CN101672809B

CN101672809B - 一种土壤中金属元素的测量方法及装置

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Publication number: CN101672809B
Application number: CN2009101020020A
Authority: CN
Inventors: 王宏; 夏阿林; 郭生良
Original assignee: Focused Photonics Hangzhou Inc
Current assignee: Focused Photonics Hangzhou Inc
Priority date: 2009-08-20
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2029-08-20
Also published as: CN101672809A

Abstract

本发明公开了一种土壤中金属元素的测量方法，包括以下步骤：a、操作人员携带便携式土壤金属分析仪和土壤湿度传感器至待测土壤，将所述分析仪放置在土壤待测点上；b、光源发出的X射线照射在待测土壤上，探测器接收待测土壤发出的X射线荧光，经处理后得到待测土壤中待测金属元素的浓度C’；c、操作人员取回测量装置；上述测量步骤还包括湿度校正过程，即：处理单元根据浓度C’、湿度H、C＝F(C′，H)得到待测金属元素的校正浓度C；所述湿度校正过程在步骤b或c中进行。本发明还公开了一种土壤中金属元素的测量装置。本发明具有操作简便快捷、操作方式灵活多样、测量准确性高及应用范围广等优点，可广泛应用在土壤中金属元素的测量中。

Description

一种土壤中金属元素的测量方法及装置

技术领域

本发明涉及金属测量，特别涉及土壤中金属元素的测量方法及装置。

背景技术

近年来，由于人口急剧增长，工业迅猛发展，固体废物不断向土壤表面堆放和倾倒，有害废水不断向土壤中渗透，大气中的有害气体及飘尘也不断随雨水降落在土壤中，导致了土壤污染。土壤污染直接影响土壤生态系统的结构和功能，最后将对生态安全和人们的健康构成威胁。

土壤污染从产生污染到出现问题通常会滞后较长时间，因此，土壤污染问题不太容易被重视。防治土壤污染一般是以“预防为主”，这就需要对环境土壤污染进行评估调查，而重金属的检测又是评估调查的重要部分，受到世界各国环保部门的高度重视。

X射线荧光(XRF)技术作为一种无损的多元素分析技术，操作简单、快速，在土壤中金属元素的测量中得到了广泛的应用。

随着技术的进步，市场上已经出现了小型的便携式XRF仪器，该类型仪器操作简单，携带方便。便携式XRF仪器用于环境(如空气，水，土壤等)方面的现场污染检测具有很大的优势，无需进行样品制备，并能够快速有效的进行多元素分析，从而做出全面的污染评估。

但在利用X射线荧光仪器进行土壤中金属元素的测量时，湿度对测量有着显著的影响，而且湿度越大，对目标元素特征X射线以及散射射线的影响越大。如，某干燥土壤样品中Pb的浓度为6000ppm，该土壤样品经过潮湿后，在湿度为30％时，经过X射线荧光仪器测量得到的Pb的浓度为4000ppm，相对误差超过33％。

若要减小测量误差，则需在进行土壤中金属元素的测量时，排除湿度对测量的影响。现有技术都采用对土壤样品进行干燥预处理的方式，然而，对土壤样品进行干燥等预处理措施，不适用于便携式XRF仪器。因此，目前的便携式XRF仪器测得的都是土壤中金属元素的大致浓度，没有(不能)考虑土壤湿度对测量结果的影响，测量的准确性差。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提供了一种方便快捷、应用范围广、测量准确性好的测量土壤中金属元素的方法，以及一种测量准确性好、结构简单的便携式土壤中金属元素的测量装置。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种土壤中金属元素的测量方法，包括以下步骤：

