Синхротронное рентгеновское излучение и его применение для исследований почв и растений: возможности и перспективы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное 
учреждение высшего образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

СИНХРОТРОННОЕ РЕНТГЕНОВСКОЕ 
ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ 
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЧВ И РАСТЕНИЙ: 
ВОЗМОЖНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Учебное пособие

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2018

УДК [631.4+621.384.634.5]:630*114.2(075.8)
ББК 40.3я73
 
С38

Печатается по решению кафедры почвоведения 
и оценки земельных ресурсов (протокол № 2 от 9 февраля 2017 г.)

Рецензенты:

заведующий кафедрой экологии и природопользования 
Академии биологии и биотехнологии им. Д. И. Ивановского 
Южного федерального университета, 
доктор сельскохозяйственных наук, профессор С. И. Колесников; 

заместитель директора Института физико-химических и биологических 
проблем почвоведения Российской академии наук, 
доктор биологических наук, профессор Д. Л. Пинский 

Синхротронное рентгеновское излучение и его применение 
для исследования почв и растений: возможности и перспективы : 
учебное пособие / Т. М. Минкина, А. В. Солдатов, Д. Г. Невидомская, В. С. Цицуашвили ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2018. – 108 с. 

ISBN 978-5-9275-2437-2

В учебном пособии освещается применение инструментальных высокотехнологичных методов рентгеновского синхротронного излучения для исследования почв и растений. Особое внимание уделяется возможностям практического применения новейших методов рентгеноспектральной диагностики для исследования почвенных и растительных 
объектов на молекулярном и атомарном уровне.
Учебное пособие предназначено для студентов магистратуры, обучающихся по направлению 06.04.02 «Управление и оценка земельных ресурсов», а также для студентов 
естественных факультетов, специализирующихся в области охраны окружающей среды. 

С38

ISBN 978-5-9275-2437-2

УДК [631.4+621.384.634.5]:630*114.2(075.8)
ББК 40.3я73

© Южный федеральный университет, 2018
©  Минкина Т. М., Солдатов А. В., 
Невидомская Д. Г., Цицуашвили В. С., 2018
©  Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ............................................................................ 5

Глава 1.  Основные методы синхротронного 
рентгеновского излучения ........................................ 8

1.1. Техника и параметры синхротронного излучения ........... 8

1.2. Рентгеновская микрофлуоресценция ...........................14

1.3. Дифракционные методы рентгеновского анализа .......... 19

1.4. Методы спектроскопии рентгеновского поглощения ......23
1.4.1. Метод ближней тонкой структуры края 
рентгеновского поглощения ...............................24
1.4.2. Метод дальней тонкой структуры 
рентгеновского поглощения .............................. 33

Контрольные вопросы к главе 1........................................ 37

Тест рубежного контроля к главе 1  .................................. 37

Глава 2.  Использование методов синхротронного 
рентгеновского излучения для изучения почв, 
ризосферы и растений .............................................40

2.1. Формы и механизмы закрепления тяжелых металлов 
и металлоидов в почвах, идентифицируемые с помощью 
синхротронных методов исследования .........................40

2.2. Исследования почв методами СИ .................................47

2.3. Применение методов СИ в исследовании ризосферы .......58

2.4. Формы нахождения и локализация металлов 
и металлоидов в растениях с использованием 
синхротронных методов ............................................ 61

Контрольные вопросы к главе 2  ........................................64

Тест рубежного контроля к главе 2  .................................. 65

Глава 3.  Комплексный подход в изучении соединений 
тяжелых металлов в почвах с применением 
спектроскопии рентгеновского поглощения, 
методов химического фракционирования 
и методов молекулярной динамики 
(экспериментальная глава) ......................................68

Заключение ...................................................................... 96

Литература ....................................................................... 98

