Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

НЕЙТРОНОАКТИВАЦИОННЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕДИ, ЦИНКА, МАРГАНЦА И ДРУГИХ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В РАСТЕНИЯХ

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "НЕЙТРОНОАКТИВАЦИОННЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕДИ, ЦИНКА, МАРГАНЦА И ДРУГИХ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В РАСТЕНИЯХ"

#'36694

Министерство сельсшго -хозяйства' СССР Латвийская ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственная академия

На правах рукописи

КПШСЕ Лидия КихелеЕНа

НЕЙТРОНОАКТНВАЦИОННЫЗ Х15Т0Д ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕДИ, ЩША,' ЖРГАЩА. К ДР7ГИХ ЖФОЗЛНШТОЭ. В РАСТЕНИЯХ

03.00.12 Физиология растений

- Автореферат: , 1

дассертапии на соискание ученой степени вшкдидата биологических наук

Елгева 1974

Министерство сельского хозяйства СССР Латвийская орден» фудового Красного Знамени сельскохозяйственная академия

На правах рукописи

КЕШ Лидия Мяяелевна

НЕЙТТЮНОАКТИВАШОНШК М2Г0Д ОЛРЫШШШ ИЩИ, ЦИНКА, МАРГАНЦА И ДРУГИХ ЖРОЗЛЕМШОВ В РАСТЕНИЯХ

03.00.12 Физиология растений

Автореферат диссертации на соискание ученой сгаовни

имени К.А. Твннрхми ЦНБ имени Н И. Железном

Еягвва 1974

Диссертационная работа выполнена во время очной (1970-1973 гг.) аспирантуры в лаборатории биохимии почв и микроэлементов Института биологии АН Латвийской ССР. Экспериментальная часть работы проведена в лаборатории нейтроноактиванионного анализа Института физики АН Латвийской ССР.

Научный руководитель - кандидат биологических наук,

старший научный сотрудник Г. Р.ОЗОЛИНЯ.

Научный консультант - кандидат химических наук,

стерший каучшЛ сотрудник Н.А.ДУБИНЖАЯ.

Офщиальные опцонентц: Заслуженный дэятедь наука

В.П.К1ЛСЕН.

Ведущее научное учреэдение -

Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт удобрений и агропоч-веведения ям.Д.Н. Прянишникова. с Автореферат разослан я " 1974 года.

Защита диссертации состоится 1974 года

в 13 часов на заседании Ученого совета Латвийской ордена фудоэого Красного знамени сельскохозяйственной академии (г.Кягава, 229600, ул.Ленина, 2, аудитория физики).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. -

Отзывы (в двух экземплярах, с заверенными подписями) просим направлять Ученому совету академии по вдаеуказанно-ЧУ адресу.

РСФСР и КАОСР, доктор биологических наук, профессор

М.А.Т0ЙККА,

кандидат биологических наук, доцент

*

ОБЩ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Для обеспечения процессов жизнедеятельности любого организма требуется определенный набор я концентрация микроэлементов.

В настоящее время твердо установлена необходимость для роста растений меди, пинка, маргаша, шдибдена и бора. Участие микроэлементов в ферментативных реакигчх,протекающих в живых клетках, ггриводит к необходимости изучения их топографии не только в целом организме» но и на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях. Такие исследования требуют высокочувствительных методов анализа.

Б результате деятельности человека в среду обитания растений попадает ряд шло изученных элементов, поэтому возникает необходимость определения их содержания в растениях, а такие контроля растительной продукции.

Успех в решении этих вопросов зависит в первую очередь от наличия адекватннх аналитических методов. В раз-витки методов определения микроэлементов наблюдаются два основных стремления - повышение чувствительности и улучшение селективности определения. В принципе обоим этим требованиям отвечает активационный анализ, возможности которого в отношение определения многих элементов превосходят возможности других аналитических методов*

Обладая чрезвычайно высокой абсолютной чувствительностью, а также достаточной селективностью, точностью и надежностью, активационный анализ является пенным допол^-нением других аналитических методов, особенно в области концентраций, недоступных классическим методам анализа. В наш дна, когда возрастание числа атомных реакторов создает все более благоприятные условия для широкого внедрения ядернух методов в повседневную исследовательскую -практику, особенно актуальной становится разработка достаточно простых методик, пригодных для серийных исследований широкого друга объектов. Зачастую этот вопрос можно ' решить повышением селективности анализа, что позволяет за—

метно увеличить число определяемых элементов и сократить ход анализа за счет упрощения или опущения трудоемких оперецлй радиохимического выделения, а также повысить точность определения. Для решения »той цеди наряцу с подбором опгдаалыгого временного режима анализа все шире попользуются избирательная активация и у-спектрометрия высокого разрешения.

Основной пелью настоящей работы являлась разработка увиворсальных и достаточно простых приемов вейтроноакти-вашонного определения ряда микроэлементов в высших растениях с сохранением основных преимуществ активаотонного анализа (чувствительность, точность, надежность). В дас- . сертационной работе били выдвинуты следующие конкретные задачи:

1) разработать рациональные приемы комплексного исследования содержания меда, цинка и марганца в растениях;

2) изучить возможности использования резонансной актазаиют и ^-спектрометрии высокого разрешения для определения молибдена;

3) разработать инструментальную методику определения кобальта;

4) получить информагшю о возможностях шогоэлементко-го анализа растений о использованием ^-спектрометрия высокого разрешения.

