В настоящем обзоре приведена информация о вариантах подготовки растительных материалов к рентгенофлуоресцентному анализу (РФА), способах учета матричных эффектов, их достоинствах и недостатках при многоэлементном анализе растений, обеспечении стандартными образцами адекватного состава этапов градуировки и метрологического контроля. Дается перечень геохимических, биохимических и экологических задач, решенных по данным РФА метода.
Ключевые слова: рентгенофлуоресцентный анализ, исследование образцов растений.
This review provides information on the options for preparing plant materials for X-ray fluorescence analysis (XFA), methods for taking into account matrix effects, their advantages and disadvantages in multi-element analysis of plants, providing standard samples with an adequate composition of the stages of calibration and metrological control. The list of geochemical, biochemical and environmental problems solved according to the RFA method is given.
Key words: X-ray fluorescence analysis, study of plant samples.
Применение рентгенофлуоресцентного анализа в биологии
Представлены результаты оценки взаимных влияний элементов при РФА материалов растительного происхождения, в т. ч. трав, пряностей, яблочных листьев, листьев берёзы и томата, чая, пшеничной, ржаной, рисовой, овсяной, льняной муки, фасоли, молотого и растворимого кофе. Рассмотрены примеры применения РФА при различного рода криминалистических исследованиях: отравления, фальсификации лекарств и торговых марок пищевых продуктов.
В XXI веке в результате динамичного развития биологической науки радикально изменились как сама биология, так и её место, роль в системе наук, отношение биологической науки и практики. Биология постепенно становится лидером естествознания. Рентгеновская флуоресценция широко используется для определения содержаний элементов в биологических исследованиях [1]. Изучение растительного мира как составной части биосферы закономерно привлекает внимание исследователей. В основной массе живое вещество представлено именно растительными видами (10 20– 10 21 г [2] составляют 99 %массы живого вещества [3]). Растения выполняют первичную функцию пищевой цепи «растения — животные — человек» и являются неотъемлемой составляющей геохимических процессов. Изучение биологического круговорота химических элементов и их миграции в растительные организмы позволяет проследить эволюцию этих процессов и их взаимосвязь с изменениями в окружающей среде. Химический состав растений, косвенно отражает элементный состав среды произрастания, а также является показателем видовых и индивидуальных особенностей растения. Растительные материалы, наряду с минеральными природными средами, становятся приоритетными объектами рентгеноспектрального анализа (РСА).
Подготовка растений к РФА, метрологические характеристики методик
Растения — это многокомпонентные, гетерофазные системы [4], которым присуще природное неравномерное распределение элементов между отдельными частями, обусловленное механизмами их накопления. Достичь однородности порошков таких систем крайне сложно. Поэтому для растительных материалов обостряется проблема получения представительной навески. Лишь в единичных работах авторами оценивается влияние на точность результатов анализа непосредственно качества пробоотбора. Например, при рентгенофлуоресцентном определении Zn, Fe, Mn в листьях березы величины стандартных отклонений, характеризующих погрешности пробоотбора с одной березы, составили 10;17 и 9 %; с разных деревьев их величины были значительно выше — 39,43 28 %, соответственно [5].