ВВЕДЕНИЕ

Антропогенные воздействия, оказываемые на окружающую 
среду, требуют детальных исследований поведения загрязняющих 
веществ в компонентах биосферы. Большую важность представляет изучение поведения в почвах соединений тяжелых металлов 
техногенного происхождения.
Многолетний опыт исследований показал, что определение валового содержания тяжелых металлов в почвах является недостаточным. Поскольку это позволяет отражать лишь направление 
некоторых процессов, например, миграции тяжелых металлов. 
Делать выводы о возможных механизмах трансформации техногенных форм тяжелых металлов в почве и об их дальнейшей судьбе в данном случае затруднительно. Наличие разных форм нахождения тяжелых металлов, отличающихся как по подвижности и 
биологической доступности, так и по механизмам их закрепления 
в почве, определяет степень их экологической опасности и требует 
детального изучения.
Сложность выделения из почвы индивидуальных химических 
соединений тяжелых металлов обусловлена сложным многокомпонентным составом почвы. Вследствие этого определение вещественного состава почв ограничено элементами, присутствующими в 
почве в макроколичествах и способными образовывать легко идентифицируемые собственные фазы (C, P, Fe, Si, Al и т. д.). Методы вещественного анализа тяжелых металлов в почвах пока не получили 
развития. В настоящее время основными методами, позволяющими 
подробно изучать поведение тяжелых металлов в почвах, являются 
методы определения фракционного состава их соединений.
Нахождение тяжелых металлов в почвах коренным образом 
отличается от нахождения тяжелых металлов в природных месторождениях. Хотя почвы и наследуют содержание элементов от 
почвообразующих пород, дальнейшая их судьба существенно меняется. Происходит перераспределение тяжелых металлов между теми почвенными компонентами, которые обладают большим 
сродством к ионам металлов. При загрязнении почвы к унаследованным тяжелым металлам добавляются элементы техногенного 
происхождения в составе других, отличных от почвенных, соеди

Введение

6

нений, которые также вовлекаются в процесс перераспределения 
вещества. В этом случае нельзя говорить ни о химической индивидуальности, ни о постоянстве состава образованных соединений 
тяжелый металл – почвенный компонент. Это связано в первую 
очередь с тем, что основные почвенные компоненты, влияющие 
на поведение тяжелых металлов в почвах (органическое вещество, глинистые минералы, оксиды/гидроксиды Fe, Mn), часто сами 
имеют непостоянный состав, меняющийся в зависимости от условий почвообразования. Многокомпонентный состав почвы и энергетическая неоднородность почвенного поглощающего комплекса 
мешают точному определению химическими методами количества ионов тяжелых металлов, связанных с конкретными почвенными компонентами из-за возможного наличия в почве реакционных 
центров, близких по своей энергии, но относящихся к разным почвенным компонентам [Ладонин, 2016; Минкина и др., 2009].
Использование синхротронного излучения дало возможность 
применять качественно новые методы исследования окружающей 
среды. В частности, особо важным вопросом является изучение 
биогенных веществ и загрязняющих веществ, оказывающих опасное воздействие на среду. Различные методы, в основе которых лежит использование синхротронного излучения, дают возможность 
проводить исследования образцов почв и растений in situ на молекулярном уровне. В настоящее время такие методы имеют ряд существенных преимуществ с точки зрения чувствительности, пространственного разрешения и простой пробоподготовки образцов. 
Цель настоящего пособия – дать представление о синхротронном излучении. Проанализировать некоторые методы исследований на основе синхротронного излучения, в частности рентгеновского по глощения, флуоресценции и дифракции. Продемонстрировать на конкретных примерах исследования растений, почв и 
ризо сферы с применением методов синхротронного излучения. 
Обозначить текущие возможности и перспективы методов синхротронного излучения.
С использованием синхротронной техники третьего поколения 
в исследовании растительных и почвенных объектов открылись 
совершенно новые перспективы. Начиная с 1994 г. удалось установить в почвах состав и количество доминирующих фаз-носителей 

Введение

тяжелых металлов и металлоидов, в первую очередь свинца, цинка, меди, никеля, ртути, мышьяка и др. Обнаружение некоторых 
форм оказалось неожиданным, оно никак не следовало из результатов химического анализа почв. В то же время некоторые ожидаемые формы тяжелых металлов обнаружены не были.
Данные, полученные на базе рентгеновского синхротронного 
излучения, можно использовать для корректировки схем химического фракционирования тяжелых металлов, что позволит лучше использовать этот простой и доступный метод. 

