle \sum _{i=3680}^{3751}\left(S_i-F_i-SM{1}_i\right),\left(\text{3}\right)}$$

т.е. суммирование ведется по энергетическим окнам, указанным в таблице 1 для этих элементов. Истинные интенсивности линий для элементов Ba, La и Ce (в прототипе) вычислялись прямым способом, поскольку наложения крыльев линий посторонних элементов на них не происходит, и выглядели они соответственно:

$${\displaystyle \sum _{i=3168}^{3239}\left(S_i-F_i\right)}$$ ; $${\displaystyle \sum _{i=3293}^{3364}\left(S_i-F_i\right)}$$ ; $${\displaystyle \sum _{i=3420}^{3491}\left(S_i-F_i\right)}.\left(\text{4}\right)$$

Аналогичная процедура нахождения истинной интенсивности линии Sm K_α показана на рис.2. Здесь проводилось моделирование мешающих линий La K_β2 и Ce K_β1,2. Модельный спектр мешающих β-компонент (SM2_i) в области линии Sm состоял также из суммы трех Гауссиан:

$$\begin{array}{l}SM{2}_i=0.25\cdot B2\cdot \exp \left\{-{\left[\left(3872.8-i-E\right)/D\right]}^2\right\}+B3\cdot \exp \left\{-{\left[\left(3925.5-i-E\right)/D\right]}^2\right\}+\\ +0.25\cdot B3\cdot \exp \left\{-\left[\left(4023.1-i-E\right)/D\right]2\right\}.\left(\text{5}\right)\end{array}$$

Первое слагаемое моделирует линию La K_β2, второе и третье - линии Ce K_β1 и Ce K_β2. Амплитуда B2 - та же, что и при построении модельного спектра SM1, и подбору она не подлежит (линия 1 на рис.2Б), D=21. Подбор происходит для амплитуды B3 и величины сдвига E. Процедура подбора та же, что и в случае первого модельного спектра, в этом случае они находятся из минимизации следующего выражения:

$${\displaystyle \sum _{i=3910}^{3935}{\left(S_i-F_i-SM{2}_i\right)}^2},\left(\text{6}\right)$$

суммирование происходит по энергетической области, где отсутствуют крылья линий Sm (рис.2Б). После оптимального подбора модельного спектра он вычитается из исходного спектра и таким образом получается спектр истинных интенсивностей в районе линии Sm (рис.2В). Истинная интенсивность линии Sm вычисляется следующим образом:

$${\displaystyle \sum _{i=3947}^{4018}\left(S_i-F_i-SM{2}_i\right)}.\left(\text{7}\right)$$

4. Построение обобщенного градуировочного графика.

Для построения градуировочных кривых использовался набор эталонных образцов, состоящий из стандартных образцов состава (СОС) горных пород и почв: 18 СОС магматических горных пород, разработанных в ИГЕМ РАН [5], СОС почв: СП-1,2,3, СЧТ-1,2,3, СДПС-1,2,3, СКР-1,2,3, ССК-1,2,3, общероссийские СОС горных пород: СГД-1А, СГ-1А, СГ-2, СА-1, СТ-1А.

Поскольку ни один из эталонных образцов почв не аттестован на Pr, Nd и Sm, а из горных пород только 3 образца аттестованы на Nd и только один на Pr и Sm, то поиск связи между интенсивностями спектральных линий и концентрациями анализируемых элементов (поиск уравнений связи) в традиционном исполнении невозможен. Нами предлагается подход обобщенной градуировочной кривой. Для способа стандарта - фона, применяемого в наших исследованиях, выбирается аналитический параметр А - отношение истинной интенсивности спектральной линии к интенсивности некогерентно рассеянного возбуждающего излучения (энергетическая область: 49.95-51.45 кэВ). Например, для Pr аналитический параметр записывается как:

$$A=1000\cdot {\displaystyle \sum _{i=3551}^{3622}\left(S_i-F_i-SM{1}_i\right)}/{\displaystyle \sum _{i=4995}^{5145}{S}_i}\text{. }\left(\text{8}\right)$$

Множитель 1000 введен для удобства вычислений. На рис.3А и рис.3Б приведены зависимости аналитического параметра A от концентрации элементов La, Ce, Pr, Nd, Sm для набора СОС. Видно, что точки для La и Ce (элементы достаточно полно аттестованные в эталонных образцах) с хорошей степенью точности ложатся на обобщенную кривую. Небольшое количество точек для Pr, Nd и Sm также ложится на обобщенную кривую. Можно сделать вывод, что зависимость аналитического параметра от концентрации будет одинаковой для элементов La, Ce, Pr, Nd, Sm. Такой вывод вполне закономерен, если принять во внимание энергетическую близость линий этих элементов и энергетическую удаленность возбуждающего излучения. Необходимым условием является постоянство ширины энергетических окон для вычисления интенсивностей линий всех исследуемых элементов, что и заложено в данных в табл.1. Зависимость концентрации исследуемых элементов C от аналитического параметра A находится по способу наименьших квадратов и выглядит следующим образом:

$$C=2.27\cdot A^{1.1}\left(\text{9}\right)$$

где C измеряется в мг/кг, показатель степени отличается от единицы и описывает слабую нелинейность этой зависимости (зависимость приведена для анализатора РеСПЕКТ). Для неизвестного образца, проходящего анализ на элементы Pr, Nd и Sm, снимается рентгенорадиометрический спектр, проводится оптимальное построение модельных спектров, производится их вычитание из исходного спектра, вычисляются истинные интенсивности аналитических линий и аналитические параметры, а затем концентрации анализируемых элементов. Поскольку при вычислении аналитического параметра происходит нормирование истинных интенсивностей на величину некогерентно рассеянного возбуждающего излучения, фиксирование времени набора спектра не требуется. Погрешность анализа находится в границах III категории точности по требованиям Научного Совета по аналитическим методам [6].

