Применение спектрографического метода к анализу почв и растений
Методы эмиссионного спектрального анализа можно свести в несколько групп, отличающихся общностью выполнения.
Общее содержание микроэлементов в почвах и растениях определяют следующими способами.
1. Анализируют почвы без всякой предварительной химической подготовки и без введения элементов сравнения.
Аналитические графики строятся в координатах (S, lg С) или (ΔS, lg С), где ΔS = Sл+ф - Sф.
2. Анализируют почвы без предварительной химической подготовки, без введения элемента сравнения, но с введением спектрального буфера. Аналитические графики строят в тех же координатах, что и в предыдущем случае.
3. Анализируют почвы без предварительной химической подготовки, но с введением элемента сравнения (одного или нескольких). При этом может быть введен и спектральный буфер.
Анализ выполняют по постоянному, контролируемому графику, построенному в координатах (lg I1/I2, lgC) или по методу трех эталонов и графику
в координатах (ΔS, lg С), где ΔS = Sоп — Sср.
4. Анализируют почвы после предварительной химической подготовки (разложение почвы, удаление некоторых групп макроэлементов и др.). Одновременно может быть введен элемент сравнения и спектральный буфер. Графики строят в координатах (lg I1/I2, lg С) или (ΔS, lgC).
5. Определение общего содержания микроэлементов в почвах, почвенных вытяжках и естественных водах производят после их предварительного концентрирования. Концентрат смешивают со спектральной основой, содержащей элемент сравнения и служащей спектральным буфером. Аналитические графики строят в координатах (lg I1/I2, lg С) или (ΔS, lg С).
6. Проводят озоление растений, вводят в золу спектральный буфер и элемент сравнения. Графики строят в координатах (lg I1/I2, lgC) или (ΔS, lgC).
Выше было указано, что изготовление стандартов при анализе почв и растений представляет собой очень трудную задачу. При анализе растений на содержание в них микроэлементов применяют стандарты, состав которых отражает видовой состав растений или их групп.
Ниже приводятся описания некоторых частных методик, относящихся к той или иной из перечисленных схем анализа почв и растений. Мы рассмотрим лишь небольшую часть опубликованных по этому вопросу работ.
В работах часто отсутствует достаточно строгая метрологическая оценка применяемого метода. В ряде случаев имеется лишь ссылка на то, что данные спектрального метода удовлетворительно совпадают с результатами колориметрического метода или что данные анализа удовлетворяли задачам почвенно-агрохимических исследований. Подобное положение затрудняет оценку применяемых методов и их сопоставление между собой в целях выбора наиболее оптимального для данной задачи метода.
А.А. Кветкина и З.И. Шлавицкая предложили количественный спектральный метод определения валового содержания ряда микроэлементов в почвах и растениях. Метод рассчитан на анализ засоленных и карбонатных почв, учтен также зольный состав анализируемых растений.
Эталоны для анализа почв готовились на следующей основе: SiO2 -63%, CaCO3 - 5,5%, Na2CO3 - 3%, K2SO4 - 5,5%, KCl - 1,0%, MgO -2%, Fe2O3 - 5%, Al2O3 - 15%.
Эталоны для анализа золы растений имели следующий состав: SiO2 - 20%, K2SO4 - 20%, KCl - 15%, Na2CO3 - 15%, CaHPO4 - 10%, K2HPO4 -15%, MgO - 5%. Определяемые микроэлементы вводились в основу в виде растворов чистых солей. Смесь выпаривалась и прокаливалась при 450—500° С. По-видимому, после прокаливания эталоны в основном состояли из окислов элементов.
К анализируемым почвам, золам растений и эталонам добавляли буфер — сульфат натрия в количестве 20% от веса пробы. Вместе с сульфатом натрия вводили Pd, Ge и Tl соответственно в количестве 0,1; 0,5 и 1% от веса сульфата натрия. Эти элементы служат элементами сравнения при анализе почв и растений. Анализируемые пробы и эталоны сжигали в кратере угольного электрода диаметром 4,5 мм и глубиной 6 мм в дуге переменного тока при его силе 15—17 а до полного испарения пробы. Аналитические пары линий, используемые в данной работе, приведены в табл. 4.
Определение Zn, Mo и Co рассмотренным методом можно выполнять при повышенных содержаниях их в почвах.
