CC BY
0
АНАЛИЗ СЕЛЕНА В ПОЧВЕ МЕТОДОМ СПЕКТРОСКОПИИ ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННОЙ ПЛАЗМЫ
А.В. Рогачевская, аспирант, мл. науч. сотр.
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (Россия, г. Москва)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-9-4-271-274
Аннотация. Продемонстрированы перспективы спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы в испытаниях почвы на селен. Селен, содержащийся в почве, важен для здоровья людей и животных, поэтому требуется контролировать его концентрацию в почве. Спектроскопия лазерно-индуцированной плазмы имеет хорошую чувствительность к большинству химических элементов, позволяет проводить быстрые и дистанционные измерения. Были зарегистрированы спектры лазерной плазмы для почвы с селеном и рассчитан предел обнаружения для этого метода.
Ключевые слова: спектроскопия лазерно-индуцированной плазмы, селен, почва, элементный анализ, экспресс-анализ почвы.
Селен известен как важный элемент для здоровья людей и животных. Однако, он полезен только в концентрации около 1 мг/кг [1], выход рациона за узкие рамки концентраций может быть опасен. Для человека доза более 400 мг/кг селена в день вызывает селеноз [2]. Нехватка селена в корме вызывает мышечное заболевание у скота, поэтому они должны получать корма, содержащие не меньше 0,1 мг/кг селена [3]. Человек, как и животные, получает селен из растительной пищи, которая насыщается селеном из почвы. При этом сами растения не сильно зависимы от концентраций селена в почве [4]. Тем не менее, требуется контролировать концентрацию селена в почве, чтобы обеспечить производство полезных продуктов питания.
Все почвы содержат приблизительно 0,3-0,4 мг/кг селена [5], то есть в природе распространен недостаток селена. Однако иногда встречаются участки, где концентрация селена превышает тысячи мг/кг, например, вблизи заводов, для которых характерны воздушные выбросы [5]. Такое высокое содержание селена ухудшает рост растений [6]. В свою очередь для участков с недостатком селена применяются современные удобрения, которые часто не полностью усваиваются растениями и вымываются, загрязняя окружающую среду [7]. Следовательно, контроль селена в почве
необходим в том числе в экологических целях.
В настоящее время для испытаний почв используются методы, которые в основном проводятся в лабораторных условиях, например, атомно-эмиссионная спектроскопия и масс-спектрометрия [4]. Наибольший интерес для исследователей представляют тяжелые элементы, тем не менее, в начале 21 века начали набирать популярность испытания почвы на селен и другие легкие элементы. Так, например, метод электротермической атомно-абсорбционной спектроскопии в исследованиях почвы имеет предел обнаружения селена менее 0,1 мг/кг [8]. Несмотря на высокую точность, все лабораторные методы обычно трудоемкие и с продолжительным временем анализа, а также очень дорогие, они не подойдут для проведения анализа вне лабораторных условий.
Экспресс-анализ почвы непосредственно в поле возможен с применением портативного оборудования. Рентгенофлуорес-центный анализ (РФА) и спектроскопия лазерно-индуцированной плазмы (СЛИП) - методы, которые реализуются в компактных анализаторах и подходят для полевых испытаний, а так же довольно простые для неквалифицированного персонала. РФА широко используется для анализа почв [9], но не подходит для измерения селена, так как слабо чувствителен к лег-
ким элементам [10]. СЛИП в свою очередь успешно используется для анализа легких элементов в почве [11]. Тем не менее, из литературы ясно, что после неудачных попыток использовать СЛИП для определения селена в почвах в конце 20 века [12], даже с развитием метода в последние годы, интерес к испытаниям почв на селен методом СЛИП так и не появился. В этой статье впервые представлен экспресс-метод спектроскопии лазерно-
индуцированной плазмы, применяемый для анализа почв на селен.
Для экспериментов была отобрана почва на приусадебном участке в Московской области и селен. Они были измельчены в планетарной мельнице и смешаны в разных соотношениях, а затем спрессованы в таблетки.
Анализ почвы проводился на установке СЛИП с импульсным 1064 нм ИАГ-лазером (рис. 1). Лазерное излучение фокусируется на поверхности образца, индуцируя лазерную плазму, излучение которой направляется на спектрометр. Плот-
ность энергии излучения на поверхности образца определена как 20 Дж/см2. Зарегистрированные спектры плазмы для селена и образцов почвы характеризуются хорошим отношением линий свечения плазмы к фону. Всего для образцов каждой концентрации было проанализировано 60 точек по 5 выстрелов в каждую.
Измерения проводились для диапазона 200-210 нм. В качестве аналитического сигнала была выбрана эмиссионная линия селена Se I 203,98 нм. По данным были построены гардуировочные графики, из которых рассчитывался пердел обнаружения метода.