Промышленная применимость предлагаемого способа определяется: 1) использованием рентгенофлуоресцентых анализаторов широкого применения, которое не требует особых затрат на приобретение аппаратуры нового поколения; 2) простейшим способом пробоподготовки; 3) малым временем настройки аппаратуры, не предусматривающей первоначального прогрева; 4) небольшим временем сбора спектра (около 17-18 мин); 5) время обработки спектра не входит в затратное время, поскольку обработка набранного спектра проходит во время сбора спектра следующего образца. Указанная последовательность действий дает возможность определять эти элементы с небольшими экономическими затратами.

Примеры анализа почвенных образцов

В таблице 2 приведены примеры анализа почвенных образцов Хибинско-Ловозерской провинции (Мурманская область).

1 - образец из фоновой территории (восточный берег Умбозера), торфяно-подбур, горизонт ВНР, глубина 18-25 см.

2 - образец из слабой геохимической аномалии (западный берег Ловозера), дерново-подбур, горизонт ВС, глубина 40-50 см.

3 - образец из сильной геохимической аномалии (берег реки Эльморайок), иллювиально-гумусовая почва, горизонт В, глубина 15-23 см.

Для образца 3 получена оптимальная величина сдвига Е=+0.6 для первого модельного спектра (Pr, Nd), отношение компонент Ba K_β1 к Ba K_α1 составляет 0.168; Е=+1.1 - для второго модельного спектра (Sm), отношение компонент Ce K_β1 к Ce K_α1 составляет 0.165; аналитические параметры соответственно: La - 120.41; Ce - 216.38; Pr - 24.12; Nd -72.13; Sm - 15.45. Пересчет в концентрации проходит по формуле (9). Элементы Ba, La, Ce определены по методу, описанному в прототипе - без построения модельного спектра мешающих β-компонент.

Содержание всех элементов в мг/кг.

Содержание элементов La, Ce, Pr, Nd, Sm в образце 1 соответствует кларковому уровню.

Таблица 2 Примеры анализа почвенных образцов Хибинско-Ловозерской провинции Образец Ba La Ce Pr Nd Sm 1 714 25 38 5 10 3 2 691 97 195 12 59 10 3 731 439 836 75 250 46

Список литературы

1. Савичев А.Т., Сорокин С.Е. Рентгенофлуоресцентный анализ содержания микроэлементов и тяжелых металлов в почвах // Агрохимия. 2000. №12. С.71-74.

2. Толоконников И.А. Энергодисперсионный рентгенофлуоресцентный анализатор состава вещества РеСПЕКТ // Атомная энергия. 2003. Т.95. Вып.1. С.69-70.

3. Вольдсет Р. Прикладная спектрометрия рентгеновского излучения. М.: Атомиздат. 1977. 185 с.

4. Савичев А.Т., Степанов С.С. Учет наложения линий и аппроксимация фонового излучения в рентгенофлуоресцентном и микрозондовом энергодисперсионном анализах // Поверхность: рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2007. №2. С.85-89.

5. Хитрое В.Г. Итоги аттестации системы стандартов химического состава магматических пород // Изв. АН СССР. Сер. геол. 1984. №11. С.37-52.

6. Беренштейн Л.Е., Масопович Н.С., Сочеванов В.Г., Остроумов Г.В. Метрологические основы контроля качества аналитических работ // Методические основы исследования химического состава горных пород, руд и минералов. Москва: Недра, 1979. С.23-118.

Настоящее изобретение относится к области химии почв, а именно к методам определения редкоземельных элементов Pr, Nd и Sm в почвах, и описывает рентгенорадиометрический энергодисперсионный способ определения содержаний Pr, Nd и Sm в почвах, включающий определение элементов Ba, La, Ce с радиоизотопным источником ²⁴¹Am с помощью следующих стадий: накапливание исходного спектра анализируемого образца в интервале энергий 31-41 кэВ; построение модельного спектра мешающих своим наложением K_β-линий Ba, La и Ce с последующим определением истинных интенсивностей спектральных K_α-линий Pr, Nd, Sm, вычисление концентрации искомых элементов по обобщенному градуировочному графику зависимости концентраций лантанидов La, Ce, Pr, Nd, Sm от интенсивностей линий. Изобретение обеспечивает определение концентраций Pr, Nd и Sm в почвах. 3 ил., 2 табл., 3 пр.

Рентгенорадиометрический энергодисперсионный способ определения содержаний Pr, Nd и Sm в почвах, включающий определение элементов Ba, La, Ce с радиоизотопным источником ²⁴¹Am, отличающийся тем, что накапливают исходный спектр анализируемого образца в интервале энергий 31-41 кэВ; строят модельный спектр мешающих своим наложением K_β-линий Ba, La и Ce; подстраивают модельные контуры по энергетической шкале способом пошагового сдвига с шагом 0,1 канала в диапазоне от -5 до +5 и на каждом шаге подбирают для каждого образца амплитуды K_β-линий Ba, La и Ce по методу наименьших квадратов; вычитают модельный спектр из исходного, тем самым определяют истинные интенсивности спектральных K_α-линий Pr, Nd и Sm, по которым ведется их диагностика; после чего концентрации искомых элементов вычисляют по обобщенному градуировочному графику зависимости концентраций лантанидов La, Ce, Pr, Nd, Sm от интенсивностей линий.