Eszmefuttatás nemzetközi kitekintés alapján
A termőtalajok felgyorsult kimerülése, pusztulása új megvilágításba helyezte a talajtan és mezőgazdálkodás kapcsolatát az anyagvizsgálattal, főként az ásványtannal. A szükség valós, hogy részleteiben ismerjük a művelt talajok biológiai egyensúlyát biztosító ásványokat, a kémiai alkotókat és mindazok kapcsolatát az elő szervezetekkel. Bár minden analitikai módszer adott, hogy ezt elvégezzük, a kutatások költségvonzata – és az azonnali megtérülés elvárása – nem teszi vonzóvá a jól bevált laboratóriumi módszerek használatát. Ellenben, az átlagminták gyártásával és mintaszám csökkentésével a precíziós technológiákból is elvonja a legszükségesebb alapinformációkat, a talajösszetétel pontos ismeretét. Márpedig a gyors és pontos helyszíni vizsgálatok tárháza is elérhető, még ha bevezetése akadozik is.
Kémiai analízis
Kétséget kizáróan az egyik, ha nem a legfontosabb tulajdonság, amit a mezőgazdasági talajok esetében tudnunk kell, a kémiai elemek, azaz tápanyagok mennyisége, arányai vagy éppenséggel a hiánya, legyen szó a szervetlen vagy szerves talajalkotókról. Ha pontos és precíz képet szeretnénk ezekről kapni, az évszázados jól bevált technikákat kell alkalmaznunk, amelyek csak laboratóriumban érhetők el, és időigényes minta-előkészítést követelnek meg. Ráadásul több módszer és műszer kombinált használatát követelik meg (1. táblázat), ha a teljes szerves-szervetlen rendszer minden alkotóját meg kell ismernünk.
Vegyük például a nitrogén esetét, amelynek leggyakoribb formáit (összes N, adszorbeált N2, nitrit NO2 -1, nitrát NO3-3, ammónia NH3, ammónum NH4+) elemezni legalább 5 módszerre van szükségünk. Amennyiben külön kell megmérnünk a vízoldható, szerves és szervetlen fázisban lévő tartalmakat, úgy akár több napos minta-előkészítési és mérési sorozatokra számíthatunk. Nem meglepő tehát, ha mezőgazdasági talajvizsgálatoknál is a gyorsabb – és olcsóbb – analitikai eljárások iránt nő az igény. És az elmúlt két évtized számos olyan spektroszkópiai és elemanalitikai fejlődést hozott, amellyel akár a helyszínen is részletes eredményeket kaphatunk, megközelítve a klasszikus elemanalitika pontosságát.
Azonban nem elegendő csak a kémiai komponensek, akár elemi akár ionok, vegyületek formájában való azonosítása, azoknak anyagszerkezethez kötése is szükséges, legfőképpen a talajban lévő ásványok és szerves anyagok körében. A kalcium példáját tekintve, a talajokban gyakori nem vízoldható ásványi formái lehetnek CaCO3 (aragonit, kalcit), CaSO2 x 2H2O (gipsz), szilikátok (piroxének, földpátok) vagy oxalátok (whewellit CaC₂O₄xH₂O, weddellit CaC2O4 x 2H2O).
Tehát hasznosak lennének az olyan analitikai módszerek és műszerek, amelyek egy időben vagy egymásra épülő szakaszokban rövid idő alatt adnak válaszokat a kémiai és ásványtani összetételre. Szerencsére ma már rendelkezésre állnak ilyen megoldások, bár hétköznapi alkalmazásuk nem túl elterjedt, és sajnos sokszor hatóságilag nem támogatott és/vagy nem szabványosított.