Решение поставленных задач сочеталось о изучением влияния на точность анализа мешающих факторов*

Диссертация состоит из следующих глав: I Введение, , П Нейтроноактивацконный метод определения ми^юз лемектов * Ш Задатт исследований. и- Экспериментальная часть, 7 Заключение и выводы.

Во второй главе дан краткий обзор литературы по основным вопросам активанионного анализа, рассмотрены преиму-

щества и ограничения метода. В третьей глава обоснован выбор анализируемого материала и сфорцулирована основные задачи исследований. Четвертая глава содержит изложение результатов и состоит из.трех основных разделов, включающих описание отдельных этапов анализа (А), характеристику использованного растительного материала (Б) и подробное изложение представляемых-для определения изучаемых микроэлементов методик (В). Б последнем разделе перед описаю:-ем отдельных методик приведен обзор литературы ш данному вопросу.

Научная новизна работы состоит в разработке ковше . оригинальных методик для определения отдельных элементов и для многоэлементного анализа растений с использованием современной экспериментальной техника. Разработана инструментальная методика определения молибдена и методика группового радиохимического выделения меди, цинка и марганца. Б многоэлементном.анализе выявлены оптимальные условия определения отдельных элементов, а также спектральные помехи для каждого радиоизотопа, которые необходимо учесть в количественном анализе.

Практическая ценность работы, по нашему представлению, заключается в возможности широкого использования предлагаемых методик для серийного анализа разнообразного растительного материала при ограниченном его количестве и небольших затратах химических реагентов и рабочей силы.Предлагаемые методики особенно перспективны длл всестороннего изучения роли микроэлементов в клеточном метаболизме.

Реализация результатов исследования. Разработанные методики использовались в определении меди, цинка и марганца в клеточных ядрах'зародышей семян гороха и фасоли, а также в изучении распределения меди в растениях гороха. На основании рекомендаций по многоэлементному анализу разработана методика многоэлементного количественного акали- , за, которая используется для изучения элементного состава растений. .

Объем диссертации 209 сграниц, в том числе текст

занимает 105, таблицы 33 и рисунки 43 страницы. Стасок использованной литературы изложен на 29 страницах и включает 255 источников, из них 133 зарубежных авторов.

ЭКСПЕЕтШГГАЛЬНАЯ ЧАСТЬ А. ПОСТАНОВКА МЕТОДА .

Подготовка образдав к облучению проводилась соглао-но общепринятым требованиям к ективационному определению микроэлементов /Смейлс, 1961; Боуэн, Гиббоне, 1Э68/. Для ослучений использовался воздушно-сухой порошкообразный материал.

Для приготовления эталонов использовались чистые металлы (цинк,кобальт) или соли определяемых элементов. В качестве основы для эталонов служили пленка из полиэтилена высокого давления {при кратковременных облучениях) или беээольная фильтровальная бумага (при более длительных облучениях). Для облучений в высотах интегральных штоках перспективным представляется лсдохьваваияе синтетических эталонов, изготовляемых на основе фенолформальдегидной смолы в Институте физики АН Грузинской ССР. Смола обладает достаточной терм»- и радиационной устойчивостью, ^-спектр облученной смолы не содержит заметных долгожявущкх ектив-ностей. Химический состав ее (С - 76,2?, Н - 5,Э£; 0 - 17,ЭД) близок к макрокомпонентному составу биологического вещества.

■ В серийных определениях заметное упрощение анализа достигается использованием мониторов в-качестве свидетеля условий облучения /¿dams «t «1. , 1963; Brune, 1966; Do Cort« et el. , 1969; Haenheut et al. , 1971 и Др./. В нашей работе мониторы использовались для определения меди, цинка,)! марганца согласно методике Н.А.Дубннской и Л.Л.Пелс2шса /1969/.

Образны и эталоны упаковывались в полиэтиленовую пленку, алюминиевую фольгу или кварцевые ампулы и помещв- . лись з алюыилиевце контейнеры.

Облучение проводилось в экспериментальное каналах атомного реактора ИРТ-2000 Института физики АН Латвийской '

ССР. При облучении учитывалось возможное изменена® нейтронного потока по высоте канала. Изменение потока по диаметру канале оказалось несущественным..

Обработка активированных ооразыов в.инструментальном варианте анализа ограничивалась переупаковкой образцов перед измерением (при определении маргаша переупаковка не проводилась). В радиохимическом варианте анализа измерению активности предшествовали разложение материала и радиохимическое выделение определяемых элементов. ■

Разложение органического материала проводилось по модифицированной методике Полуэктова /polimfctoy, 1941/ трехкратным нагреванием с 2 мл смеси кокц. hnoj и 30!? k^g (1:1). Лри озолении потери меди, цевка, марганца и молибдена не превышали

Для радиохимического выделения определяемых элементов выбран метод экстракции. 5 качестве комплексообргзователя использовался тиооксин (ЁЦмеркаптохинсищи), аналитические свойства которого при фотометрическом определении элементов изучены Ю. А.Банковским и сотрудниками /1958, 1959 я др./. Для активаодюнного анализа биологических материалов тиооксин впервые использовался Н.А.Дубинской с сотрудниками /1966, 1939/. В нашей работе намечалось расширение сферы применения реагента (анализ растительного материала) и контроль его селективности с использованием у-спектрометра высокого разрешения. Использовали К раствор тиооксша в I к KCl среде в количествах, обсспечивавдих 500-1000 краткий избыток реагента. В качестве экстрагента использовали толуол.

