Инструментальные методы исследования почв и растений

Новосибирский государственный аграрный университет

Агрономический факультет

Сибирский НИИ земледелия и химизации 
сельского хозяйства Россельхозакадемии

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ 

ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЧВ И РАСТЕНИЙ

Учебно-методическое пособие

Новосибирск 2013

УДК 631.4 + 633 (075)
ББК 40.3:41, я 73
И 725

Кафедра почвоведения, агрохимии и земледелия

Составители: д-р с.-х. наук, проф. Н. В. Семендяева;
 
канд. с.-х. наук, доц. Л. П. Галеева;

 
канд. с.-х. наук, проф. А. Н. Мармулев

 Рецензент канд. биол. наук Г. И. Ткаченко (СибНИИЗиХ Россельхозакадемии)

Инструментальные методы исследования почв и растений: 

учеб.-метод. пособие / Новосиб. гос. аграр. ун-т. Агроном. фак. – СибНИИЗиХ Россельхозакадемии; сост.: Н. В. Семендяева, Л.П, Галеева, 
А. Н. Мармулев. – Новосибирск: Изд-во НГАУ, 2013. – 116 с.

ISBN 5–94477–021- X

Учебно-методическое пособие разработано для выполнения ла
бораторно-практических и самостоятельных работ студентов очной 
формы обучения по направлениям подготовки 110400 – Агрономия, 
110100 – Агрохимия и почвоведение, квалификация (степень) магистр, а также для специалистов агрохимцентров.

Утверждено и рекомендовано к изданию методической комисси
ей агрономического факультета (протокол № 7 от 19 июня 2012 г.)

ISBN 5–94477–021- X  
© Новосибирский государственный 

                                                                      аграрный университет, 2013

ВВЕДЕНИЕ

Изучение предмета «Инструментальные методы ис
следования почв и растений» необходимо магистрам 
для методологического обеспечения агрохимических 
исследований почв и растений по широкому набору показателей. Он позволит более подробно познакомиться 
с новыми современными инструментальными методами 
анализа, нашедшими повсеместное применение в практике почвенных и агрохимических исследований.

В процессе освоения курса «Инструментальные ме
тоды исследования почв и растений» магистрант должен 
формировать следующие общекультурные компетенции (ОК): 1) способность к самостоятельному обучению 
новым методам исследования, к изучению научного 
и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности (ОК-2); 2) способность к профессиональной эксплуатации современного оборудования 
и приборов (в соответствии с целями ООП магистратуры) (ОК-7).

Изучение данного курса позволит магистранту осво
ить следующие профессиональные компетенции (ПК): 
1) владение методами оценки состояния агрофитоценозов и приёмами коррекции технологий возделывания 
сельскохозяйственных культур в различных погодных 
условиях (ПК-2); 2) способность использовать инновационные процессы в агропромышленном комплексе при 
проектировании и реализации экологически безопасных и экономически эффективных технологий производства продукции растениеводства и воспроизводства 
плодородия почв различных агроландшафтов (ПК-6); 3) 
способность самостоятельно организовать и провести 
научные исследования с использованием современных 
методов анализа почвенных и растительных образцов 

(ПК-11); 4) готовность составлять практические рекомендации по использованию результатов научных исследований (ПК-12).

Наибольший интерес в этом направлении представ
ляют спектроскопические методы анализа, особенно 
атомно-абсорбционная спектрофотометрия и спектроскопия в ближней инфракрасной (ИК) области.

В НИИ и вузах широко применяются поляриметри
ческие, 
ионометрические, 
рентгенофлуоресцентные, 

атомно-эмиссионные, нейтронно-активационные, хроматографические методы анализа почв, удобрений и растений. Поэтому важно знать принципы и особенности 
инструментальных методов анализа.

В данном пособии представлены инструментальные 

методы исследования, наиболее часто применяемые 
в настоящее время в почвоведении и агрохимии:

1. Спектроскопический (оптический).
2. Поляриметрический.
3. Ионометрический.
4. Рентгенофлуоресцентный.
5. Атомно-эмиссионный с использованием индуктив
но связанной аргоновой плазмы.

6. Нейтронно-активационный.
7. Метод сухого сжигания образцов в высокотемпера
турной печи.

8. Хроматографический.

1. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ 

(ОПТИЧЕСКИЕ) МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Они основаны на взаимодействии анализируемого 

вещества с электромагнитным излучением. По размеру 
используемых длин волн различают следующие разновидности методов оптической спектроскопии:

1) ультрафиолетовая (180–400 нм);
2) спектроскопия в видимой области (400–700 нм);
3) спектроскопия в ближней (обертонной) инфра
красной области (740–2500 нм);

4) инфракрасная спектроскопия в основной области 

(2500–20000 нм).

Взаимодействие вещества с электромагнитным из
лучением сопровождается различными явлениями, наиболее важными из которых для современного аналитического применения являются испускание, поглощение, 
отражение, рассеивание, преломление, вращение плоскости поляризации излучения.

В зависимости от использования того или иного яв
ления оптические методы анализа делятся на следующие 
группы:

1. Методы, основанные на поглощении (адсорб
ции) веществом электромагнитного излучения (спектрофотометрия, фотометрия, атомно-адсорбционный 
метод).

2. Эмиссионные методы, в основе которых лежит 

способность вещества испускать электромагнитные 
волны под действием дополнительной энергии. В зависимости от формы возбуждения атомов эмиссионные 
методы делятся на фотометрию пламени, эмиссионный 
спектральный анализ, атомно-флуоресцентный, люминесцентный, атомно-эмиссионный с индуктивно связанной аргоновой плазмой.

3. Рефрактометрический метод анализа, основан
ный на изменении величины показателя преломления 
света при переходе из одной прозрачной среды в другую.

4. Поляриметрический метод, в котором исполь
зуют способность оптически активных веществ вращать 
плоскость поляризации поляризованного луча света.

1.1. Спектрофотометрия

Теория вопроса, значение, принцип метода. Спек
троскопию в видимой и УФ (ультрафиолетовой, 180–400 
нм) области принято называть спектрофотометрией. 
Она основана главным образом на изменении поглощения веществом монохроматических излучений. Сложная 
кривая зависимости светопоглощения от длины волны
называется спектром поглощения вещества. В практике спектрофотометрии используют различные химические реакции, приводящие к образованию соединений, 
обладающих сравнительно большими поглощающими 
свойствами. Чаще всего используют реакции комплексообразования. Количественные закономерности поглощения веществом электромагнитного излучения 
подчиняются закону Бугера – Ламберта – Бера, который 
выражается уравнением

D = ε · С · L ,

где D –  оптическая плотность, которая представляет со
бой логарифм отношения L0 (интенсивность падающего потока излучения) к L (толщина поглощающего слоя (L0 / L);

 
ε –  молярный коэффициент поглощения (численно 

равен оптической плотности раствора с концентрацией 1 моль/л при толщине поглощающего 
слоя 1 см);

С – молярная концентрация компонента.

Оптическая плотность прямо пропорциональна кон
центрации вещества в растворе и толщине поглощающего слоя. Графически эта зависимость выражается прямой 
линией, называемой градуировочной прямой. Поведение 
светопоглощающих систем подчиняется закону Бугера – 
Ламберта – Бера только при монохроматичности излучения и отсутствии химических изменений в поглощающей системе.

Приборы для измерения светопоглощения. Они 

должны выполнять две задачи:

1) разложение полихроматического света и выделе
ние нужного интервала длины волн;

2) измерение поглощения света веществом.
Каждый абсорбционный прибор состоит из:
– источника излучения;
– устройства для выделения нужного интервала длин 

волн;

– кюветного отделения, детектора, индикатора сиг
нала.

Источники излучения. В качестве источника излуче
ния используют лампы накаливания, испускающие непрерывное излучение. В ближней УФ-, видимой и ближней 
ИК-областях – это вольфрамовые лампы, в УФ-области – 
водородные, дейтериевые, ксеноновые. Для калибровки 
спектрофотометров используют ртутную лампу.

Светофильтры и монохроматоры необходимы для 

выделения из потока излучения достаточного узкого 
спектрального интервала. Каждый светофильтр характеризуется величиной λ (максимум пропускания) и полушириной пропускания. Чем меньше абсолютная величина полуширины пропускания, тем более узкий участок 
спектра можно выделить светофильтром. Цвет светофильтра, как правило, совпадает с участком выделяемого 
спектра.

Светофильтр для работы выбирают таким образом, 

чтобы выделить область спектра, которую наиболее полно поглощает исследуемое вещество. Светофильтр подбирают следующим образом:

1) готовят два раствора исследуемого вещества с та
ким расчётом, чтобы концентрация их немного различалась;

2) оба раствора поочерёдно колориметрируют с раз
ными светофильтрами;

3) светофильтр, при котором разность в отсчётах по
глощения будет наибольшая, выбирают для дальнейшей 
работы.

