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The project “Intelligence for Soil” (I4S) aims at the design of an integrated system for improvement of soil functions and fertilizer recommendations. This system is composed by different sensors that will provide a detailed assessment of soil properties and processes, which are prerequisites for a site-specific, resource-saving and ecofriendly soil management, considering the soil as a sustainable resource for the bioeconomy. One of these sensors will be an energy-dispersive X-Ray Fluorescence spectrometer. It is a non-destructive technique suitable for in-situ measurements due to a minimum sample preparation and it allows fast multielement analyses. In this work, an automatic system has been developed using a handheld equipment from Olympus (Vanta C series). A polypropylene (PP) film was used to protect the measuring window of the device from dust and possible cross-contamination. To control the stepper motor that unrolls the PP film, a microcontroller was used to ensure that a piece of clean PP is in front of the measuring window for each new analysis.
Preliminary calibration studies using pre-defined methods, Geochem and Soil Methods, were performed with the following Certified Reference Materials (CRMs): NRC Till 1-3, NIST 2710, BAM U110, ERM CC141, BCR 142R, IAEA Soil 7. The CRMs were measured 10 times at different spots. The spot size was 10 mm in diameter, irradiation time was 60 ? s. The averaged data from X ray characteristic emission line intensities for Al, P, Si, Ca, Fe, Mn, Zn, Cu and Ni Kα were in close agreement with certified mass fraction data. The linear correlation coefficients (r) ranged from 0.852 for P to 0.999 for Mn. A second round of calibration studies were performed with the following CRMs: GBW07402, GBW 07405, NCS DC 73023, NCS DC 73030, NCS DC 85109, NCS DC 87104, NIST 1646a, NIST 2704, NIST 2710, NRC Till 1-3, VS 2498-83, and the same pre-defined methods and experimental parameters were employed. The results of the 13 CRMs were now compared with the values obtained by a validated WDXRF method. The linear correlation coefficients (r) ranged from 0.998 for Ca to 0.999 for Zn. Other elements such as S, K and Ti can also be properly determined, but validation still requires more robust calibration models.
Further calibration studies will be performed in order to circumvent matrix effects and to guarantee reliable results. Besides that, the automatic system will be placed on a mobile sensor platform and the system will be tested in the field. A guidance for on site-specific fertilization integrating the results obtained from different sensors placed on the platform is expected.
Im Rahmen der vom Bundesministerium für Bildung und -forschung geförderten Forschungsinitiative „BonaRes – Boden als nachhaltige Ressource der Bioökonomie“ soll sich das Teilprojekt „I4S – integrated system for site-specific soil fertility management“ der Entwicklung eines integrierten Systems zum ortsspezifischen Management der Bodenfruchtbarkeit widmen. Hierfür ist eine Messplattform zur Bestimmung relevanter Bodeneigenschaften und der quantitativen Analyse ausgewählter Makro- und Mikronährstoffe geplant. In der ersten Phase dieses Projekts liegt das Hauptaugenmerk auf der Kalibrierung und Validierung der verschiedenen Sensoren auf die Matrix Boden, der Probennahme auf dem Acker und der Planung sowie dem Aufbau der Messplattform. Auf dieser Plattform sollen in der zweiten Phase des Projektes die verschiedenen Bodensensoren installiert, sowie Modelle und Entscheidungsalgorithmen zur Steuerung der Düngung und dementsprechend Verbesserung der Bodenfunktionen erstellt werden.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Grundlagenuntersuchung und Entwicklung einer robusten Online-Analyse mittels Energie-dispersiver Röntgenfluoreszenzspektroskopie (EDRFA) zur Quantifizierung ausgewählter Makro- und Mikronährstoffe in Böden für eine kostengünstige und flächendeckende Kartierung von Ackerflächen. Für die Entwicklung eines Online-Verfahrens wurde ein dem Stand der Technik entsprechender Röntgenfluoreszenzmesskopf in Betrieb genommen und die dazugehörigen Geräteparameter auf die Matrix Boden optimiert. Die Bestimmung der analytischen Qualitäts-merkmale wie Präzision und Nachweisgrenzen fand für eine Auswahl an Nährelementen von Aluminium bis Zink statt. Um eine möglichst Matrix-angepasste Kalibrierung zu erhalten, wurde sowohl mit zertifizierten Referenzmaterialien (CRM), als auch mit Ackerböden kalibriert. Da einer der größten Nachteile der Röntgenfluoreszenzanalyse die Beeinflussung durch Matrixeffekte ist, wurde neben der klassischen univariaten Datenauswertung auch die chemometrische multivariate Methode der Partial Least Squares Regression (PLSR) eingesetzt. Die PLSR bietet dabei den Vorteil, Matrixeffekte auszugleichen, wodurch robustere Kalibriermodelle erhalten werden können. Zusätzlich wurde eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) durchgeführt, um Gemeinsamkeiten und Ausreißer innerhalb des Probensets zu identifizieren. Es zeigte sich, dass eine Klassifizierung der Böden anhand ihrer Textur Sand, Schluff, Lehm und Ton möglich ist.