Проверка полвости экстракции меди, пинка, марганца и

молибдена на модельных смесях показала достаточно высокий

(> 97$) и воспроизводимый (ej<3;S) выход определяемых элементов уже при перзом выделении,'что позволило отказаться от добавления носителей и проведения повторных экстракций.

Измерение активности проводилось: I) сшнтилляциок-ной установкой Ш-5М с' кристаллом Hal(Tl). размером 40x50 мм с колодцам 12 х 35 мм; 2). сдантилляциогашми у-опек-

трометрачи с кристаллами ïfal(Tl) размером 40 х 50 ш с колодцем 12 х 35 мм (разрешение — 12$ для Е^. « 0,662 Ыэв) в сочетании с 128- или' 256-канельними амплитуднши анализаторами; 3) £-спектрометром с коаксиальным Ge(Li) детектором (рабочий объем 45 см3, разрешение 4,? кэв и отношение пик/кокптон=9 для Еу =1,332 Мэв) в сочетании с 800-канальным амплитудным анализатором.

Обработка у -спектров проводилась методом Коуэлла / Сотв11,1Э59/ или его упрощенным вариантом /Нршселкова .' и соавт.,1957/. В случае однокогавжснтншс систем измеряли интегральный счет активности.

Весь цифровой материал обрабатывался методами математической статистики согласно руководству Б.Цустыльника /19С8/.

Б. МАТЕРИАЛ ИССЛЕДОВАНИЙ

- Поскольку целью настоящей работы являлась разработка универсальных методик, в анализах использовался ра?нообраэ-нкй материал. Основными объектами исследований слукили представители семейств бобовых и злаковых (фасоль сорта „ »Триумф сахарный», горох сорта »Торсдаг*, ячмень сорта . •Прие^гльскпй I», пшеница сорта »Мироновская SOS'). Избранные семейства систематически .отделенные, имеют разный тип обмена веществ, поэтому в составе образцов ьгожяо ожидать отличия, влияющие на ход анализа. Кроме этого, мно- ' гие представители атих семейств являются ценными продовольственными и кормовыми культурами, и их анализ представляет определенный практический интерес. В некоторых опытах ' использовались также растения табака (сорт»^апезонд 219').

Растения были выращены в вегетационных сосудах. Для отдельных анализов использовались, растения, выращенные на мелисс делянках.

Учитывая неравномерное распределение:минеральных элементов в растениях /¿сЬагг«; ;.:1955; Бойченко, 1968; Caeiœo и соавт., 1968; Удельнова и соавт., X97I и др./, ¡доя анода зов брались различные органы (семена, листья.

корни), а также некоторые субклеточные структуры(клеточное ядра зародышей). Для выявления возможностей анализа Б условиях различного содержания определяемых элементов растения выращивались как на низком или среднем, так и на высоком уровнях изучаемых элементов.

В. АНАЛИЗЫ РАСТЕНИЯ Определение ме^>_|Ем;1ка и марганца

Обзор литературных сведений со активалвокному определение меди, цинка я марганца в растениях показал, что существует ряд методик для определения одного или двух вышеупомянутых элементов /Bowon , 1959; Brown et al. ,1966; Кист И соавт., 1967; Griaanie ,1966; ßoullotls , 1969; Wald, Kajeeer-, 1970 и др./. Однако большинство существующих методик проверялось на ограничегоюы количестве материалов, поэтому трудно садить об их универсальности.

Учитывая важное значение меда, пинка и марганца в жизни растений, особый интерес представляют методики для определения всех трех элементов в одной навеске. К сожалению, таких методик относительно1 мало, и зачастую они довольно сложны / Haha et al.» 1968; QurescM , Cheema, 1970/. Это привело к выводу о необходимости разработать универсальные методика, обладавшие не только высокой чувствительностью, но и достаточной простотой и производительностью. ■

Для определения медицин юса и марганца выбраны радиоизотопы Со 1 69aZn и и» . Предварительные опыты на 8 образцах показали, что одновременное инструментальное определение этих элементов незозыедаю вследствие недостаточной чувствительности анализа по иинку-69» и сложного состава ^-линии 0,511 Мэв, однако во вссх случаях возможно инструментальное определение марганца.

На основании полученных результатов дня определения меди, цинка я марганца в сорой навеске рекомендуются следующие схемы анализа: I) последовательное экстраюяонкое выделение определяемых элементов с измерением экстрактов

-ГОна сцинтилляционном ¡с-спектрометре; 2) сочетание инструментального определения марганца с радиохимическим видел енл ем меди и цинка; 3) групповое радиохимическое выделение элементов о последующей у -спектрометрией высокого разрешения.

1. Для методики о последовательным выделением элементов выбраны следующие условия анализа: 480 (ф= 6,3 . 1012 нейтрон/см3; сек),*0Сг=Г час. Экстракция проводилась в среде I н Ш1 для меди, при pH =» 3 для цинка к pH = 9 для марганца, фоверка на c«(Xi) спектрометре показала высокую радиохишчес кув чистоту экстрактов меда и марганца. Однако в экстрактах цинка обнаружена

линия 0,511 Мэв сложного происхождения, которая создает помехи при ецкнтилляционной -спектрометрии. В данном случае ошибку анализа можно уменьшить оптимальным подбором способа обработки $—спектров или устранить измерением экстрактов на Ge(Li) детекторе.