М.А. Риш и Я.М. Приев предложили метод определения ряда микроэлементов в растениях без предварительного их озоления. Навеску в 400 мг воздушно-сухого измельченного растения набивают в папиросную гильзу и пропитывают раствором сернокислого аммония. После просушивания гильза сверху вводится в горизонтальную дугу между угольными электродами при токе 18 а, продолжительность введения пробы — 2 мин. 15 сек., дуговой промежуток — 6 мм. Интенсивность линии измеряется по отношению к фону.
Анализ выполняют по методу трех эталонов, градуировочный график строят в координатах (ΔS, lg С).
Точность метода зависит от правильного приготовления эталонов, материалом которых могут служить соответствующие растения с известной концентрацией определяемых элементов или искусственные эталоны, приготовляемые из беззольных фильтров с втиранием в них минеральной основы, отражающей зольный состав некоторых групп растений. Авторы предлагают четыре типа минеральных основ эталонов (табл. 5).
Т.Ф. Боровик-Романова и др. разработали методы определения ряда микроэлементов в растениях. Большое внимание в этих работах уделено изучению влияния, состава пробы на результаты анализа. Эталоны готовились на основе искусственных смесей, соответствующих по своему составу разнотравью, злакам и полыням (табл. 6).
Установлено, что изменение состава эталонов вызывает сдвиг градуировочных графиков для определения Mo, Cu, Co и Pb. Применив буфер, состоящий из смеси угольного порошка и LiF (3 : 1), авторы значительно ослабили влияние состава пробы, и практически оказалось возможным выполнять анализы растений на указанные элементы по одному виду эталонов. Градуировочные графики строили в координатах (ΔS, lg С), где ΔS = Sл+ф - Sф.
Приведем примеры применения спектрохимических методов, представляющих собой сочетание химической подготовки анализируемых проб и количественного определения элементов спектральными методами. При определении микроэлементов задача химической подготовки состоит в удалении основных составляющих пробы, концентрировании определяемых элементов и приведении пробы к более однородному химическому составу. Подготовка пробы представляет собой трудоемкую химическую процедуру, но она полностью оправдывает себя при групповом концентрировании микроэлементов и групповом их спектральном определении.
В указанных работах изложено также определение микроэлементов в почвах. Эталонами служили искусственные смеси, отражающие «средний» состав некоторых типов почв. В эталоны и пробы вводился спектральный буфер, который ослаблял или практически устранял влияние состава проб на результаты анализа. График строился в координатах (ΔS, lg С), где ΔS = Sл+ф - Sф.
P.Л. Митчелл предложил следующий спектрохимический метод. При анализе растений 20—40 г сухого вещества растений озоляют в течение ночи при 450°, золу обрабатывают соляной кислотой, осадок отфильтровывают, прокаливают, сплавляют с 1 г Na2CO3, растворяют в соляной кислоте и отфильтровывают для удаления возможных остатков кремния.
При анализе объектов животного происхождения пробы озоляли тем же способом — после сушки вымораживанием. Для большинства определений требуется около 1 г золы. При анализе крови перед осаждением удаляют железо экстракцией эфиром. Анализ таких объектов, как кости и сухое молоко, требует осаждения фосфорнокислого кальция. Рекомендуется работать при сравнительно большом разбавлении как определяемых компонентов, так и используемых реагентов и кислот.
При определении подвижных форм микроэлементов в почвах готовят почвенные вытяжки. Экстрагентами служат 2,5%-ная уксусная кислота, 1 н. — раствор уксуснокислого аммония и разбавленная соляная кислота. Вытяжку из 20—50 г почвы при соотношении почвы и раствора 1 : 25 высушивают досуха, органическое вещество удаляют обработкой HNO3 и осадок растворяют в HCl. Азотнокислые соли удаляют повторным выпариванием, чтобы они не мешали при последующем осаждении.
При анализе воды выпаривают 1—5 л ее до сухого остатка, который затем обрабатывают так же, как и сухой остаток почвенной вытяжки.
Анализируемые растворы должны содержать приблизительно 30 мг Al2O3, 1—4 мг Fe2O3 и 0,4 мг Cd. Алюминий служит носителем осаждаемых микроэлементов, кадмий — внутренним стандартом при определении цинка, железо является внутренним стандартом при определении всех остальных элементов.