a、操作人员携带便携式土壤金属分析仪和土壤湿度传感器至待测土壤，将所述分析仪放置在土壤待测点上；

b、所述分析仪内光源发出的X射线照射在待测土壤上，探测器接收待测土壤发出的X射线荧光，并将信号传送给处理单元，经过处理后得到待测土壤中待测金属元素的浓度C’；

将土壤湿度传感器插入待测土壤，测得湿度H；

c、操作人员取回测量装置；

上述测量步骤中还包括湿度校正过程，即：处理单元根据浓度C’、湿度H、C＝F(C′，H)得到待测金属元素的校正浓度C；

所述湿度校正过程在步骤b或步骤c中进行。

作为优选，所述C＝F(C′，H)为C＝C′/(1-H)。

作为优选，所述C＝F(C′，H)为C＝(A+C′)e^μH-A，其中μ为水对待测金属元素特征X射线的有效衰减系数，A为与待测金属元素相关的常数。

作为优选，便携式土壤金属分析仪测得一测量点的待测金属元素浓度C’，移开便携式土壤金属分析仪，用土壤湿度传感器测量所述测量点的湿度H。

进一步，操作人员读取所述土壤湿度H并输入至处理单元。

作为优选，便携式土壤金属分析仪测得一测量点的待测金属元素浓度C’后，所述金属分析仪内的连动结构将土壤湿度传感器插入所述测量点，测得所述测量点的湿度H。

进一步，土壤湿度传感器的输出端连接所述处理单元，所述土壤湿度传感器直接将待测土壤湿度H传送给处理单元。

为实现上述方法，本发明还提供了一种便携式土壤中金属元素的测量装置，包括土壤金属分析仪，所述分析仪包括X射线光源、探测器及处理单元，其特点是：所述测量装置还包括土壤湿度传感器、土壤湿度校正模块，所述土壤湿度校正模块设置在所述处理单元内。

作为优选，所述土壤湿度传感器与所述土壤金属分析仪为独立的装置。

作为优选，所述土壤湿度传感器通过连动结构集成在土壤金属分析仪上，所述连动结构控制土壤湿度传感器插入及拔出待测土壤，所述土壤湿度传感器的输出端连接处理单元。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、方便携带、操作简便快捷。

本发明测量装置方便携带，同时无需操作人员进行待测土壤样品的干燥预处理，能够直接给出湿度校正后的金属元素的浓度，在野外或现场测量时，操作简便快捷，能够满足土壤普查等野外现场快速测量的需求。

2、操作方式灵活多样。

本发明土壤湿度的测量及土壤金属元素浓度的测量既可以同步，也可以异步；待测土壤的湿度可以由人工读取湿度信息并输入至土壤金属分析仪的处理单元，也可以由土壤湿度传感器直接将湿度信息传送给土壤金属分析仪的处理单元，操作方式灵活多样。这样操作人员就可以根据自己的需求选择采取哪种方式测量，可以满足野外现场测量的需求。

3、提高测量准确性。

本发明通过湿度校正方法得到土壤中金属元素的校正浓度。大量的实验结果表明，本发明较大地提高了土壤中金属元素的测量准确性。

4、应用范围广

本发明所涉及到的湿度校正方案应用范围广泛，可应用于所有类型土壤中金属元素的测量，其中包含污染或严重污染的土壤。

5、测量并存储了待测土壤的湿度信息。

本发明不仅测量了待测土壤中待测金属元素的浓度，还测量(存储)了待测土壤的湿度信息。

附图说明

图1为实施例1中便携式土壤中金属元素的测量装置的结构示意图；

图2为实施例3中便携式土壤中金属元素的测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明做进一步详尽描述。

实施例1

如图1所示，一种便携式土壤中金属元素的测量装置，用于测量待测土壤2中金属元素的浓度。

所述测量装置包括便携式土壤金属分析仪，所述分析仪包括X射线光源1、探测器3、处理单元4。

测量装置还包括土壤湿度传感器5、土壤湿度校正模块，所述分析仪和土壤湿度传感器5为互不连接的各自独立的装置。所述土壤湿度传感器5显示测得的土壤湿度，所述土壤湿度校正模块设置在所述处理单元4内。

上述X射线光源1可以采用同位素源或X射线光管等光源，本实施例采用X射线光管。探测器3可以采用硅漂移探测器(SDD)，Si-PIN探测器，Si(Li)探测器或其它探测器，本实施例采用Si-PIN探测器。

本实施例还提供了一种具有湿度校正功能的土壤中金属元素的测量方法，该方法包括以下步骤：

a、提供上述便携式土壤中金属元素的测量装置，操作人员将便携式土壤金属分析仪携带到测量现场，并放置在土壤待测点上；

b、测得待测土壤同一测量点的金属元素浓度C’和土壤湿度H，并利用所述土壤湿度H校正所述浓度C’，具体步骤如下：

b1、所述分析仪内X射线光管发出的X射线照射在待测土壤的一测量点，Si-PIN探测器接收该测量点处土壤发出的X射线荧光，并将信号传送给处理单元，经过处理后得到所述测量点处土壤中金属元素的浓度C’；

b2、移开所述土壤金属分析仪，将土壤湿度传感器插入所述测量点，测得该测量点的土壤湿度H；

b3、操作人员读取(保存)测得的待测土壤的湿度H，并输入至土壤金属分析仪内的处理单元；

b4、处理单元内的土壤湿度校正模块根据C＝C′/(1-H)处理所述浓度C’及土壤湿度H，从而得到待测金属元素的校正浓度C；

c、操作人员取回所述测量装置。

本实施例还建立了土壤GBW07407标样的模型，对不同湿度时土壤GBW07407标样中待测金属元素的浓度进行预测，并采用上述测量方法来测量不同湿度时土壤GBW07407标样中金属元素的浓度。