При выбранных условиях облучения и остывания и длительности измерения 20 мин. порог обнаружения дляобраз-цов с массой 50 мг составил £2 - 7); 1СГ8 г/г для меда, (0,2 - 2). IO^r/r для шнна, и Юг9 г/г для марганца при критерии чувствительности SJfH ф,' где Вф - число импульсов, соответствующее измеренному фону в области денной гамма-линии. Относительная среднеквадратичная ошибка анализа в преобладающем большинстве случаев не пре- . выпала + 5J. В анализе требуются небольшие количества я ассортимент реагентов, возможно использование сравнительно простой измерительной аппаратуры.

2.' Для инструментального определения марганца разработана методика с облучением образцов в течение 20-60 сек. (cf> «6,3.1t)12 нейтрон/см2.сек), остыванием в течение часа и измерением на сцинтилляционном ^-спектрометре в течение 1-5 мин.

Предел обнаружения марганца для образцов с массой 20 мг при выоеунгзанных режимах составил (0,3-8).ДО"7г/г, среднеквадратичная оиибка анализа 4 Следует отмстить, что чувствительность анализа намеренно занижена для

- XI -

получения удобного для измерений уровня активности. Мешающая активность радиоизотопов с близкими анергиями у-излучения Не» ^Зза ) практически незначительна и не требует учета. Методика высокопроизводительна. Вследствие незначительной активации матричных элементов (в основном натрия) повторное использование образцов воэмолг-но ухе через 2 дая .Оря увеличении времени облучения до I часа возможно совместное с марганцем определение каляя и натрия'.

Для анализа растений, особенно при относительно высоком содержании в них марганца, целесообразно сочетать инструментальное определение ьиргавца с радгохиипесшш выделением меда и цинка. Цредложешая схедга не только повышает производительность анализа, ко к облегчает подбор оптимального соотношения измеряемых активностей.

3.' Доя одновременного определения кеда, цинка и марганца разработана оригинальная методика группового радиохимического выделения элементов с измерением экстрактов на Сэ<1А) спектрометре. Выбранные условия анализа (* =6 час.,* осг=18 час,, ъиз(,г«10-20 мин.) обеспечили благоприятное соотношение измеряемых активностей, концентрация водородных ионов (рйаЭ) - высокую степень (>9£&) извлечения определяемых элементов. В анализе использовался групповой эталон, при повторных анализах, как и в методике с последовательным выделением элементов, медные мониторы. Методика позволяет повысить производительность труда и точность определения. Реальная чувствительность анализа лея меди и цинка не уступает таковой при раздельном выделении элементов (для марганца она намеренно занижена).

Предлагаемые методики проверялись на 8-10 растительных образцах. Подученная чувствительность позволяет с достаточной точностью определять все ч^ш элемент? в навеске <— 20мг. Таким образом, методики следует признать универсальными и особенно перспективными для анализа дефицитного материала.

Разработанные мэтодаки практически использовались

для определения меди, иинжа и марганца в ядрах, выделенных из клеток зародышей проростков семян гороха и фасоли. Материнские растения гороха выращивали на делянках без удобрений. В опыте с фасолью исследовали три варианта -без удобрения, удобренные медь» и цинком. Кроме этого изучалось распределение меди в органах растений гороха при разной обеспеченности растений этим микроэлементом,

Результаты анализа клеточных ядер проведены в табл. I. Содержание определяемых элементов в ядрах зародышей фасоли вше, чем у гороха. У фасоли повышение уровня пи-' тавдя медью способствовало повышенно содержания ее и марганца в ядрах. Повышенное содержание марганца наблюдалось также у варианта с пинком. Удобрение же растений цинком не оказало существенного влияния на накопление его в ядрах.

Изучение распределения меда в органах растений гороха, выращиваемого на низком и среднем медном фонах, показало различный характер накопления ее в зависимости от уровня обеспеченности растений эетл элементом. Так, в репродуктивных органах растений низкого фона самое низкое содержание меди (0,£мкг/г) наблюдалось в зачатках бобов. У обеспеченных медиа растений эти же органы отличались самым высоким содержанием элемента (13,19 мкг/г). В листьях растений низкого фона наблюдался базипетальный, а в листьях обеспеченных медью растений, наоборот, акропе-тельный градиент распределения этого элемента (табл.2).

рпрецедетме молибдена Судя по литературным данный / stitch, 1957; Гродзин-ская, 1965; Буркин, 1968/, определение молибдена в небольших растительных образцах ( < 5 г) затруднено вследствие недостаточной чувствительности классических методов'анали-за. Этим обусловлен повышенный интерес к разработке нейт-ронопктввационных методик определения молибдена.

Существующие методики определения молибдена в раоте-ïouk / Bowea, 195Э; ïukai, Melok* , 1Э5Э; Могилевгаи и

Таблица I

Содержание меда, цинка и марганца в меточных ядрах зародашей гороха и фасоли, мкг/да азота .

