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Herausforderungen bei der robusten online-Bestimmung von Nährstoffen in Böden mittels eines Röntgenfluoreszenzsensors

  • Im Rahmen der vom BMBF geförderten Forschungsinitiative BonaRes werden Strategien entwickelt, um Boden als nachhaltige Ressource in der Bioökonomie zu nutzen. Das interdisziplinäre Teilprojekt I4S - „Intelligenz für den Boden“ - ist verantwortlich für die Entwicklung eines integrierten Systems zur standortspezifischen Steuerung der Bodenfruchtbarkeit. Zu diesem Zweck wird eine Plattform gebaut, auf der verschiedene Sensoren installiert sind. Echtzeitdaten werden in Modellen zusammengefasst und Entscheidungsalgorithmen werden verwendet, um die Düngung zu steuern und die Bodenfunktionen entsprechend zu verbessern. Ziel der BAM im Rahmen von I4S ist die Charakterisierung eines energiedispersiven Röntgenfluoreszenzsensors (EDXRF) zur robusten online-Bestimmung von Makro- und Mikronährstoffen im Boden. Zunächst wurde eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) durchgeführt, um Ausreißer zu identifizieren und die größte Varianz innerhalb der deutschen Bodenproben zu beobachten. Es konnte festgestelltIm Rahmen der vom BMBF geförderten Forschungsinitiative BonaRes werden Strategien entwickelt, um Boden als nachhaltige Ressource in der Bioökonomie zu nutzen. Das interdisziplinäre Teilprojekt I4S - „Intelligenz für den Boden“ - ist verantwortlich für die Entwicklung eines integrierten Systems zur standortspezifischen Steuerung der Bodenfruchtbarkeit. Zu diesem Zweck wird eine Plattform gebaut, auf der verschiedene Sensoren installiert sind. Echtzeitdaten werden in Modellen zusammengefasst und Entscheidungsalgorithmen werden verwendet, um die Düngung zu steuern und die Bodenfunktionen entsprechend zu verbessern. Ziel der BAM im Rahmen von I4S ist die Charakterisierung eines energiedispersiven Röntgenfluoreszenzsensors (EDXRF) zur robusten online-Bestimmung von Makro- und Mikronährstoffen im Boden. Zunächst wurde eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) durchgeführt, um Ausreißer zu identifizieren und die größte Varianz innerhalb der deutschen Bodenproben zu beobachten. Es konnte festgestellt werden, dass die Aufspaltung der Proben auf ihren Eisengehalt zurückzuführen ist. Da Tonproben hohe Mengen an Eisen und Sandproben geringe Mengen enthalten, war eine Klassifizierung der Proben nach ihrer Bodentextur nach VD LUFA möglich. In Anbetracht der komplexen Bodenzusammensetzung wurde eine matrixspezifische Kalibrierung durch univariate und multivariate Datenanalyse durchgeführt. Die analytischen Güteziffern zeigen, dass ein robusteres Kalibriermodell mit vernachlässigbaren Matrixeffekten durch einen multivariaten Ansatz unter Verwendung der partiellen Regression kleinster Quadrate (PLSR) erhalten werden kann. Verschiedene Faktoren können die erhaltenen Kalibriermodelle beeinflussen, wie z. B. Feuchtigkeit und Partikelgrößenverteilung, was aufgrund der späteren online-Analyse besonders wichtig ist. In ersten Studien wurde der Einfluss von Feuchtigkeit auf den Nährstoffnachweis untersucht. Mit zunehmendem Wassergehalt nehmen die charakteristischen Fluoreszenzpeaks ab und beginnen bei einem Wassergehalt von 15% wieder anzusteigen. Bei geringerem Feuchtigkeitsgehalt agglomeriert der Boden, was zu einer geringeren Packung der Probe führt, dementsprechend zu einer raueren Oberfläche, die die Signale negativ beeinflusst. Bei höherem Wassergehalt bilden sich keine Agglomerate. Dadurch kann die Probe enger gepackt werden, wodurch eine glattere Oberfläche und eine bessere Homogenität erhalten wird. Darüber hinaus führt die Partikelgrößenverteilung beim Vergleich von gemahlenen und nicht gemahlenen Proben zu signifikant höheren Unsicherheiten und niedrigeren Signalen. Beide Faktoren müssen in die chemometrische PLSR einbezogen werden, um zuverlässige Kalibrierungsmodelle für jeden Nährstoff zu erhalten.zeige mehrzeige weniger
