Сравнительный анализ элементного состава зерен импортируемых и местных сортов пшеницы с применением инструментального нейтронного активационного анализа

Известно, что в растениях, в том числе их зернах, обнаруживается более 70 химических элементов. На долю С, О, Н и N приходится около 95 % сухого вещества растений и они называются органогенными. Эти элементы вместе с P, K, Ca, Mg, S, Fe,B, Cu, Mn, Zn, Mo, V, Co, I считаются, «безусловно» необходимыми, а около десяти элементов (Al, Si, F, Li, Ag и некоторые другие) считаются условно необходимыми для растений. Ядерно-физические методы анализа позволяют находить содержания значительной части этих элементов.

Главное преимущество метода инструментального нейтронного активационного анализа (ИНAA) при изучении биологических материалов состоит в том, что на матричных элементах C, H, N, 0 образуется очень незначительная активность радионуклидов, излучающих -лучи, которые не мешают проведению анализа. Дело в том, что реакция захвата тепловых нейтронов на мало распространенных изотопах углерода и водорода -13C(n,γ)14C и 2H(n,γ)3H — образует радионуклиды с очень маленькой активностью и не излучающие гамма — кванты. А на некоторых других изотопах по реакциям 18O(n,γ)190 и 15N(n,γ)16N образуются очень короткоживущие радионуклиды — 190 (27 с) и 16N (7,1 с). Все эти реакции имеют чрезвычайно низкие поперечные сечения захвата тепловых нейтронов и поэтому их радиоактивные продукты совершенно не влияют на определение следовых количеств элементов. Поэтому ядерно-физические методы получили широкое применение при исследованиях биомедицинских проблем [1–3]. В институте ядерной физики этот метод широко практиковался для решения многочисленных проблем медицины, биологии и сельского хозяйства [2–6].

Цель данной работы заключается в сравнительном анализе минерального состава зерен одного сорта местной «богарной» и импортируемой из соседнего государства пшеницы по отношению мягкой и твердой пшеницы РФ. Работа выполнена с применением методики ИНАА, разработанной в лаборатории активационного анализа ИЯФ АН РУЗ.

Образцы массой 50 мг упаковывали в маркированные полиэтиленовые пакеты. Подготовленные образцы подвергали ИНАА, и содержание элементов определяли с применением ранее нами опубликованной методики [3,4]. В качестве источника нейтронов с потоком 6∙1013см-2с-1 использовали ядерный реактор ВВР-СМ ИЯФ АН РУз. Временные режимы облучения (tобл) и “остывания” (tохл), выбранные в зависимости от периодов полураспада (Т1/2) используемых радионуклидов, были следующими: а) Для короткоживущих (Т1/20<10 мин) — tобл=15 с, tохл=10 мин; б) Для среднеживущих (10 мин<T1/2<1 сутки) — tобл =15 ч, tохл = 10 суток; в) Для долгоживущих (1 сутки<T1/2<1 год — tохл)= 30 дней. Для измерения наведенной активности образцов использовали гамма-спектрометр фирмы CANBERRA, оснащенный германиевым детектором с чувствительным объемом V=120 см3 и энергетическим разрешением 1,8 кэВ по гамме — линии 60Co 1330 кэВ.

По этой методике погрешность измерения основных элементов не превышает 20 %. Пределы определения большинства элементов намного ниже измеренных содержаний. Нами в образцах найдено содержание 27 химических элементов. В таблице приведены результаты проведенных анализов.

Результаты анализа и сравнение их с литературными данными (RUS). (Здесь: мс- мягкий сорт; тс — твердый сорт).