Образец Число Медь " Цинк ' Марганец

Растение Вариант определений

Горох без удобрения 3 0,134 + 0,012 1,00 + 0,08 0,163 + 0,001

без удобрения Э 0,443 + 0,009 5,13 + 0,16 0,91 + 0,04

Фасоль медь 3 0,635 + 0,048 1,71 +0,02

цинк 3 0,329 + 0,008 6,88 + 0,75 , 1,74 +0,04

ëôaST., 1962; Zenten et al. . 1962; Boderbough et al., 1965; Livingston, Sœitb , I967j Retjburger , ïourcj, I968î ь* Fleur , 1969/ основаны, как правого, на радиохимическом выделении влемекта, что объясняется нивкой селективностью анализа при тепловой активации. Хорошие ро-зояанснве характеристики молибдена делает перспективном использование резонансной активации лля повышения избирательности анализа на этот элемент. Подбор оптимального режима резонансной активации в сочетании с измерение» на G«(L1) спектрометре позволил разработать методику инструментального определения элемента, (рис.1). Анализ проводился по дочернему изотопу "то ыолибдена-99 лосде 50-часовой активации в канале реактора с кадмиевый фильтром толщиной I мм (<T>pHeI,5.I0l2 нейтрон/см^.сек) и 60-часового остывания.

Таблица 2 Содержание меди (мкг/r абсолютно Сухого вещества)в вегетативных органах гороха

Орган Фон »еда ]

кизкхй |. средня!

верхние Листья средние нижние 0,49 0,60 0,68 : 3,62 2,65 1,15

верхиие ..; . Черешки средние;"' нижние.- Ii26 . 0,32 0,37 3,40 2,80 ■VI, S3

Я верхняя половина ^ кикняя половина 0,69 0,62 2.71 2,03

■ Корни 2,30 Д2.Э

Клубеньки 2,28 6,53

РисЛ. Инструментальный ганка-спектр семян фасоли С ^=50 час.; tOCT»60 час.; 3 дан.)

Методика проверялась на 8 образцах. Порог обнаружения молибдена при принятых условиях облучения и остнзе-ния, временя измерения I час и массе образцов 0,5 г со- . ставил (0,£U2,2).Id-7 г/г при статистических ошибках отдельных измерений 1,4-133?. От существующих метсдаос определения молибдена инструментальная методика отличается простотой аналитической процедуры и позволяет определить количества элемента, недоступные классическим методам анализа. Небольшая затрата труда делает методику перспективной для серийных определений. Общая продолжительность анализа,компенсируется возможостьв одновременного облучения большого числа 1фоб,

3 радиохимическом варианте анализа выделение проводили из среды X н Ш1, Для маскировки ^Си и 198la использовали I0J раствор ткомочевгаш, для удаления 122,124 бь — Т% раствор халкйаитимэнилтартрата.

Радаохимическое выделение,,несмотря на дополнительную выдержку экстрактов, повышает чувствительность и точность анализа (табл. 3), особенно при использовании сшш-тилляскопного спектрометра и тают образом позволяет уменьшить иассу образцов или сократить продолжительность измерения в 5-10 раз. Этот вариант перспективен для анализа дефицитного материала или образцов с низким содержанием молибдена при высоком содержании мешающих элементов (в основном брома и бария).

Определение кобальта * Активацнокное определение кобальта возможно по двум изотопам: короткоашвущему Со (£>10,5 мин) и долгожя-вущему Со (£=5,24 г.).

Мягкость f-излучения кобзльта-бОя (Ег*=0,059 Мэв) ограничивает воэшжюсти инструментального анализа по это-цу изотопу; а небольшой' период полураспадатребует быстрой доставки облученных образцов я разработки экспрессных методов для радиохимического выделения. Поэтому в активацион— ном анализе наиболее часто.используется радиоизотоп ®0Со.

Тв&лзда 3

Чувствительность анализа и статистические ошибки при определении молибдена

Вариант анализа Инструментальный Анализ с радиохимическим выделением

Детектор йв(Ы) О (И) Я«(Т1)

' Порог Порог Порог

Образец обнаружения, ' г/г обнаружения, г/г V* обнаружения, г/г

Сенека фасоли "8,8.10"® гл 5,2. КГ8 1,1 1,2. ИГ® 0,2

Сенега ячменя ■ 7,8.30"® 10,0 4,4, КГ8 1,6 1,1, ЛГ® 1.0

Листья фасоли 6,4, ИГ® 15,8

Листья ячыевд. 1,8. Ю-7 Ю.7

£истья шешта 1,2. ИГ7 5,0

Коряк фасоли 2,2. КГ7 4,3 5,8.10"® 1,2 •

Корчи ячменя 5,6,10"® 4,2

Эталон 7,8, ВТ9 1,3. ИГ® 9. НГ10

- 1646

Помехи oo стороны долгозошущих радиоизотопов за р-59 та f 65 86^ сильно ограничивают возьюкности инструментального определения кобальта в биологических материалах прк использовании сцинтилляшюнной $ -спектро- ■ метрии. Этим объясняется радиохимическое выделение элемента в ряде работ более ранних лет / loch et ai. ,2956; Pijck et al. , 1961; Maxie et al. . 1967; Giovanettl et al., 1967).

В настоящей работе для определения кобальта выбран инструментальный вариант анализа по кобальту-СО. Образин а эталоны облучали s центральном канале реактора интегральным потоком реакторных нейтронов ~ 1,7.1019 нейтрон/см**, после 20-дневшго остывания измеряли активность в течение i 30 мин на Ge(Ii) спектрометре.