土壤GBW07407标样中Zn元素的实际浓度为142ppm。表1中列出了用上述测量方法校正不同湿度时土壤GBW07407标样中Zn元素的浓度。由表1可见，校正后的浓度与土壤GBW07407标样中Zn元素的实际浓度相比，相对误差可控制在±10％之内。且相对于预测浓度，测量的准确性已大大提高。同时，美国EPA要求野外土壤金属检测的误差应控制在±10％以内，此方法基本满足要求。

湿度(％)	预测浓度C’(ppm)	相对误差(％)	校正浓度C(ppm)	相对误差(％)
					28.9	96.3	-32.2	135.4	-4.6
24.6	104.4	-26.4	138.5	-2.5
					16.9	115.4	-18.7	139.0	-2.1
10.0	117.8	-17.0	130.9	-7.8
					3.47	132.3	-6.8	137.1	-3.5

表1

本实施例还对土壤GBW07407标样中Pb元素的浓度进行了湿度校正。土壤GBW07407标样中Pb元素的实际浓度为61ppm。表2中列出了用上述测量方法测量不同湿度时土壤GBW07407标样中Pb元素的浓度。由表2可见，校正后的浓度与土壤GBW07407标样中Pb元素的实际浓度相比，相对误差可控制在±10％之内。且相对于预测浓度，测量的准确性也已大大提高。其误差范围也基本满足美国EPA的要求。

湿度(％)	预测浓度C’(ppm)	相对误差(％)	校正浓度C(ppm)	相对误差(％)
					37.6	36.1	-40.8	57.9	-5.1
32.7	41.7	-31.6	61.9	1.5
					27.4	43.0	-29.5	59.2	-3.0
19.3	50.2	-17.7	62.1	1.9
					14.2	52.3	-14.3	60.9	-0.10

表2

实施例2

一种便携式土壤中金属元素的测量装置，与实施例1相同。

本实施例还提供了一种具有湿度校正功能的土壤中金属元素的测量方法，与实施例1不同的是：步骤c为：

c1、操作人员取回所述测量装置；

c2、操作人员回到办公地点，将步骤b中测得的土壤湿度H输入至土壤金属分析仪内的处理单元；

c3、处理单元内的土壤湿度校正模块根据C＝C′/(1-H)处理所述浓度C’及土壤湿度H，从而得到待测金属元素的校正浓度C。

实施例3

如图2所示，一种便携式土壤中金属元素的测量装置，用于测量土壤2中金属元素的浓度。

所述测量装置包括便携式土壤金属分析仪，所述分析仪包括X射线光源1、探测器3及处理单元6。

测量装置还包括土壤湿度传感器7、土壤湿度校正模块，所述土壤湿度传感器7的输出端连接处理单元6，土壤湿度校正模块设置在处理单元6内。

所述土壤湿度传感器7通过连动结构集成在土壤金属分析仪上，所述连动结构控制土壤湿度传感器7插入及拔出土壤2：当需要使用土壤湿度传感器7测量土壤湿度时，启动连动结构，将土壤湿度传感器7插入待测土壤2中即可。

上述X射线光源1可以采用同位素源或X射线光管等光源，本实施例采用同位素源；探测器3可以采用(SDD)，Si-PIN探测器，Si(Li)探测器或其它探测器。本实施例采用硅漂移探测器。

a、提供上述便携式土壤中金属元素的测量装置，操作人员将所述测量装置携带到测量现场，并放置在土壤待测点上；

b、测量待测土壤同一测量点的待测金属元素的浓度C’及土壤湿度H，并利用所述土壤湿度H校正所述浓度C’，具体如下：

b1、所述分析仪内同位素源发出的X射线照射在待测土壤的一测量点，硅漂移探测器接收该测量点处土壤发出的X射线荧光，并将信号传送给处理单元，经处理后得到所述测量点处土壤中金属元素的浓度C’；

b2、启动连动结构，将土壤湿度传感器插入所述测量点，测得该测量点的土壤湿度H；

b3、土壤湿度传感器将测得的土壤湿度H直接传送给所述处理单元；

b4、处理单元内的土壤湿度校正模块根据公式C＝(A+C′)e^μH-A处理所述浓度C’及土壤湿度H，得到待测金属元素的校正浓度C；

μ为水对待测金属元素特征X射线的有效衰减系数，通过实验对标样加水回归计算得到；A为与待测金属元素相关的常数，是以标样建立校正模型对土壤进行预测时的曲线的截距；

c、操作人员取回所述测量装置。

本实施例还建立了土壤GBW07407标样的模型，对不同湿度时土壤GBW07407标样中待测金属元素的浓度进行预测，并采用上述土壤中金属元素的测量方法来校正不同湿度时土壤GBW07407标样中金属元素的浓度。