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ 
СИНХРОТРОННОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1.1. Техника и параметры синхротронного излучения

В последние десятилетия XX в. интеграция естественных наук 
затронула и физические методы. Единый подход к генерированию 
электромагнитного излучения разных спектральных диапазонов 
основан на одном из базовых принципов электродинамики: электромагнитное излучение возникает при ускоренном движении заряженных частиц. В частности, электроны или позитроны, движущиеся по искривленной орбите в постоянном магнитном поле со 
скоростью, близкой к скорости света, порождают потоки фотонов в 
широком диапазоне энергий – синхротронное излучение (СИ).
Мощными источниками СИ служат ускорители элементарных 
заряженных частиц (как правило, электронов или позитронов), 
работающие в стационарном режиме накопительного кольца. В таких крупномасштабных установках ультрарелятивистские частицы, двигаясь по замкнутой орбите в вакуумной камере накопительного кольца диаметром в несколько десятков метров (а иногда 
в сотни метров) со скоростью, близкой к скорости света, испускают исключительно интенсивное электромагнитное излучение с непрерывным спектром от дальнего инфракрасного до жесткого рентгеновского. Энергии электронов в ускорителях могут достигать 
нескольких гигаэлектронвольт [Зубавичус, Словохотов, 2001; Ковальчук и др., 2013] (рис. 1). 
Вокруг современных источников СИ формируются синхротронные центры коллективного пользования. В таких центрах 
размещается до нескольких десятков исследовательских установок – станций, использующих электромагнитное излучение. Многие экспериментальные станции действуют непрерывно, на них 
посменно работают специалисты в различных отраслях знания. 
Благодаря своим уникальным характеристикам синхротронное 
излучение стало универсальным инструментом для проведения 
широкого круга междисциплинарных исследований.

1.1. Техника и параметры синхротронного излучения

9

Рис. 1. Яркость различных источников

Достоинством источников СИ является их экологическая безопасность в отличие от ядерных реакторов, которые являются источниками нейтронов (рис. 2).
В настоящее время в мире работает около 40 источников СИ и 
ведется строительство более 10 новых источников. В России постоянно действует три синхротронных центра (два – в Новосибирске и 
один – в Москве) и строятся еще два. 
В современных синхротронных центрах представлены все основные методы, использующие электромагнитное излучение. 
К наиболее важным и широко применяемым инструментальным 
рентгеновским методам относят методы рентгеновской микрофлуо ресценции (μXRF), рентгеновской микродифракции (μXRD) и 
рентгеноструктурного анализа (XAS), последний включает анализ 
ближней тонкой структуры рентгеновского поглощения (XANES) 
и расширенный анализ тонкой структуры рентгеновского поглощения (EXAFS).
В отличие от традиционных источников рентгеновского излучения – рентгеновских трубок, СИ имеет ряд значительных преимуществ. Интенсивность СИ в рентгеновском диапазоне на несколько 
порядков выше, чем интенсивность излучения самых современ

Глава 1. Основные методы синхротронного рентгеновского излучения

10

ных и мощных рентгеновских трубок с вращающимся анодом. 
Это позволяет сократить время эксперимента. Значительная часть 
энергии, излучаемой рентгеновской трубкой, приходится на узкий спектральный диапазон, а высокая интенсивность пучка СИ 
непрерывно распределена во всем рентгеновском диапазоне. 

Рис. 2. Синхротронные центры

СИ – это высокополяризованное излучение, которое может быть 
линейным, круговым или эллиптическим. Применение источников СИ, имеющего непрерывный спектр высокой интенсивности, 
причем являющегося коллимированным и поляризованным, позволило перейти на новый уровень проведения рентгеноспектраль

1.1. Техника и параметры синхротронного излучения

11

ных исследований, как в плане качества получаемых спектров 
(чрезвычайно высокое отношение сигнал – фон, и хорошая статистика), так и в плане скорости регистрации спектра – применение 
специального оборудования позволяет довести время регистрации 
всего спектра до 1–2 секунд, что позволяет, например, проводить 
исследование зависящих от времени процессов в веществе (фазовые переходы, химические реакции и др.). 
На рис. 3 показана одна из возможных схем экспериментальной 
установки для получения рентгеновских спектров поглощения с 
использованием CИ, основными компонентами которой являются источник излучения, диспергирующий элемент (кристалл или 
дифракционная решетка) и регистрирующее устройство. Выбрать 
интересующий диапазон излучения можно используя различные 
типы монохроматоров. Рентгеновский монохроматор – прибор для 
разложения излучения в спектр и его регистрации после поглощения части излучения в исследуемом образце. В низкоэнергетической области рентгеновского спектра применяют монохроматоры с 
дифракционными решетками, в области больших энергий используют кристаллические монохроматоры [Зубавичус, Словохотов, 
2001; Lombi, Susini, 2009]. 

Рис. 3. Типовая ультрасовременная схема микроанализатора канала синхротронного излучения, обеспечивающая одновременный доступ к различным каналам 
[Lombi, Susini, 2009]