Некоторое расхождение количественных результатов, полученных ло обеим у-чяининм кабальта-60, потребовало изучения факторов, влияющих на точность анализа. В качестве аналитической f-жнин рекомендуется использовать ленив 1,332 Ь!эв, поскольку у-линия 1,173 Мэв содержит вклад тербия-160.

Методика проверялась на 6 растительных материалах. Шрог обнаружения кобальта для образцов с массой 200 мг составил (0,7-13).г/г при статистических сшибках отдельных измерений 2-П и дед ¿--линий 1,332 Мэв в 1,173 Мэв соответственно. Реальная чувствительность анализа позволяет уменьшить массу образцов примерно в 10 раз и делает методику перспективной для анализа дефшитяого материала,' Продолжительность облучения и остиванля кошен-сируется возможностью одновременного . облучения большого числа проб. Вследствие большого; периода'полураспада ко-бальта-60 облученные образны могут сохраняться в течение нескольких лет; Наряду с кобальтом возможно определение рада других алиментов.

Изучение возможностей многокомпонентного инструментального анализа

В большинстве, работ по микроэлементам рассматриваются лишь те, необходимость которых для роста растений твердо установлена. Однако в растениях содержится множество химических элементов, роль которых еще мало исследована /Виноградов, 1932, 1952, 1967; Вернадский, 1965, 1967;

Bowen, 1966 и др./. Для всестороннего изучения химического состава растений и выявления возможной роли отдельных элементов весьма перспективен многоэлементный инструментальный анализ растений, интенсивно развивающийся в последние годы / Bailer «t al. , 1968; BadKarol,Etuaan, ,1969; Fewcett et ai., 1973 и Др./,

Количество определяемых элементов зависит как от условий проведения анализа, так и от качествеиного и количественного состава проб. Нами сделана попытка установить набор определяемых элементов при использовании некоторых реквшв облучения и остьшания и оценить оптимальные условия анализа для определения отдельных элементов.

Использовались следующие реаими анализа:

1) t^l час. (Ф = 6,3 . 1012 нейтрои/см2. сек),

toc-=6-20 час., ^изи" 5„MMIli ,ft

2) ^обл1^4^0» чао-10 дней, 4 15 мин;

3) t обл=Ю даей (интегральный поток реакторных нейтронов — 1,7.10® кейтрон/см2)• ьост™10 дае2-1год, ^иэч

<$ 60 мин. ■

Масса образцов составила 100-260 мг.

С использованием упомянутых режимов анализа в растениях идентифицировано Зйрадиомзотспа (табл.4). Данный список включает ряд малоизученных элементов (скандий, хром, галлий, бром, рубидий, сурьма, цезий, барий, лантан, европий, золото, ртуть и др.). В качестве примера да рис. 2 приведен у-спектр листьев фасоли.

На основании анализа д* -спектров исследованы возможные спектральные помехи для каадого радиоизотопа и разработаны рекомендации для количественного анализа. Иредзоч-

-21 -

тительные для количественного анализа $ -линии приведены в табл.5.

Число определяемых элементов может быть увеличено путем продолжительного облучения резонансными нейтронами и проведением анализа да короткоживущм изотопам.

Некоторые вопросы точности анализа

При разработке методик элементного анализа репение основных задач непосредственно связано с учетом возможных ошибок, влияющих на его точность. Некоторые из них изучались более подробно.

1. Сашэкранировакие в образцах и эталонах при использованных условиях анализа незначительно (за исключением эталона кобальта, для которого необходимая поправка составила 4,5^). Один из возможных'способов устранения самоэкранирования рассматривается на примере эталона кобальта.

2. Оценка вклада мешающих реакций показала, что для большинства определяемых элементов этот вклад незначительный (табл.6). Экспериментально установленная величина вклада мешащей реакции га ( п,р составила 0,32,2£ дня изученных образцов и 2,2% для группового эталона.

3. Вклад изотопов с близкими энергиями ¡"-излучения более существенен при использовании сцинтилляционного

у-спектрометра, В связи с этим проводились контрольные измерения на Се(1Л) спектрометре и определение периода полураспада. В ряде случаев для повышения точности анализа рекомендуется измерение в условиях высокого разрешения у-спектрометра (определение цинка и молибдена).

' Сложность инструментальных £ -спектров привело к необходимости изучения воз ¡.южных помех в многоэлемвднтном анализе. Выявгены возможные помехи для каждого обнаруженного радиоизотопа, для некоторда: из них , 6<?Со, 652п, ®6НЬ ) проведена количественная оценка с учетом относительной интенсивности у-члиний мешающего радиоизотопа

-

Таблица 5

Характеристика обнаруженных радиоизотопов

Период полу-'-распада, Т

Элемент

Аналитический радиоизотоп

Рекомендуемая гомиа-линяя, Мэв

Натрий

Калий

Кальций

Скандий

Хром

Шргаиец

Железо

Кобальт

Шкель

Цинк

Селен

Ыквьяк

Бром

Губидай Молибден Серебро Сурьма Цезий , Бзри£

Лантан

Самарий

Европий

Тербий

Гефш1Я

Золото

Гтуть

24

42*

47.