Ásványvizsgálat, kémiai elemeket hordozó fázisok
A kémiai elemek rácsszerkezetbe való rendeződését vizsgálva merőben eltérő analitikai módszereket kell használnunk a laboratóriumi, megfelelő minta-előkészítésen alapuló méréseknek, lévén a legpontosabbak. A kristályosság, rácsszerkezet vizsgálatára a diffrakciós módszerek a legalkalmasabbak, melyek közül a laboratóriumi átlagmintán is alkalmazható a röntgen-pordiffrakció. Ennek legnagyobb előnye, hogy az azonosított ásványok és az amorf komponensek mennyiségét is precízen meg lehet határozni, hátránya természetesen a helyhez kötött használat. Bár kifejlesztésre kerültek mobil és hordozható készülékek is, a szükséges preparálás nem kifejlett, és az eredmények is elmaradnak a laboratóriumi minőségtől.
Ásványtani információt kaphatunk rezgési spektroszkópiai vizsgálatokból is, mint a Raman és Fourier transzformált infravörös spektroszkópiai (FTIR) módszerek, melyek közül ásványok pontos azonosítására a Raman kiváló, és átlagminták mennyiségi vizsgálatára is jól kalibrálható a szükséges minta-előkészítéssel. Az FTIR egy módszercsalád, melynek bizonyos típusai laboratóriumon kívül is jól használhatók, azonban direkt ásványtani információt csak a kémiai szerkezeten át kapunk, és átlagmintára való kvantitatív kalibrálása olyan akadályokba ütközik, mint a levegő páratartalma, ami okozhat vízmegkötést vagy vízelvonást az ásványoknál, ezáltal torzítva a valós összetételt.
De miért is lehet szükségünk ásványtani vizsgálatokra, ha a kémiai összetételt már megismertük? Vegyük például a kálium esetét, amely szervetlen eredeti talajásványként szilikátos formában várható: szmektitek, illit, biotit, muszkovit és mikroklin vagy ortoklász – növekvő mennyiségben és csökkenő kioldódási rátával. A teljes kálium mennyiségét még a Si : Al arány ismeretében sem tudjuk az egyes ásványok között particionálni, először is mert az illitekben változó K-tartalom van, a szmektitek pedig cserélhető kationként hordozzák. Ha a kémiai és ásványtani vizsgálatok kombinált eredménye alapján a K jelentős része a szmektitekhez kötődik, ez problémát jelez előre, az elérhető káliummennyiség csökkenésére kell számítanunk. Amennyiben a muszkovit a fő hordozó, és az illit aránya alacsony, úgy a muszkovit > illit mállás folyamatát lehet szükséges biológiailag támogatni, ami alapvetően a művelés szüneteltetését jelenti.
Kémiai szerkezet és rácsszerkezet
A legtöbbször úgy a kristályos, mint a legtöbb amorf anyag esetében a kémiai elemek jellegzetes szerkezet(ek)be rendeződnek. Ha nem is alakul ki a térrács, az ionok és atomi szomszédok közötti kölcsönhatások jól észlelhető és értelmezhető kémiai kötéseket hoznak létre. És ezek a kötések, ion- vagy atomcsoportok akkor is ismétlődni fognak az anyag szerkezetében, ha nincs jelen térrács, tehát kristályszimmetria. A vibrációs spektroszkópia módszerei közül az FTIR segítségével meg tudjuk határozni, milyen anyagtípust és milyen kötéseket tartalmaz az anyag, különbséget téve ugyanazon anyag eltérő szimmetriájú módosulatai között (polimorfia) vagy kristályos és amorf változatai között.
Mobil, hordozható és kézi készülékek
A laboratóriumi mérések pontosságát megközelítő műszerek közül a mobil labor fogalma már a 20. század közepén elterjedt, főleg az érc- és szénhidrogén-kutatások területén, a minták szállítási idejét kiküszöbölendő. Az eltelt több mint fél évszázadban a műszerek és felszerelések miniatürizálása, új módszerek bevezetése és kombinálása, a detektorok műszaki megoldásainak extrém nagy fejlődése már lehetővé teszi, hogy a laboratóriumi pontosságot (felbontás, észlelési határok, hibatartomány) a mintázás közelébe vigyük. A mobil (asztali) készülékek közé sorolhatjuk azokat, amelyeket könnyen áttelepíthetünk akár több száz kilométerre is, az installálás és kalibrálás egyszerűsége miatt.
