土壤中磷的同步辐射X射线吸收近边结构谱测量方法研究

Identifying phosphorus speciation in soils is a hotspot in research field of environment science. Synchrotron radiation-based X-ray absorption near edge structure(XANES) spectroscopy has become one of the frontier technologies for characterizing the speciation of phosphorus in soil and clarifying the microscopic mechanisms of chemical reactions. In order to improve the signal-to-noise of the K-edge XANES spectra of phosphorus in soils, research of a new method of measuring absorption spectroscopy will be performed at the experimental station of beamline 4B7A in Beijing Synchrotron Radiation Facility, which will increase accuracy of the relative concentration of the obtained phosphorus speciation in soils. This research mainly include which kind of crystal and detector will be chosen in detection system based on wavelength-dispersive spectroscopy, the design of motion mechanism and its adjust, the mode of data acquisition, the analysis of data quality of the absorption spectra, and how the attenuators is used in conventional measurement mode of absorption spectrum etc. A feasible and practical method will be constructed utilizing wavelength-dispersive technique to measure the K-edge XANES spectra of phosphorus in soils, which can solve the problem of the poor quality of K-edge XANES spectra measured using energy-dispersive detector of phosphorus in soils and consummate the analysis method of identifying phosphorus speciation in soils, and explorer the reason of different of phosphorus speciation and its concentration in soils of different region in domestic. This project has significant meaning for revealing the distribution law of phosphorus compounds in various domestic soils.

识别土壤中的各种含磷化合物形态是环境科学研究领域的热点，同步辐射XANES技术是表征土壤中含磷化合物形态和阐明化学反应微观机制的前沿技术之一。本项目拟在北京同步辐射装置4B7A光束线的中能谱学实验站开展土壤样品中磷的K边XANES谱测量方法研究，提高XANES谱的信噪比，以提高土壤样品中含磷化合物种类的相对含量的测量精度。主要包括波长色散探测系统中晶体和探测器的选择及其调节和运动机构设计、数据获取模式研究、吸收谱实验数据质量分析以及衰减片在常规吸收谱测量模式中的选用方法研究等内容。建立一种采用波长色散技术测量土壤中磷的K边荧光吸收谱的实用方法，解决采用能量色散型探测器获得的土壤样品中磷的K边XANES谱数据质量不高的问题，完善土壤中磷化合物种类鉴别的分析方法，探索国内不同地区的土壤中含磷化合物的种类和含量不同的原因。该项研究对揭示国内各种土壤中磷化合物种类的分布规律具有重要意义。

识别土壤中的各种含磷化合物形态是环境科学研究领域的热点，同步辐射X射线近边吸收谱（XANES）技术是表征土壤中含磷化合物形态和阐明其形态转化机制的前沿技术之一。虽然过去十多年使用XANES分析方法分析土壤中磷的化合物种类的报道逐渐增多，但是很多文献给出的XANES谱数据质量不高，较差的信噪比直接影响土壤中磷化合物的种类及其相对比例的分析准确度。如何将XANES分析技术较好的应用到诸如农田土壤等磷含量较低的样品中是该技术所面临的一个挑战。为了改善这种状况，本项目在北京同步辐射装置4B7A光束线的中能谱学实验站开展土壤样品中磷的K边XANES谱测量方法研究。首先研究了基于波长色散技术的K边XANES吸收谱测量方法，根据现有光束线和实验站边界条件，研制出晶体、X射线聚焦装置、探测器及其调节和运动机构组成的波长色散探测器系统，编写了该系统的控制软件并集成到现有的光束线控制及数据采集软件中，并成功实现了土壤中P元素的吸收谱测量。接着研究了该系统的两种数据采集模式：晶体扫描和固定角度，实验过程表明晶体固定角度模式是实用的。对于常规的使用SDD探测器直接获取土壤中磷的K边XANES谱方法，研究了三种聚合物衰减片（聚丙烯、聚酰亚胺和聚酯）对土壤样品的吸收谱测量的影响，通过理论模拟和实验，结果表明聚合物材料类型对测量无影响，厚度选择与土壤样品中的P元素的含量以及探测器性能有直接关系。最后分析了基于波长色散技术的XANES测量方法与常规的XANES测量方法获得的土壤中磷的吸收谱数据，比较结果表明当前光源水平下，常规方法有较好的信噪比，但是对于使用波荡器的第三代及以上光源，基于波长色散技术的吸收谱测量方法的准确度会更高。此外，研制的基于波长色散技术的XANES谱测量装置可应用于磷素吸附剂研究上。综上，该项目为农田系统磷素循环和流失研究以及吸附剂吸附磷素的机理研究提供了强有力的分析方法，对生态环境污染控制研究领域具有重要推动作用。