Па

46 56

Зс сг

'ка

60,

58,

'Со

65 7?; 76 82.

Со га

'Бе

'Аэ :Вт

110а

хг*:

151

'Ав

БЪ "Се

Ва

«'в»

1535а коть

181 198

ЮГ 1А«

15,0 ч. 12,5 ч. 3,4 д. 84,0 д. 27,8 д. 2,58 ч. 45,0 д. 5,25 г. 71,3 д. 244 д. 120 д.

1,369; 2,754 1,525 0,159 0,689 .0,320 0,848 1,292 1,332 0,811 1,116 0,265

26,4 д. 0,657

1,48 Д. 0,616; 0,698

0,776; 0,828

18,7 д. 1,077

2,8 д. 0,143

253 д. 0,658

60,3 д. 1,691

2,05 г. 0,796

12,0 д. 0,216; 0,373;

7.5 л. 0,356

1,67 д. 1,596

47,X ч. 0,103

12,2 г. 0,779; 1,408

72,1 д. 0,299; 0,966

42,5 д. 0,482

2,7 д. 0,412

46,6 д. 0,279

Таблица 4

Рядаокзотогш» обнаруженные при облучения нейтронами растительных образцов

Радиоизотоп Образец <0 £ м (М о аз $ с? в* К (Л 3 йГ 1Л О <0° 1А О ч» (1 м 1А « О £ о « К а -ч £ <м <а 3 Е8 о я <Г1 <Г1 и 5" ы ы & Й н а> к\ 14 л Й & к\ м а м 1Г\ н £ и\ ы / м * о® чО 1-1 е к ы м Й м со м 3 да И а <\»

л а <и £ с? семена + + + + + + + + •ь + + + + + + + + +

листья + + + + + + -1- + + + + ± + + + ± + + + ± + +

корни " + + 1 + + + + + + + + + + + + + + + + + + ± +

Фасоль семена + + + + + + + + + + + ± ± + + ± + + + + + ± ± ± +

ЛИСТЬЛ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

корни + + + + + + + + + + + + ± + + + + + + + + + 4: ± + + +

<0 о ё листья + + + + + + + + + + + + + + + + ± +

корни + + + • + + + ♦ + + + + + + + + + + + + + + + +

Примечания к таблице. I) "+" - изотоп обнаружен надежно; - иде1тгфика:,:ия требует подтверждения.

2) Мо определялся с ис пол (.законном резонансной активации.

Таблица б

Первичнае метакоде реакция при определепил марганца, меди, пша, кобальта и молибдена в растениях

Основная реакция 6 T, иöapi ■■ Цгигаал реакция KÖ3P1I Эквивалент, í.3tr/r олр. эл. снес/сопр JIOZHttß вклад, %

55l£n(n, Î^Utt 6ïCu(n, 6e2n(n, )б9шга )60CÖ 15500 4700 75 37000 450 ^Mn.p)56*^ ^Zaín.pJ^Cu 69Ga(n,p)69aZn ^HlíiifP)60^ 65Cu(n, J^Co t02Eu(c, 0,44 0,14 55 0,5 1,0 5 0,72 хаййЗх 3 ; I 460 900 I7Û0 4,4 1,6 г, г.го"1 , 7,6.1o"4 II ЗЛО"4 нет дзщшх 5,5 29 5,5.10"' 7,6.10"® 5.1Л0"1 2,7.10Г5 2,4,10"' 4.6.Х0"5 m

и относительной эффективности й*(Ы.) детектора.

Надежность разработанных методик проверялась сравнением результатов различных активапионннх приемов (медь, цинк, марганец, молибден), активациоиного и спеитрофото-метркческого определение (медь), а также построением кривой спада активности (медь, марганеп, молибден). Это позволило установить отсутствие значимых систематических ошибок за счет неидентифицировзнных изотопов, а также подтвердило достаточную полноту и чистоту радиохимического выделения. ч

Вследствие учета возможных ошибок,'' стабильной роботы измерительной аппаратуры и набора достаточно высокой статистики средаеквадратичная'оигабка анализа в большинстве случаев не .превышала ±Ь%.

ЗАКДШЕИИВ И ВЫВОДИ

Основные результаты проведенных исследований коротко могут бить сформулированы следуютм образом.

Разработаны три методических приема для комплексного исследования содержания меди, цинка и марганце в растениях: методика с последовательным радиохимическим выделением элементов, сочетание инструментального определения марганца с радиохимическим выделением меди и шика и методика группового радиохимического выделения определяемых элементов."'.' ;*

Разработана методика инструментального определения . молибдена в растениях о использованием резонансной активации и у-спектрометрии высокого разрешения. Рассмотрен вариант анализа с радиохимическим выделением элемента. Проведено сравнение точности и чувствительности методик, использованных для определения молибдена. ',■'■-

Исследована возможность инструмента льяогоопределения кобальта. Рассмотрен вопрос эталонирования при определении кобальта.

Исследованы возможные помехи при определении меди, цинка, марганца, молибдена и кобальта. Проведена количественная оценка вклада мешающих реакций и радиоизотопов с близкими энергиями ¿f —излучения. На основании экспериментальных результатов рассматривается зависимость точности анализа от способа обработки сцинтилляционных у-спектров. Показана возможность повышения точности анализа использованием полупроводникового детектора.