  • As part of the BonaRes research initiative, funded by the BMBF, strategies are being developed to use soil as a sustainable resource in the bio economy. The interdisciplinary subproject I4S - “Intelligence for soil” - is responsible for the development of an integrated system for site-specific management of soil fertility. For this purpose, a platform is constructed and various sensors are installed. Real-time data will be summarised in models and decision-making algorithms will be used to control fertilisation and accordingly improve soil functions. Aim of the BAM in the frame of I4S is the characterisation of an energy-dispersive X-ray fluorescence (EDXRF) based sensor for robust Online-determination of macro and minor nutrients in soil. First a principal component analysis (PCA) was used to identify outliers and to observe the largest variance within the German soil samples. It could be monitored that splitting of the samples was due to their iron content. Given that clay samplesAs part of the BonaRes research initiative, funded by the BMBF, strategies are being developed to use soil as a sustainable resource in the bio economy. The interdisciplinary subproject I4S - “Intelligence for soil” - is responsible for the development of an integrated system for site-specific management of soil fertility. For this purpose, a platform is constructed and various sensors are installed. Real-time data will be summarised in models and decision-making algorithms will be used to control fertilisation and accordingly improve soil functions. Aim of the BAM in the frame of I4S is the characterisation of an energy-dispersive X-ray fluorescence (EDXRF) based sensor for robust Online-determination of macro and minor nutrients in soil. First a principal component analysis (PCA) was used to identify outliers and to observe the largest variance within the German soil samples. It could be monitored that splitting of the samples was due to their iron content. Given that clay samples contain high amounts of iron and sandy samples low amounts, a classification of the samples by their soil texture according to VD LUFA was possible. Considering the complex composition of soil, a matrix-specific calibration was carried out by univariate and multivariate data analysis. The figures of merit demonstrated that a more robust calibration model with negligible matrix effects can be obtained by a multivariate approach using partial least squares regression (PLSR). Different factors can affect the received calibration models such as moisture and particle size distribution which is especially important due to later Online-analysis. In first studies the influence of moisture on the detection of nutrients was investigated. With increasing water content, the characteristic fluorescence peaks decrease and start to increase again at a water content of 15%. With lower moisture content the soil agglomerates which leads to lower packing of the sample, resulting in a rougher surface which negatively influence the signals. Whereas, agglomerates are not formed at higher water content. This allows the sample to be packed more tightly thus a smoother surface and a better homogeneity is obtained. Furthermore, particle size distribution leads to significantly higher uncertainties and lower signals when comparing grounded and not grounded samples. Both factors must be included in the chemometric PLSR to obtain robust calibration models for each nutrient.zeige mehrzeige weniger

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Metadaten
Autor*innen:Dominique Büchele
Koautor*innen:Madlen Chao, Markus OstermannORCiD, Ilko Bald
Dokumenttyp:Vortrag
Veröffentlichungsform:Präsentation
Sprache:Deutsch
Jahr der Erstveröffentlichung:2019
Organisationseinheit der BAM:1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien
1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien / 1.4 Prozessanalytik
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
Freie Schlagwörter:Boden; PLSR; RFA
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Umwelt
Umwelt / Circular Economy
Veranstaltung:AK Prozessanalytik - Doktorandenseminar
Veranstaltungsort:Berlin, Germany
Beginndatum der Veranstaltung:18.03.2019
Enddatum der Veranstaltung:20.03.2019
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei im Netzwerk der BAM verfügbar ("Closed Access")
Datum der Freischaltung:24.06.2019
Referierte Publikation:Nein
Eingeladener Vortrag:Nein
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