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土壤营养元素含量分析
2021-05-24 20:35:52   





背景

       植物生长需要十七种元素,分别是碳、氢、氧、氮、磷、钾、钙、镁、硫、铜、铁、锰、锌、钼、硼、氯、硅。其中碳、氢、氧来自空气和水,其余来自土壤,因此对土壤中主量和微量营养元素含量的分析尤为重要。通常采用多种分析方法进行土壤中主量元素和微量元素含量分析,包括采用燃烧碘量法分析硫含量,原子吸收分光广度法分析钾、钙、镁、铜、铁、锰、锌等金属元素,凯氏定氮仪分析土壤中氮元素含量,还有等离子发射光谱法等。这些方法需要把土壤样品消解成溶液,样品处理复杂,仪器操作繁琐,效率低下。
 
        高灵敏度X射线荧光光谱仪MERAK-CEMII能够完成土壤样品中钠、镁、铝、硅、磷、硫、氯、钾、钙、锰、铁、锌等主量元素和微量元素含量分析,具有样品处理简单、分析速度快、精度高,成本低等特点,是土壤中营养元素检测的利器。


样品处理(压片法)

       植物生长需要十七种元素,分别是碳、氢、氧、氮、磷、钾、钙、镁、硫、铜、铁、锰、锌、钼、硼、氯、硅。其中碳、氢、氧来自空气和水,其余来自土壤,因此对土壤中主量和微量营养元素含量的分析尤为重要。通常采用多种分析方法进行土壤中主量元素和微量元素含量分析,包括采用燃烧碘量法分析硫含量,原子吸收分光广度法分析钾、钙、镁、铜、铁、锰、锌等金属元素,凯氏定氮仪分析土壤中氮元素含量,还有等离子发射光谱法等。这些方法需要把土壤样品消解成溶液,样品处理复杂,仪器操作繁琐,效率低下。
 


技术原理



1)
高灵敏度X射线荧光光谱仪原理(HS XRF®

        高灵敏度X射线荧光光谱仪MERAK-CEMII将全聚焦型双曲面弯晶单色化技术与二次靶完美结合,全聚焦型双曲面弯晶将X射线光管出射谱中靶材特征射线单色化衍射并聚焦到样品一点,大幅降低X射线管出射谱中连续散射线背景对样品元素谱的干扰,提升元素检测信噪比,弥补了传统能量色散X射线荧光光谱仪对轻元素灵敏度不足,高灵敏度X射线荧光光谱仪从而实现对微量和痕量元素的检测分析。


(发明专利:201510970857.0)


2)快速基本参数法(Fast FP2.0)

        基本参数法(FP)是XRF定量分析的一项前沿技术,其通过对X射线荧光物理学明确的物理现象建立基本参数库和系列数学模型,经过大量计算直接得到样品中各元素的含量,解决了XRF基体效应、元素间吸收增强效应、谱线重叠干扰、探测器各种效应等对定量分析的复杂性和不确定性,实现欠缺标准样品情况下的样品元素定量分析。北京安科慧生研发的快速基本参数法(Fast FP2.0)不仅采用基本参数库,同时建立系列的数学模型,从而使得基本参数法提升到定量分析水平,在样品适应性、定量精度、扩展性等方面处于国际领先地位。



性能数据

 线性

        快速基本参数法(Fast FP 2.0)通过对全谱拟合和大量计算得到各元素含量值,通过对土壤标准样品的FP计算值与标准含量值之间建立校正曲线,修正计算和系统偏差,达到精确定量目的。下述各目标元素(或氧化物)线性相关性图表,Fast FP2.0计算值与土壤标准样品标准值线性相关系数R²在0.95~0.999之间,表明计算值与标准值线性相关性良好,少量样品校正即可达到精确定量目的。




 重复性

MERAK-CEMII测试土壤标准样品GBW(E)070011的重复性结果如下表所示:


元素
 
Al2O3(%) Na2O
(%)
MgO
(%)
CaO(%) Fe2O3(%) P(mg/kg) S
(ppm)
Ti(%) V(ppm) Cr(ppm) Mn(ppm) Ni(ppm)

