Laser-Induced Breakdown and X-Ray Fluorescence Spectroscopies for the Elemental Analysis of Aquatic Organisms

Elemental chemical analysis of aquatic organisms is necessary for biochemical and ecological studies, as well as for pollution monitoring. To this end, mainly wet analytical methods are used. However, direct analysis is possible by techniques such as X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) and laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS), which are mutually complementary in terms of analytical capabilities. Our study deals with the comparison of LIBS and XRF performance in the calibration-based determination of macroand microelements (P, Cl, K, Ca; B, Mn, Fe, Cu, Zn, and Sr) in organs and tissues of fishes and aquatic plants (bream, pike, horsetail, and hornwort). It has turned out necessary to normalise the signals of elements to the intensity of incoherently scattered radiation (in XRF) and to that of Balmer H-alpha emission line (in LIBS) to account for matrix effects. The comparison of the obtained data with the results of reference analysis by inductively coupled plasma optical emission spectroscopy has shown that LIBS is superior to XRF in terms of trueness for relatively light elements (P, K, Ca, Mn, Fe, and Cu). For heavier elements (Zn and Sr), this advantage moves to XRF. The combination of LIBS and XRF makes it possible to broaden the range of measurable elements, and in some cases (determination of P, K, Mn, Fe, Zn, and Sr), wet chemical decomposition becomes unnecessary, which is important for the simplification of analytical procedures.

1. C. M. Wood. Fish Physiology, Eds. C. M. Wood, A. P. Farrell, C. Brauner, 31, Academic Press (2011) 1—51

2. Т. И. Моисеенко. Геохимия, № 3 (2015) 222—233

3. И. В. Кизеветтер. Биохимия сырья водного происхождения, Москва, Пищевая промышленность (1973)

4. N. I. Sushkov, N. V. Lobus, I. V. Seliverstova, T. A. Labutin. Opt. and Spectrosс., 128, N 9 (2020) 1343—1349.

5. N. I. Sushkov, G. Galbács, K. Fintor, N. V. Lobus, T. A. Labutin. Analyst, 147 (2022) 3248—3257

6. N. I. Sushkov, G. Galbács, P. Janovszky, N. V. Lobus, T. A. Labutin. Sensors, 22 (2022) 8234

7. J. Ylikörkkö, G. N. Christensen, H. J. Andersen, D. Denisov, P.-A. Amundsen, P. Terentjev, E. Jelkänen. Environmental Monitoring Programme for Aquatic Ecosystems in the Norwegian, Finnish and Russian Border Area. Updated Implementation Guidelines, Centre for Economic Development, Transport and the Environment for Lapland (2015)

8. N. A. Panichev, S. E. Panicheva. Food Chemistry, 166 (2015) 432—441

9. R. R. Rasmussen, R. V. Hedegaard, E. H. Larsen, J. J. Sloth. Analyt. Bioanalyt. Chem., 403, N 10 (2012) 2825—2834

10. T. I. Moiseenko, L. P. Kudryavtseva. Environ. Poll., 114, N 2 (2001) 285—297

11. N. A. Gashkina, T. I. Moiseenko, L. A. Shuman, I. M. Koroleva. Ecotoxic. Environ. Safety, 239 (2022) 113659

12. M. O. Varrà, S. Ghidini, L. Husáková, A. Ianieri, E. Zanardi. Foods, 10, N 2 (2021) 270

13. O. Y. Song, M. A. Islam, J. H. Son, J. Y. Jeong, H. E. Kim, L. S. Yeon, N. Khan, N. Jamila, K. S. Kim. Meat Sci., 172 (2021) 108344

14. T. I. Moiseenko, N. A. Gashkina, Y. N. Sharova, L. P. Kudryavtseva. Ecotoxic. Environ. Safety, 71, N 3 (2008) 837—850

15. M. B. Bueno Guerra, C. E. G. R. Schaefer, G. G. A. de Carvalho, P. F. de Souza, D. S. Júnior, L. C. Nunes, F. J. Krug. J. Analyt. At. Spectrom., 28, N 7 (2013) 1096—1101

16. П. М. Фарков, А. Л. Финкельштейн. Аналитика и контроль, 6, № 4 (2002) 485—489

17. A. Hokura, E. Harada. Metallomics: Recent Analytical Techniques and Applications, Eds. Y. Ogra, T. Hirata, Tokyo, Springer Japan (2017) 125—145

18. Г. А. Леонова, В. А. Бобров. Геохимическая роль планктона континентальных водоемов Сибири в концентрировании и биоседиментации микроэлементов, Новосибирск, Гео (2012)