Таблица

Сравнительный анализ данных позволяет сделать следующие выводы:

1.      Метод ИНАА дополнительно обеспечивает данные по 13 химическим элементам — Ag, Au, Br, Ba, Cr, Sc, Sb, Rb, La, Cs, Hg, Hf, Th, о биологической роли которых литературных данных не достаточно.
2.      В перечне сертифицируемых элементов имеются Zr, Ti, Sn, Al, B, V, I, S, которые применяемым нами вариантом ИНАА впрямую не определяются. Для исследуемого объекта необходимо использовать другие варианты ядерно-физических методов.
3.      Составы местной и импортируемой пшеницы по химическим элементам Ca, Ag, Fe, Mg, Mn, Mo, Na, Rb, Cl, Cs, Cu, La, Hg в пределах 20 % погрешности практически совпадают между собой.
4.      Заметная разница (более 20 %) в концентрациях обнаружена для таких элементов, как Au, Br, Ba, Co, K, Sb, Sc, Zn, Ni.
5.      Результаты по таким элементам, как Ba, Br, Hf, Sr отличаются значительно. Например, хотя результаты по местному и импортируемому сортам пшеницы по Sr находятся в пределах погрешности анализа, но от данных по сравниваемым сортам пшеницы они отличаются более, чем на 80 %.

Нами разработан методика ИНАА для определения содержания азота, а через него и белка, в сельскохозяйственных культурах (в том числе в пшенице). Для этого применяется другой вариант метода, основанный на использовании ядерной установки — нейтронного генератора НГ-150 [5–7]. Испытание методики осуществлен путём сравнения результатов химического метода Кьельдаля (КХМ), принятого во всем мире в качестве стандартного, с данными ААБН. Были проанализированы три местных сорта пшеницы, в том числе того сорта, по которому данные по химическим элементам представляются выше.

Таблица 2

Результаты химического метода

Результаты, полученные двумя методами, совпадают между собой с погрешностью не более 5 %. Причём ААБН обеспечивает лучшую сходимость с требованиями сертификации (ГОСТ 10846–91).

Методика позволяет определять содержание азота прямо, без дополнительных корректировок на влажность, засоренность. По найденным содержаниям азота с применением стандартных переходных коэффициентов определяется содержание белка. Диапазон измерения содержания азота от 8 до 18 % прямолинеен и пропорционален реальным значениям белка в зерне. Погрешность определения содержания азота методом ААБН не превышает погрешности общепринятого в мировой практике химического метода Кьельдаля. Методика использована для определения белка в некоторых сортахзерновых и зернобобовых культур

1.      Франтасьева М. В. Нейтронный активационный анализ в науках о жизни. —Физика элементарных частиц и атомного ядра, 2011, т.42, вып.2, с.638— 720
2.      Kist A. A.. Use of nuclear physics methods in life sciences in the USSR. — Biological Trace Element Research, 1990, V 26–27, N 1, P. 661— 670
3.      Данилова Е. А., Кист А. А., Осинская Н. С., Хусниддинова С. Х. Применение нейтронно-активационного анализа для оценки элементного статуса организма человека — Мед. физика, 2008, № 3, с.73–77
4.      Мухаммедов С., Данилова Е. А., Осинская Н. С., Хушвактов Ж., Акрамов Ф., Сулейманова Д. Н., Кулиев О. Нейтронноактивационный анализ волос детей, больных анемией. Атомная энергия т.111, вып.3, с.171–174
5.      Мухаммедов С., Хайдаров А., Барсукова Е.Г Определение белка в зернопродуктах методом активационного анализа с применением нейтронного генератора. — Атомная энергия, 2009, т. 106, вып 3, с.169–173
6.      Мухаммедов, Ж. Хушвактов, Е. Г. Барсукова, А. Хайдаров, Ф. Акрамов. Методика активационного анализа на быстрых нейтронах для одновременного определения содержания азота и фосфора в биологических материалах. — Атомная энергия, 2011, т.111, вып. 8, с.114 —116
7.      Mukhammedov, A.Khaydarov, N. S. Osinskaya, E. G. Barsukova. Fast Neutron Activation Analysis of Protein in Wheat. —Uzbek J. Phys., 2009, vol 11 n 1, P.79–83