土壤GBW07407标样中Zn元素的实际浓度为142ppm。水对Zn元素特征X射线的有效衰减系数μ为1.26，A为1.2。表3中列出了用上述测量方法校正不同湿度时土壤GBW07407标样中Zn元素的浓度。由表3可见，校正后的浓度与土壤GBW07407标样中Zn元素的实际浓度相比，相对误差可控制在±10％之内。且相对于预测浓度，测量的准确性也已大大提高。其误差范围也基本满足美国EPA的要求。

湿度(％)	预测浓度C’(ppm)	相对误差(％)	校正浓度C(ppm)	相对误差(％)
					28.9	96.3	-32.2	139.1	-2.0
24.6	104.4	-26.4	142.8	0.5
					16.9	115.4	-18.7	143.2	0.8
10.0	117.8	-17.0	133.8	-5.8
					3.47	132.3	-6.8	138.3	-2.6

表3

本实施例也对土壤GBW07407标样中Pb元素的浓度进行了湿度校正。土壤GBW07407标样中Pb元素的实际浓度为61ppm。水对Pb元素特征X射线的有效衰减系数μ为1.25，A为1.1。表4中列出了用上述测量方法校正不同湿度时土壤GBW07407标样中Pb元素的浓度。由表4可见，校正后的浓度与土壤GBW07407标样中Pb元素的实际浓度相比，相对误差可控制在±10％之内。且相对于预测浓度，测量的准确性也已大大提高。其误差范围也基本满足美国EPA的要求。

湿度(％)	预测浓度C’(ppm)	相对误差(％)	校正浓度C(ppm)	相对误差(％)
					37.6	36.1	-40.8	59.5	-1.0
32.7	41.7	-31.6	64.4	5.6
					27.4	43	-29.5	62.1	1.8
19.3	50.2	-17.7	65.3	7.0
					14.2	52.3	-14.3	63.8	4.6

表4

关于本发明的其它说明：

在上述实施例中，测量待测土壤同一测量点处的待测金属元素的浓度C’和土壤湿度H，这是一种最佳方案。在实际测量中，为了方便的需要，还可以在不同的测量点分别测量待测金属元素的浓度C’和土壤湿度H，并利用测得的土壤湿度H去校正浓度C’；当两个测量点的间距较小时，土壤湿度H变化较小，对测量结果影响也较小，这种方案测得结果的准确性显然不如上述实施例。

上述实施方式不应理解为对本发明保护范围的限制。本发明的关键是：在利用便携式土壤金属分析仪测得土壤中金属元素的浓度C’时，还测得土壤的湿度H，利用公式C＝F(C′，H)得到土壤中金属元素的校正浓度C。在不脱离本发明精神的情况下，对本发明做出的任何形式的改变均应落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种土壤中金属元素的测量方法，包括以下步骤：

a、操作人员携带便携式土壤金属分析仪和土壤湿度传感器至待测土壤，将所述金属分析仪放置在土壤待测点上；

b、所述金属分析仪内光源发出的X射线照射在待测土壤上，探测器接收待测土壤发出的X射线荧光，并将信号传送给处理单元，经过处理后得到待测土壤中待测金属元素的浓度C’；

将土壤湿度传感器插入待测土壤，测得土壤湿度H；

c、操作人员取回测量装置；

上述测量步骤中还包括湿度校正过程，即：处理单元根据浓度C’、土壤湿度H、C＝C′/(1-H)得到待测金属元素的校正浓度C；

所述湿度校正过程在步骤b或步骤c中进行。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：便携式土壤金属分析仪测得一测量点的待测金属元素浓度C’，移开便携式土壤金属分析仪，用土壤湿度传感器测量所述测量点的土壤湿度H。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于：操作人员读取所述土壤湿度H并将其输入至处理单元。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：便携式土壤金属分析仪测得一测量点的待测金属元素浓度C’后，所述金属分析仪内的连动结构将土壤湿度传感器插入所述测量点，测得所述测量点的土壤湿度H。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：土壤湿度传感器的输出端连接所述处理单元，所述土壤湿度传感器将待测土壤湿度H直接传送给处理单元。

6.一种便携式土壤中金属元素的测量装置，包括便携式土壤金属分析仪，所述分析仪包括X射线光源、探测器及处理单元，其特征在于：所述测量装置还包括土壤湿度传感器、土壤湿度校正模块，所述土壤湿度校正模块设置在所述处理单元内；

所述土壤湿度校正模块根据所述分析仪测得的待测金属元素浓度C’、土壤湿度H及C＝C′/(1-H)，得到待测金属元素的校正浓度C。

7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于：所述土壤湿度传感器与所述土壤金属分析仪为独立的装置。

8.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于：所述土壤湿度传感器通过连动结构集成在所述土壤金属分析仪上，所述土壤湿度传感器的输出端连接处理单元。