Концентрирование микроэлементов достигается их осаждением смесью 8-оксихинолина, танниновой кислоты и тионалида (Р-аминонафталид тиогликолевой кислоты) при pH 5,1—5,2. При этом осаждаются Co, Mo, Sn, Zn, Pb, V, Cr, Ag, Au, Ga, Cu и некоторые другие элементы.
Осаждение производят при комнатной температуре из 150 мл раствора приблизительно 1 н. HCl. После добавления 10—15 мл 5%-ного раствора 8-оксихинолина в 2 н. уксусной кислоте прибавляют по каплям 10 н. раствор аммиака до тех пор, пока цвет раствора не начнет изменяться от желтого до изумрудно-зеленого, pH 1,8—1,9. Изменение цвета раствора, вероятно, обусловлено образованием комплекса железа с 8-оксихинолином при pH 1,8—1,9. Необходимое для осаждения значение pH 5,1—5,2 достигается добавлением 50 мл 2 н. раствора ацетата аммония. Однако на этой стадии подготовки пробы добавляют при перемешивании только 30 мл. Образующийся большой осадок Al и Fe быстро коагулирует. Затем к смеси добавляют при непрерывном перемешивании 2 мл 10 %-ного раствора танниновой кислоты, 2 мл 2 н. раствора уксуснокислого аммония и 2 мл 1 %-ного раствора тионалида в ледяной уксусной кислоте. После этого немедленно добавляют эквивалентное количество аммиака для нейтрализации уксусной кислоты и общее количество уксуснокислого аммония доводят до 50 мл. Танниновая кислота и тионалид должны быть свежеприготовленными.
Количество аммиака, эквивалентное 2 мл ледяной уксусной кислоты, предварительно определяют путем титрования с индикатором бромтимоловым синим. Рекомендуется добавлять аммиак в объеме 20—25 мл.
После отстаивания в течение ночи осадок отфильтровывают через фильтровальную бумагу и озоляют в фарфоровом тигле при 450°. Полученный осадок взвешивают. Если осадок меньше 30 мг, то к нему добавляют Al2O3 до веса 40 мг. Полученная смесь поступает на спектральный анализ. Содержание железа определяют колориметрически с салицилатом натрия в аликвотных частях пробы.
Концентрат весом 3—4 мг, перемешанный с двойным количеством угольного порошка, вводят в кратер угольного электрода диаметром 1 мм и глубиной 8 мм, диаметр самого электрода 2,8 мм. Электроды с пробой, включенные в качестве катода, сжигают в дуге постоянного тока при 9 а и 250 в. Анодом служит угольный стержень диаметром 5 мм. При зажигании дуги сила тока должна быть равна приблизительно 3 а, через 10 сек. электроды медленно разводят до получения промежутка в 10 мм и постепенно увеличивают силу тока до 9 а. Размеры дугового промежутка поддерживают постоянными до полного сгорания пробы, которое наступает приблизительно через 2 мин.
Спектрограммы получают на большом кварцевом спектрографе (типа KCA-1) со сферическим конденсором у щели для проектирования дуги на объектив колиматора. Между линзой и щелью располагают 6-ступенчатый сектор, вращающийся со скоростью 500 об/мин. Диафрагму колиматора устанавливают так, чтобы она пропускала свет от вершины катода и прилегающей к нему одной трети столба дуги.
Существенная особенность описываемого метода состоит в использовании железа в качестве внутреннего стандарта, хотя оно и входит в пробы в переменных концентрациях, поэтому был предложен метод переменного графика (эталона), который заключается в следующем.
По эталонам, содержащим различные концентрации железа, строят серию градуировочных графиков, которые оказываются смещенными параллельно на величину, зависящую от содержания железа. Принимая один из графиков за основной (автор рекомендует полученный при 5% Fe2O3), можно построить график поправок на содержание железа в пробе. Анализ выполняют по основному графику, внося поправку на содержание железа в пробе. Эталоны готовят на основе смеси окислов Al2O3 и Fe2O3.
В табл. 7 приведены аналитические пары линий, применяемые в описанном методе.
Д.Н. Иванов и др. предложили спектрохимический метод определения ряда микроэлементов, применяя для их предварительного концентрирования органические соосадители.