Сопоставлены количественные результаты определения меди, цинка, марганца и молибдене различными методиками.

Проведен качественный многоэлементннй инструментальный анализ растений с использованием £-спектрометрии высокого разрешения. При использованных режимах анализа в исследованных растениях обнаружено 32 радиоизотопа. Разработаны рекомендации для многоэлементного количественного анализа растений.

Практическая применимость разработанных методик продемонстрирована определением меда, цинка и марганца в . клеточных ядрах зародышей семян гороха и фасоли, а также изучением распределения меди в органах растений гороха при резной обеспеченности его этим микроэлементом.

На основании проведенных исследований делаются следующие основные вывода.

I* Комплексное исследование содержания меди, цинка и марганца в растениях требует радиохимического выделения меда и цинка вследствие сложного состава f-линия 0,511 Мэв и недостаточной чувствительности анализа по цинку-69 и. Определение марганца можно проводить как инструментально, так и с радиохимическим выделением его. Инструментальный анализ по марганцу характеризуется высокой производительностью. Определение всех трех элементов возможно в навеске порядка 20мг.

2. Для анализа растений, особенно при высоком содержании в них марганца, целесообразно сочетание инструментального определения марганца с радиохимическим выделением меда и пинка. Это уменьшает продолжительность анализа и

облегчает подбор оптимального соотношения измеряемых активностей.

3. Методика группового определения меди, цинка к маргаипа не уступает по чувствительности методике раздельного определения этих элементов, однако более проста и производительна.

4. Разработанная методика инструментального определения молибдена характеризуется простотой подготовки образцов к облученпо и измерению и позволяет с достаточной точностью анализировать образцы с небольшой массой (менее 0,5 г).

Радиохимическое выделение элемента позволяет пош-сить чувствительность и точность определения и рекомендуется для анализа трудно доступного лгатериалэ или образ- ' шз с низким содеркэнием молибдена при высоком уровне помех.

5. Инструментальная методика определения кобальта вы-сокочувствктельн а, относительно проста и позволяет анализировать образин с массой ~ 20 мг. Точность анализа выше при использовании у-линии 1,332 Мэв. Для устранения эф-, фекта сакоз краниро'вакш в эталонах рекомендуется использование синтетического эталона кобальта.

5, Порог обнаружения при использованных режимах анализа составляет 1СГ' - г/г для меди и молибдена, ГО"**? - Ю~9 г/г марганца, КГ6 - ЮГ7 г/г для цинка, 2СГ8 -

~ ХО~э г/г для кобальта. Чувствительность может быть повышена увеличением плотности, нейтронного потока или времена ойяучедая и измерения.

7, Вклад нешапцих реакций при определении цинка, марганца, молибдена и кобальта незначительный. Дм меда вклад мешашей реакции может достигнуть нескольких процентов и зависит от соотношения концентраций меди и цинка в исследуемых образцах.

8. Проверка экспериментальных результатов контрольными анализами свидетельствует о достаточной надежности определения. Точность анализа определяется с основном случай-

ними ошибками, величина которых в большинстве случаев не превышает + В ряде случаев точность анализа может быть повышена использованием с;е(М> детектора.

При использованных режимах многоэлементного анализа в растениях можно обнаружить свыше 30 радиоизотопов. Экспериментальные результаты и анализ литературного материала могут считать основой хм разработка методики многоэлементного количественного анализа растений.

10* Предлагаемые методики универсальны л особенно перспективны для всестороннего исследования биохимической роли микроэлементов в растительных клетках.

Основные положения диссертации иэлсженн в следующих публика шях

1. Дубинская H.A., Кюньке Л.М,, 1972, Одновременное ней-

троноактиванионное определение меди, данка и марганца в растительных материалах. -Изв. АН Латв.ССР, сер.фиэ. и техн. наук, : 2,3-7.

2. Дубинская H.A., Кюньке Л.М., 1972. К инструшитально-

му нейтроноактивационному определению кобальта и некоторых других элементов в растительных материалах. — Изв.- АН Хатв. ССР, сер. и техн. наук, 2, 8-ХЗ.

3. Кюньке Л.М., Дубинская H.A., 1974. Не&роноактивацион-

ное определение молибдена в растениях. -Изв. АН Латз.ССР, сер.физ, и техн.неук, 2, 12-17.

4. Дубинская H.A., Кюньке Л.М., 3974. Инструментальный

многокомпонентный нейтроноактквапионный анализ растительного материала. - Изв. АН Латв.ССР, сер.физ. и техн.наук, 5, 006-814.

Материалы диссертации докладывались на Всесоюзном семинаре "Биогенная миграция химических элементов з биосферс и методы ее изучения" (Москва, 18-22 ноября 1972 года);

на Втором Всесоюзном симпозиуме по методам определения микро элементов в природных объектах (Самарканд, 24 - 27 апреля 1973 года);

на Первой научной конференции хюдатов-зналитикоз

прибалтийских республик и Белорусской ССР (Вильнюс,19-Я) сентября 1974 года);

на Рабочем совещании по применению нейтроноактива-циояных методов к анализу почв, растений и других биологических материалов (Рига, 3—4 октября 1974 года).

Заказ А 163. Объем 2 п.л. Тираж 295 экз. Бесплатно. Размножено на ротапринте фундаментальной библиотеки Академии наук Латвийской ССР. г* Рига, ул. Комунала,4.