Ma már majd’ minden készülékből találunk ilyen modellt, beleértve az elektronmikroszkópokat, XRD és XRF készülékeket, és a legtöbb spektroszkópot. A mobil készülékeknek laborszintű helyre, hálózati áramra van szüksége, a legtöbb esetben a hűtést már víz nélkül megoldják. A hordozható és kézi készülékek kategóriája jelentős mértékben átfed, gyakran nem is következetes a használatuk. Különbséget tehetünk aszerint, hogy a kézi készülékek akkumulátorról működnek, laborszerű használatuk hálózati adapterrel oldható meg. A hordozható készülékek legtöbbje hálózati áramról üzemel, de szünetmentes tápról és generátorról is, vagy akkumulátorról is működtethető. A készülékek típusai között azért érdemes különbséget tenni, mert ahogy nő a mobilitás és alkalmazási könnyedség, általában úgy veszítünk a kimutatási határokból, pontosságból, ismételhetőségből.
(kalcit és dolomit) in-situ mikroanalitikai azonosítása
Mikro(szkópos) elemés szerkezetanalízis
A folyamatos fejlesztéseknek köszönhetően már elérhetők olyan módszerek is, mint az optikai mikroszkópra szerelhető elemanalizátorok, például a lézergerjesztéssel működő LIBS. Az alapvetően tömör, inkább fémekre, oxidos anyagokra kifejlesztett módszernek nemzetközi szinten megtaláljuk a talajvizsgálatokra való alkalmazását is. A mobil laboratóriumi típusú felszerelés alkalmas a C-től történő mérésre, anyagfüggő kalibráció és minta-előkészítés után. Átlag kémiai összetétel mérésére alkalmasabbak a hordozható XRF-spektrométerek, amelyek nagyságrenddel pontosabb és megbízhatóbb eredményt adnak a kézi XRF-kompakt pisztolyoknál – utóbbiak a Na-t nem detektálják, és vizes-szerves mátrixban a Mg, detektortól függően akár az Al mérése is bizonytalan.
A hordozható Raman rendszerekkel kiegészítve egy preparátumon megszerezhetők a szükséges kémiai-ásványtani alapinformációk, a szerves komponensek tekintetében is, főként, ha a módszertant megtámogatjuk hordozható FTIR-spektroszkóppal is.
(képszélesség ~2 cm, kék színnel a kalcit, zölddel a kálium, pirossal a kén)
Bár az alkalmazások mindegyikének a nyalábátmérője milliméter körüli/alatti tartományban van, a rövid gyűjtési időnek köszönhetően (10–60 másodperc/mérés) végigpásztázható egy nagyobb átlagpreparátum az átlagösszetétel meghatározásához. Amennyiben az átlagmintát szeparáljuk szemcseméret, mágnesesség, víz-, lúg- vagy savoldhatóság, szerves frakció stb. szerint, jelentősen növelni tudjuk a kisarányú komponensek kimutatási határait.
A kolloidfrakció 200 nm mérethatárnál történő leválasztásával a szmektitek és közberétegzett agyagásványok mátrixhoz viszonyított tartalmát 1 tömeg%-ról akár 80 tömeg%-ra is növelhetjük, tehát minden nanokomponenst észlelhetünk, amit az átlagmintában nem. Ehhez a szétválasztáshoz ideálisan desztillált vizet kell használnunk, tehát a vízoldható vegyületek, elemek megtartásához be kell párolnunk a szeparátumot, vagy kinyerjük külön a szilárd és oldott anyagokat, amelyek kémiai összetételét az XRF-, a vegyületek jelenlétét az FTIR-módszerekkel meg tudjuk határozni.
A mobil labormegoldásokkal, hálózati áram biztosításával már a laboratóriumi készülékek asztali változatai is hordozható műszerekké válnak, a szerelési és áttelepülési időt leszámítva effektíven növelve a mérésre szánható időt, és javítva az eredmények mélységét, pontosságát.
SZERZŐ: DR. KRISTÁLY FERENC • MISKOLCI EGYETEM