Светофильтры не обеспечивают высокой монохрома
тизации излучения. Поэтому используют приборы с монохроматорами, которые позволяют разложить непрерывное излучение на монохроматические составляющие 
при помощи линз или дифракционных решеток.

Кюветы. В спектроскопии измеряют не абсолютное 

значение оптической плотности, а разность оптической 
плотности исследуемого раствора и раствора сравнения. 
Кювету с исследуемым раствором называют рабочей, 
а с раствором сравнения – кюветой сравнения. Кюветы 
бывают различной формы и различной ширины поглощающего слоя (от 0,2 до 100 мм). Точная ширина поглощающего слоя обозначена на рабочей грани кюветы. 
В приборе кювету располагают таким образом, чтобы её 
рабочая грань была перпендикулярна направлению потока излучения.

Для фотометрирования растворов в видимой области 

спектра используют кюветы из шлифованного оптического стекла, а для работы в ультрафиолетовой области – 
из шлифованного кварца.

Детекторы. Для детектирования излучения приме
няют устройства, основанные на явлении фотоэффекта – 

фотоэлементы. Основной закон фотоэффекта установил А. Г. Столетов: величина тока, протекающего в цепи 
фотоэлемента, т. е. интенсивность фотоэффекта, пропорциональна интенсивности освещения.

Типы фотоэлементов. Фотоэлементы могут обеспе
чивать регистрацию излучения в пределах от ближней 
ультрафиолетовой области спектра до ближней инфракрасной и должны отвечать следующим требованиям:

1) способствовать пропорциональности фототока ос
вещённости, которая наблюдается в ограниченных пределах: чем шире эти пределы, тем выше качество фотоэлементов;

2) иметь интегральную чувствительность;
3) обладать спектральной характеристикой (спек
тральная чувствительность) – селективный эффект – избирательная чувствительность фотоэлементов к лучам 
света с различной длиной волны;

4) обеспечивать устойчивую работу во времени, ха
рактеризующуюся терминами старение и утомляемость 
(постепенное снижение чувствительности в течение времени, т. е. старение, которое необратимо).

Поэтому перед началом работы с фотоэлектрически
ми фотометрами рекомендуется осветить фотоэлемент 
вхолостую и только примерно через 10 мин начать измерение. В период бездействия чувствительность фотоэлементов восстанавливается;

5) иметь зависимость величины фототока от темпе
ратуры, так называемый температурный коэффициент 
фотоэлемента. Наименьший температурный коэффициент имеют сурьмяно-цезиевые фотоэлементы вакуумного 
типа, а у селеновых он довольно высок.

Фотоэлементы разных типов имеют максимумы чув
ствительности в разных областях спектра падающего на 
них света.

Например, сурьмяно-цезиевые фотоэлементы чув
ствительны преимущественно к сине-зелёным лучам 
света; селеновые фотоэлементы имеют максимум чувствительности к жёлто-зелёной части спектра, которая 
очень близка распределению чувствительности человеческого глаза. Серно-серебряные фотоэлементы имеют 
максимум чувствительности в инфракрасной области 
спектра.

В качестве индикаторов сигнала используют гальва
нометры или миллиамперметры.

В зависимости от способа измерения различают одно
и двухлучевые приборы, от способа монохроматизации – 
фотоэлектроколориметры и спектрофотометры.

Фотоэлектроколориметры имеют простую кон
струкцию и их чаще используют для выполнения серийных анализов.

1.1.1. Двухлучевые приборы

В них излучение от источника разделяется на два 

потока. Один проходит через анализируемый раствор, 
другой – через раствор сравнения, при этом сигнал регистрируется компенсационным методом. Изменяющаяся 
диафрагма связана с барабаном, на который нанесены 
соответствующие шкалы в единицах пропускания или 
оптической плотности. Примером могут служить фотоэлектроколориметры ФЭК 56М (рис. 1) и ФЭК-60.

Принцип и порядок работы ФЭК-56М. Свет, прой
дя через фильтр, попадает на призму, которая делит пучок на два. Левый и правый пучки света проходят конденсорные линзы и при помощи зеркал параллельно 
направляются на кюветы, далее они проходят щелевые 
диафрагмы и попадают на приёмники световой энергии, 
соединённые по дифференциальной схеме с микроамперметром или любым другим нуль-инструментом. При