GBW(E)070011
标准值

 
16.30 0.44 2.02 2.92 8.27 636 / 0.414 138 101 0.164 45.9
1 16.97 0.472 1.983 2.927 8.145 610.1 171.5 0.443 123.1 107.7 0.164 42.56
2 16.98 0.497 1.987 2.932 8.112 606.3 176.6 0.449 146.4 106.2 0.164 43.47
3 16.98 0.474 1.992 2.924 8.125 605.5 174.9 0.441 124.0 108.4 0.164 43.10
4 16.97 0.495 1.986 2.915 8.123 601.4 178.6 0.444 133.0 112.3 0.164 42.80
5 16.97 0.482 1.999 2.929 8.120 599.3 172.7 0.444 129.0 104.2 0.165 42.40
6 16.98 0.470 1.983 2.922 8.119 609.6 173.6 0.447 127.4 107.4 0.164 43.88
7 16.97 0.489 1.986 2.933 8.120 601.6 179.8 0.440 128.9 102.1 0.164 44.02
8 16.97 0.477 1.986 2.928 8.120 601.8 174.7 0.439 122.0 103.4 0.164 41.52
9 16.98 0.492 1.996 2.927 8.108 602.9 174.9 0.442 124.2 101.9 0.164 38.66
10 16.99 0.461 1.987 2.925 8.122 604.5 181.3 0.449 132.9 104.5 0.165 42.54
11 16.98 0.471 1.977 2.916 8.123 611.8 178.4 0.440 128.9 104.9 0.164 41.01
12 16.98 0.494 1.986 2.910 8.112 607.8 178.1 0.442 144.2 105.6 0.164 42.61
13 16.99 0.480 1.977 2.911 8.118 609.5 182.9 0.442 129.3 108.7 0.164 42.18
14 16.99 0.487 2.006 2.916 8.108 617.9 180.4 0.441 123.3 105.8 0.164 41.15
SD 0.008 0.011 0.008 0.0076 0.0092 5.0626 3.43 0.003 7.463 2.818 0.0004 1.3811
Avg 16.98 0.48 1.99 2.92 8.12 606.43 177.0 0.44 129.76 105.94 0.16 42.28
RSD 0.045% 2.31% 0.40% 0.26% 0.11% 0.83% 1.94% 0.73% 5.75% 2.66% 0.22% 3.27%

































表1:土壤标准样品重复性测试数据
高灵敏度X射线荧光谱仪MERAK-CEMII具有高精密度,对于百分含量范围的氧化物含量RSD<1%,对于ppm级别的微量金属元素 RSD<5%

 准确性

元素 Al2O3
(%)
SiO2
(%)
Na2O
(%)
MgO
(%)
CaO
(%)
Fe2O3
(%)
P(%) Ti(%) Cr
(ppm)
Mn(%) Ni
(ppm)
S(%) Cl(%)
GBW(E)070005 13.93 61.34 1.51 1.88 2.99 6.36 0.070 0.455 89.90 0.118 60.80 / /
测试值 13.74 62.90 1.36 1.87 2.86 6.17 0.067 0.440 86.06 0.113 75.72 / /
GBW(E)070007 14.00 63.00 2.39 1.46 4.82 4.64 0.062 0.350 35.00 0.072 18.60 / /
测试值 13.62 62.23 2.21 1.44 4.72 4.44 0.062 0.352 45.11 0.071 20.43 / /
GBW(E)070008 14.32 60.57 1.48 2.32 3.58 6.95 0.047 0.412 84.30 0.210 333.0 / /
测试值 14.25 61.34 1.41 2.11 3.27 6.47 0.045 0.403 79.00 0.187 312.9 / /
GBW(E)070010 14.86 59.51 1.19 1.87 3.12 6.99 0.061 0.453 87.00 0.107 55.20 / /
测试值 15.14 60.25 1.02 1.87 3.16 6.87 0.057 0.460 84.77 0.106 47.30 / /
GSS-5 21.58 52.57 0.12 0.61 0.10 12.62 0.039 0.629 118.0 0.136 40.00 0.041 0.010
测试值 21.84 51.52 0.19 0.65 0.16 12.01 0.039 0.618 130.7 0.138 35.83 0.034 0.097
GSS-13 11.76 64.88 1.86 2.05 5.00 4.11 0.083 0.382 65.00 0.058 28.50 0.016 0.008
测试值 11.69 65.11 1.79 2.08 5.22 4.42 0.085 0.386 74.91 0.060 30.24 0.024 0.016
GSS-18 10.56 60.40 3.05 2.58 6.80 3.63 0.587 0.320 55.00 0.053 25.00 0.700 0.780
测试值 10.54 61.33 3.27 2.65 6.89 4.05 0.061 0.343 62.03 0.054 25.61 0.699 0.780

























表2:国家土壤标准样品准确性比较表

样品编号 20N3100003 20N3100006 20N3100015 20N3100016 20N2620009 20N2620023 20N2620031 20N2620038 20N2620040 20N2620042 20N2620047
燃烧法测试值 0.264% 0.883% 0.250% 0.660% 0.169% 0.161% 0.128% 0.119% 0.112% 0.184% 0.129%
HS XRF测试值 0.271% 0.923% 0.267% 0.653% 0.174% 0.161% 0.124% 0.110% 0.117% 0.186% 0.130%
相对偏差 1.308% 2.215% 3.288% -0.53% 1.458% 0 -1.59% -3.93% 2.183% 0.541% 0.386%
表3:实际土壤样品硫含量燃烧法与HS XRF对比表
MERAK-CEMII对土壤标准样品进行分析,分析结果在误差范围内,具有很好的准确性。对于S的测定,完全可以代替操作复杂的燃烧碘量法,大大的节省人力。

 
仪器特点


    开机1小时,即可得到稳定分析数据,连续测试、日间测试、长期测试均具有优良的重复性;
 

    基于基本参数法的软件谱图分析计算,消除样品基体差异、谱线干扰带来的分析误差,仅需少数标准(定值)样品,即可得到准确定量结果;

  
  无需消耗气体、液氮制冷、真空等,长期运行低故障率;


    最快60秒即可完成一个土壤样品营养元素含量分析;


    可扩展分析各类样品中Na-Zn元素含量。