Подготовка растений к РФА
Таблица 1
|
Вид растительного материала |
Принцип обработки мате-риала |
Аналитическая навеска, г |
Краткая процедура пробоподготовки |
Определяе-мые элементы |
Ва-риант РФА |
|
Мхи, лишайники, |
Без разру-шения образца |
1,0 |
Промывка водой, сушка при 100 0 С, измельчание до размера 0,5мм, насыпка в кюветку с уплотнением |
As |
ВД РФА |
|
СО капусты, листьев чая, кустарника, лишайники |
Без разру-шения образца |
10,0; 1,0–5,0; 4,0; 0,5–0,9 г/см 2 |
Сушка, измельчение и прессование в виде толстого излучателя |
От Si до Pd; от Na до Zn; Sr, Rb, Zn, Mn, Fe, Ba; Mn, P, S, СI, K, Са, |
ВД РФА |
|
Хвоя сосны |
Без разру-шения образца |
0,316–0,769 г/см 2 |
Сушка, измельчание и прессование в виде толстого излучения |
От Na до As от AI до Pb |
ЭД РФА |
|
Редис и листья орхидеи |
Без разру-шения образца |
100 мг/см 2 0,25–0,35 |
Прессование излучателя в связке с борной кислотой (1:4) (тонкий слой); прессование в таблетку без добавления связки |
K, Ca, Ti, Mn, Fe, Cu, Zn, Br, Sr; Pb и Zr от Ti до U |
ЭД РФА |
|
Хвоя сонны, лишайники |
Без разру-шения образца |
0,5 |
Порошок наносили на клейкую ленту, прикрепленную к алюминиевому кольцу, избыток удаляла поворотом носителя и встряхиванием |
P, S, K, Ca, Mn, Br |
ЭД РФА СИ РФА |
В большинстве публикаций, касающихся РФА растений, значения погрешностй приготовления излучателей не приводятся. Только в отдельных работах авторы оценивают влияние на метрологические характеристики стабильности условий получения аналитического сигнала [6]. В величине погрешности приготовления излучателей при недеструктивном рентгенофлуоресцентном определении мышьяка в растениях оказалась незначимой на фоне погрешности воспроизводимости измерения аналитического сигнала, равной 0,15. Погрешности воспроизводимости способа рентгенофлуоросцентного определения содержания Na, Mg, AI, Si, P, K, Ca, S и CI в растительных материалах с использованием уравнений связи составили 0,014–0,061 [6]. В [7] приводятся коэффициенты вариации, характеризующие статистику счета, при прямом рентгенофлуоесцентном определении Mg, AI, Si, P, K, Ca, S и CI в вереске, клевере, зерне, соломе, листьях дуба, капусты и др. Их значение около 0,01 для всех определяемых элементов, за исключением Mg и AI.
Заключение
В настоящее время рентгенофлуоресцентный анализ широко используется для определения содержаний элементов в различных материалах при биологических исследованиях. В обзоре рассмотрены достижения, связанные с особенностями метода РФА. Рентгенофлуоресцентный анализ в большинстве случаев является недеструктивным методом, который доказал свой потенциал для измерения концентраций элементов с высоким атомным номером Z в органах и тканях в естественных условиях (invivo). В последние годы сконструирован ряд новых моделей спектрометров РФА, в которых используются поликапиллярные линзы и полулинзы в качестве коллимирующих систем. Это очень важно в случае применения invivo рентгенофлуоресцентного определения некоторых элементов в растениях. Динамичное развитие характерно для детекторов с термоэлектрическим охлаждением. В обзоре представлены примеры участия учёных рентгенофизиков из России в решении рассматриваемых задач.
Литература:
- Ревенко А. Г. Рентгенофлуоресцентный анализ биологических материалов // Вестн. института биологии Коми НЦ УрО РАН. 2000. Т. 28, № 2. С. 14–16.
- Вернадский В. И. Живое вещество и биосфера. М.:Наука,1994. 669с.
- Добровольский В. В. Основы биогеохимии. М.: Высшая школа,1998. 412с.
- Кузьмин Н. М. Пробоподготовка при анализе объектов окружающей среде // Журн. Аналит. Химии. 1996. Т.51, № 2. С.202–210.
- Карпукова О. М. Оценка погрешности отбора проб растительных материалов при экологическом контроле / О. М. Карпукова, Т. В. Яскина, А.В. / Тез. Докл. IV Всерос. Конф. «Экоаналитика 2000». Краснодар, 2000. С. 186–187.
- Ондар У. В. Разработка методического обеспечения на базе рентгенофлуоресцентного анализа для комплексного изучения загрязнения мышьяком объектов окружающей среды. Дис. Канд. Хим. Наук. Иркутск: ИГУ, 2001, 170с.
- Карпукова О. М. Рентгенофлуоресцентное определение макрокомпонентов в растительных материалах / О. М. Карпукова, Л. Н. Шматова и Е. Н. Илларианова // Журн. Аналит. Химии. 1982. Т.37, В.11. С. 1938–1943.