В результате экспериментов были получены спектры образцов почвы с разной концентрацией селена (рис. а), где линия Бе I 203,98 нм была самая яркая и обособленная. Через определение интенсивности линий селена получили градуировочный график для образцов почвы (рис. б), по которому был рассчитан предел обнаружения, составивший 300 мг/кг.
Рис. Спектры лазерной плазмы (а) и градуировочный график (б) почвы, содержащей селен
В работе показано, что спектроскопия лазерно-индуцированной плазмы позволяет быстро проводить испытания почв на селен в больших количествах. Это говорит о перспективах совершенствования метода, несмотря на отсутствие информации в
литературе. Традиционные лабораторные методы все еще значительно лучше в точности определения низких концентраций селена, но не обеспечивают экспресс-измерений для работы в поле.
Библиографический список
1. Khurana A., Tekula S., Saifi M.A., Venkatesh P., Godugu C. Therapeutic applications of selenium nanoparticles // Biomed. Pharmacother. - 2019. - Vol. 111. - P. 802-812. -DOI: 10.1016/j.biopha.2018.12.146.
2. Bisht N., Phalswal P., Khanna P.K. Selenium nanoparticles: a review on synthesis and biomedical applications // Mater. Adv. - 2022. - Vol. 3, Iss. 3. - P. 1415-1431. -DOI: 10.1039/D1MA00639H.
3. Kubota Joe, Allaway W.H., LaVere D., Carter E.E. Gary, Lazar V.A. Selenium in crops in the United States in relation to selenium-responsive diseases of animals // J. Agric. Food Chem. - 1967. - Vol. 15, Iss. 3. - P. 448-453. - DOI: 10.1021/jf60151a006.
4. Carter M.R., Gregorich E.G. Soil sampling and methods of analysis, 2nd ed. [Pinawa, Manitoba]: Boca Raton, FL: Canadian Society of Soil Science; CRC Press, 2008.
5. Perkins W.T. Extreme selenium and tellurium contamination in soils - An eighty year-old industrial legacy surrounding a Ni refinery in the Swansea Valley», Sci. Total Environ. - 2011. -Vol. 412-413. P. 162-169. - DOI: 10.1016/j.scitotenv.2011.09.056.
6. Favorito J.E., Grossl P.R., Davis T.Z., Eick M.J., Hankes N. Soil-plant-animal relationships and geochemistry of selenium in the Western Phosphate Resource Area (United States): A review // Chemosphere. - 2021. - Vol. 266. - P. 128959. - DOI: 10.1016/j.chemosphere.2020.128959.
7. Feinberg A., Stenke A., Peter T., Hinckley E.-L.S., Driscoll C.T., Winkel L.H.E. Reductions in the deposition of sulfur and selenium to agricultural soils pose risk of future nutrient deficiencies // Commun. Earth Environ. - 2021. - Vol. 2, Iss. 1. - P. 101. - DOI: 10.1038/s43247-021-00172-0.
8. Antanaitis A., Lubyte J., Antanaitis S., Staugaitis G., Viskelis P. Selenium concentration dependence on soil properties // J. Food Agric. Environ. - 2008. - Vol. 6.
9. Dijair T.S.B., Silva F.M., Teixeira A.F.D.S., Silva S.H.G., Guilherme L.R.G., Curi N. Correcting field determination of elemental contents in soils via portable X-ray fluorescence spectrometry // Ciena E Agrotecnologia. - 2020. - Vol. 44. - P. e002420. - DOI: 10.1590/14137054202044002420.
10. Jantzi S.C., Almirall J.R. Characterization and forensic analysis of soil samples using laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) // Anal. Bioanal. Chem. - 2011. Vol. 400, Iss. 10. -P. 3341-3351. DOI: 10.1007/s00216-011-4869-7.
11. Villas-Boas P.R., Franco M.A., Martin-Neto L., Gollany H.T., Milori D.M.B.P. Applications of laser-induced breakdown spectroscopy for soil analysis, part I: Review of fundamentals and chemical and physical properties // Eur. J. Soil Sci. - 2020. - Т. 71, Вып. 5. - С. 789-804. -DOI: 10.1111/ejss.12888.
12. Koskelo A., Cremers D.A. «RCRA materials analysis by laser-induced breakdown spectroscopy: Detection limits in soils», LA-UR--94-1544, 10181364, сен. 1994. DOI: 10.2172/10181364.
SELENIUM ANALYSIS IN SOIL BY LASER-INDUCED BREAKDOWN
SPECTROSCOPY
A.V. Rogachevskaya, Postgraduate Student, Junior Researcher Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences (Russia, Moscow)
Abstract. The prospects of laser-induced breakdown spectroscopy are demonstrated for selenium in soil. Selenium in soil is important for human and animal health, so it is necessary to control its concentration. Laser-induced breakdown spectroscopy shows a good sensitivity to most chemical elements and provides fast and remote measurements. The author acquired laser plasma spectra for soil with selenium and calculated the limit of detection.
Keywords: laser-induced breakdown spectroscopy, selenium, soil, elemental analysis, express soil analysis.