При определении общего содержания Co, Cu, Ni, Pb, Sn, Zn, Mo выполняют предварительное их концентрирование. 1 г тонкорастертой и просеянной через шелковое сито почвы помещают в платиновую чашку и прокаливают в муфеле в течение 4—5 час. при температуре 400—450° С. Прокаленную навеску разлагают смесью H2F2 и H2SO4 обычным способом. После разложения пробы к остатку приливают 20 мл HCl (1 : 3) и нагревают до полного растворения осадка. Раствор фильтруют горячим через беззольный фильтр «белая лента» в стаканы на 250 мл. Фильтр промывают несколько раз подкисленной горячей водой и доводят водой объем до 150 мл. Прибавляют 2,0 мл ацетатного буфера и 2,5 мл 25%-ного раствора цитрата аммония. Добавляя NH4OH, доводят pH исследуемого раствора до значения 6,0—7,0, контролируя потенциометром или индикаторной бумагой. Объем раствора доводят до 200 мл, добавляют 10 мл ацетонового раствора дитизона, тщательно перемешивают и прибавляют при перемешивании 2,5 мл 7%-ного раствора 2,4-динитроанилина в ацетоне. После 30—40-минутного стояния осадок отфильтровывают через фильтр «белая лента». Осадок на фильтре промывают 4—5 раз промывным раствором, подсушивают и переносят в кварцевый тигель. Тигли с осадком подсушивают под лампой, смачивают несколькими каплями разбавленной H2SO4 и озоляют в муфеле при температуре 400—450°.
При работе по этой прописи олово частично захватывается цитратом и соосаждается не полностью. Чтобы количественно определить всю перечисленную выше группу микроэлементов, проводят двойное последовательное соосаждение. Для этой цели pH солянокислого раствора после разложения пробы прибавлением аммиака доводят до значения 2,5, а затем проводят соосаждение способом, описанным выше. Через 30 мин., не отфильтровывая, в тот же стакан добавляют ацетатный буфер, 2,5 мл раствора цитрата аммония и доводят pH до 6—7. Тщательно перемешивают и проводят повторное соосаждение, добавляя 10 мл ацетонового раствора дитизона и 2 5 мл 7%-ного раствора 2,4-динитроанилина в ацетоне. После 30-минутного стояния осадок отфильтровывают и озоляют в муфеле.
После концентрирования меди, кобальта, цинка и отделения осадка фильтрат и промывные воды переносят в стакан и доводят анализируемый раствор водой до 200 мл. К этому объему раствора добавляют 6 мл 6 M HCl, чтобы значение pH раствора было равно — 1. Затем прибавляют 5 мл 2%-ного водного раствора таннина, тщательно перемешивают и добавляют по каплям при перемешивании 10 мл 4%-ного ацетонового раствора «окисленного» красителя Стенгауза.
В течение 30—40 мин. содержимое стакана перемешивают время от времени, а затем фильтруют через фильтр «белая лента» и промывают 3—4 раза промывным раствором. Фильтр с осадком подсушивают на воронке, переносят в фарфоровый тигель, смачивают несколькими каплями разбавленной серной кислоты и озоляют в муфельной печи при температуре 400— 500° С.
В случае большого содержания железа и алюминия в пробе производят двухкратное осаждение молибдена.
Прямое спектрографическое определение микроэлементов в почвенных вытяжках и естественных водах при реально существующих уровнях концентраций определяемых элементов, как правило, практически невозможно. Предварительное индивидуальное концентрирование элементов и последующее определение их спектрографическими методами при массовых анализах нецелесообразно. Однако применение групповой вытяжки для концентрирования и спектрографического определения элементов дает значительный выигрыш в производительности анализов по сравнению с колориметрическими методами.
При определении цинка, меди, кобальта и некоторых других элементов в кислотных почвенных вытяжках (1 н. HCl, 1 н. HNO3 и др.) на каждые 200 мл вытяжки вводят 2—3,5 мл 25%-ного раствора цитрата аммония. При анализе буферной ацетатно-аммонийной вытяжки с pH = 4,8, как правило, вводят 1 мл цитрата аммония на тот же объем. После этого добавляют по каплям раствор аммиака до установления величины pH анализируемого раствора, равной 6,0—7,0. Затем на каждые 200 мл вытяжки прибавляют 10 мл дитизона, тщательно перемешивают и далее прибавляют 2,5 мл 2,4-динитроанилина. Последующий ход концентрирования такой, как и при определении общего содержания микроэлементов.