19. R. A. Rezk, A. H. Galmed, M. Abdelkreem, N. A. Abdel Ghany, M. A. Harith. J. Adv. Res., 14 (2018) 1—9

20. Y. Zhang, T. Zhang, H. Li. Spectrochim. Acta B: At. Spectrosc., 181 (2021) 106218

21. K. Rawat, N. Sharma, V. K. Singh. X‐Ray Fluorescence in Biological Sciences, Wiley оnline Books (2022) 1—20

22. F. M. Peinado, S. M. Ruano, M. G. B. González, C. E. Molina. Geoderma, 159, N 1 (2010) 76—82

23. G. G. Arantes de Carvalho, M. B. Bueno Guerra, A. Adame, C. S. Nomura, P. V. Oliveira, H. W. Pereira de Carvalho, D. Santos, L. C. Nunes, F. J. Krug. J. Analyt. At. Spectrom., 33, N 6 (2018) 919—944

24. D. Santos, L. C. Nunes, G. G. A. de Carvalho, M. da S. Gomes, P. F. de Souza, F. de O. Leme, L. G. C. dos Santos, F. J. Krug. Spectrochim. Acta B: At. Spectrosc., 71-72 (2012) 3—13

25. R. Zeisler. Fresenius’ J. Analyt. Chem., 360, N 3 (1998) 376—379

26. G. Galbács. Laser-Induced Breakdown Spectroscopy in Biological, Forensic and Materials Sciences, Cham, Springer International Publishing (2022)

27. N. B. Zorov, A. A. Gorbatenko, T. A. Labutin, A. M. Popov. Spectrochim. Acta B: At. Spectrosc., 65, N 8 (2010) 642—657

28. L. C. Peruchi, L. C. Nunes, G. G. A. de Carvalho, M. B. B. Guerra, E. de Almeida, I. A. Rufini, D. Santos, F. J. Krug. Spectrochim. Acta B: At. Spectrosc., 100 (2014) 129—136

29. A. M. Popov, T. F. Akhmetzhanov, S. M. Zaytsev, A. N. Drozdova, I. A. Kalko, T. A. Labutin. J. Analyt. At. Spectrom., 37, N 10 (2022) 2144—2154

30. F. O. Leme, D. M. Silvestre, A. N. Nascimento, C. S. Nomura. J. Analyt. At. Spectrom., 33, N 8 (2018) 1322—1329

31. Определение массовой доли химических элементов в пробах животного и растительного происхождения рентгенофлуоресцентным методом на приборе СЕР-01: МВИ.МН 3272-2009, Минск, МГЭУ (2009)

32. Описание типа средств измерений № 44726-10: спектрометры энергий рентгеновского излучения СЕР-01, ВНИИФТРИ (2010), https://fgis.gost.ru/fundmetrology/registry/4/items/355615

33. C. Aragon, J. A. Aguilera, F. Penalba. Appl. Spectrosc., 53, N 10 (1999) 1259—1267

34. Е. В. Смирнова, О. В. Зарубина. Стандартные образцы, № 3 (2014) 45—57

35. Количественный химический анализ почв. Методика измерений массовых долей металлов в осадках сточных вод, донных отложениях, образцах растительного происхождения спектральными методами. ПНД Ф 16.2.2:2.3.71-2011, Москва, ФБУ “ФЦАО” (2011)

36. Д. Кремерс, Л. Радзиемски. Лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия, Москва, Техносфера (2009)

37. K. Rawat, N. Sharma, V. K. Singh. X‐Ray Fluorescence in Biological Sciences, Wiley Online Books (2022) 1—20

38. R. van Grieken, A. Markowicz. Handbook of X-ray Spectrometry, New York and Basel, Marcel Dekker (2002)

39. Г. В. Павлинский. Основы физики рентгеновского излучения, Москва, Физматлит (2007)

40. А. В. Подкорытова, Т. И. Вишневская. Парафармацевтика. Фармацевтический бюл., № 2 (2003) 22—23

41. Е. В. Лысенко. Комплексная оценка химического состава экосистем малых озёр восточного Сихотэ-Алиня, дис. … канд. геогр. наук, Владивосток, ТИГ ДВО РАН (2018)

42. A. J. Muztar, S. J. Slinger, J. H. Burton. Canad. J. Plant Sci., 58, N 3 (1978) 851—862

43. А. П. Виноградов. Полное собрание трудов в 18 т. Т.1. Химический элементарный состав организмов моря, Москва, РАН (2020)

44. E. Tognoni, G. Cristoforetti, S. Legnaioli, V. Palleschi. Spectrochim. Acta B: At. Spectrosc., 65, N 1 (2010) 1—14

45. Z. Hu, D. Zhang, W. Wang, F. Chen, Y. Xu, J. Nie, Y. Chu, L. Guo. TrAC, Trends Anal. Chem., 152 (2022) 116618

46. J. A. Aguilera, C. Aragón, G. Cristoforetti, E. Tognoni. Spectrochim. Acta B: At. Spectrosc., 64, N 7 (2009) 685—689