Анализ селена в почве методом спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы

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 атомноабсорбционной 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. Рентгенофлуоресцентный 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 Se 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.