При определении молибдена в оксалатной вытяжке 100—200 мл вытяжки помещают в термостойкий стакан и выпаривают ее досуха. Для разрушения оксалатов и органических веществ остаток обрабатывают 30%-ной перекисью водорода и концентрированной HNO3. Остаток растворяют в 6 мл 6 M HCl и доводят дистиллированной водой до 200 мл при pH 1. К раствору добавляют 5 мл раствора таннина, после перемешивания вводят небольшими порциями 10 мл «окисленного» красителя Стенгауза. Последующий ход концентрирования такой, как и при концентрировании общего содержания молибдена. В указанной работе рекомендуется вариант метода концентрирования молибдена непосредственно в оксалатном растворе, минуя стадию разрушения оксалатов.
При определении микроэлементов в растениях 5—10 г растительного материала озоляют сухим методом, остаток переводят в раствор. При определении цинка, меди и кобальта к анализируемому раствору прибавляют 0,2—0,5 мл раствора двузамещенного цитрата аммония, 1 мл ацетатного буфера и после этого прибавляют небольшими порциями аммиак до установления величины pH раствора 6—7. При непрерывном помешивании вводят 20 мл ацетонового раствора дитизона и 5 мл ацетонового раствора 2,4-динитроанили-на. Далее поступают так же, как было рекомендовано при анализе почв.
При определении молибдена фильтрат и промывные растворы объединяют, переносят в стакан, добавляют дистиллированной воды до объема 200 мл и проводят соосаждение молибдена таннином совместно с «окисленным» красителем Стенгауза, как и при определении общего содержания молибдена в почвах.
Полученные описанными методами озоленные остатки проб поступают на спектральный анализ. Можно объединять озоленные остатки, полученные после применения различных методов концентрирования.
Чтобы уменьшить влияние общего состава остатков на результаты анализа, применяют буферную основу следующего состава: С — 52%, K2CO3 — 24%, Fe2O3 — 16%, Al2O3 — 8%. На этой основе составляют эталоны определяемых элементов (путем введения растворов чистых солей) и ту же основу добавляют к анализируемому остатку. Элементом сравнения служит железо, анализ выполняют по методу постоянного градуировочного графика.
Для анализа берут 50 мг эталона и делят эту навеску на три части. К анализируемому остатку добавляют 50 мг основы, тщательно перемешивают смесь, а затем также делят ее на три части. Эти части служат для повторного спектрально-аналитического определения микроэлементов. Небольшие отклонения содержания железа в эталонах и анализируемых пробах практически не влияют на интенсивность аналитических линий определяемых элементов и линий спектра внутреннего стандарта — железа.
Пробы и эталоны сжигают в кратере угольного электрода при силе тока 10—12 а. Внешний диаметр электрода — 3 мм, диаметр кратера — 2 мм, глубина его — 5 мм. Кратер закрывают угольной крышечкой с небольшим отверстием. Время экспозиции — 2,5—3 мин. до полного сгорания пробы и эталонов. Аппаратура: спектрограф ДФС-8, микрофотометр МФ-2, генератор дуги ДГ-2. Аналитические пары линий приведены в табл. 8. На ту же фотопластинку со спектрами при помощи 9-ступенчатого ослабителя наносят марки почернения.
По спектрам эталонов строят градуировочный график в координатах (lg I1/I2, lgC) и по нему определяют искомую концентрацию. Коэффициент вариации метода составляет 10—15%. Метод применим к определению общего содержания микроэлементов в почвах, растениях и других биологических объектах, а также в почвенных вытяжках и водах.
Фотографирование спектров предпочтительнее производить через 3-ступенчатый ослабитель. Дело в том, что в некоторых случаях почернения линий определяемых элементов без ослабления излучений могут быть настолько велики, что вызовут недопустимо большие ошибки фотометрирования и обесценят работу, затраченную на подготовку проб. Применение ступенчатого ослабления позволяет избежать этих трудностей.
Применение крышечки над пробой в электроде имеет существенное значение при выполнении анализа. Она предупреждает выброс пробы и фонтанирование мелких частиц из кратера электрода, что способствует повышению точности анализа.
Из изложенного следует, что методы эмиссионного спектрографического анализа представляют широкие принципиальные возможности для определения состава почвенно-агрохимических объектов. Однако применение этого метода к решению конкретных аналитических задач в ряде случаев сопряжено с вполне определенными трудностями, устранение которых требует выполнения специальных методических исследований.