Aufbauend auf den Ergebnissen idealer Bodenproben (zu Tabletten gepresste luftgetrocknete Proben mit Korngrößen < 0,5 mm) wurde im Verlauf dieser Arbeit die Probenvorbereitung immer weiter reduziert und der Einfluss verschiedener Kenngrößen untersucht. Diese Einflussfaktoren können die Dichte und die Homogenität der Probe, sowie Korngrößeneffekte und die Feuchtigkeit sein. Anhand des RMSE (Wurzel der mittleren Fehlerquadratsumme) und unter Berücksichtigung der Residuen werden die jeweils erstellten Kalibriermodelle miteinander verglichen. Um die Güte der Modelle zu bewerten, wurden diese mit einem Testset validiert. Hierfür standen 662 Bodenproben von 15 verschiedenen Standorten in Deutschland zur Verfügung. Da die Ergebnisse an gepressten Tabletten für die Elemente Al, Si, K, Ca, Ti, Mn, Fe und Zn den Anforderungen für eine spätere Online-Analyse entsprechen, wurden im weiteren Verlauf dieser Arbeit Kalibriermodelle mit losen Bodenproben erstellt. Auch hier konnten gute Ergebnisse durch ausreichende Nachweisgrenzen und eine niedrige gemittelte Messabweichung bei der Vorhersage unbekannter Testproben erzielt werden. Es zeigte sich, dass die Vorhersagefähigkeit mit der multivariaten PLSR besser ist als mit der univariaten Datenauswertung, insbesondere für die Elemente Mn und Zn.
Der untersuchte Einfluss der Feuchtigkeit und der Korngrößen auf die Quantifizierung der Elementgehalte war vor allem bei leichteren Elementen deutlich zu sehen. Es konnte schließlich eine multivariate Kalibrierung unter Berücksichtigung dieser Faktoren für die Elemente Al bis Zn erstellt werden, so dass ein Einsatz an Böden auf dem Acker möglich sein sollte. Eine höhere Messunsicherheit muss dabei einkalkuliert werden. Für eine spätere Probennahme auf dem Feld wurde zudem der Unterschied zwischen statischen und dynamischen Messungen betrachtet, wobei sich zeigte, dass beide Varianten genutzt werden können. Zum Abschluss wurde der hier eingesetzte Sensor mit einem kommerziell erhältlichen Hand-Gerät auf sein Quantifizierungspotential hin verglichen. Der Sensor weist anhand seiner Ergebnisse ein großes Potential als Online-Sensor für die Messplattform auf. Die Ergebnisse unter Laborbedingungen zeigen, dass eine robuste Analyse Ackerböden unter Berücksichtigung der Einflussfaktoren möglich ist.
Gold is one of the seven metals already known in antiquity and was used from time immemorial as a medium of exchange and for the production of jewelry because of its luster and rarity. In addition, it is easy to work and largely resistant to chemical influences. Investigations of gold using synchrotron radiation excited X-ray fluorescence analysis are non-destructive and provide information about the chemical elements present in the sample under investigation. The investigations presented here at BAMline focus on questions such as the origin, manufacturing process, and association of gold findings. The different questions are explained by a number of examples ranging from the Viking treasure from Hiddensee to the Nebra Sky Disk and finds from Egypt. The find from Bernstorf is discussed in detail. A Bayesian treatment of the authenticity is shown.