+ All Categories
Home > Documents > STANDARD OPERATING PROCEDURESworldagroforestry.org/sites/default/files/u897/METH14V01 pXRF.pdf · 5...

STANDARD OPERATING PROCEDURESworldagroforestry.org/sites/default/files/u897/METH14V01 pXRF.pdf · 5...

Date post: 29-Oct-2019
Category:
Upload: others
View: 7 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
18
  Code: METH14V01 Date: July 2, 2017 Author: Robin Chacha         STANDARD OPERATING PROCEDURES     METHOD FOR ELEMENTAL DETERMINATION ON SOIL PLANT AND FERTILIZER USING PORTABLE XRAY FLUORESCENCE TECHNIQUE       Contact Details:  Telephone: +254 (20) 7224000/4235/4279/4163     Email: icraf[email protected]           : Laboratory Manager, [email protected] Website: www. http://worldagroforestry.org/research/landhealth      Address Details:  World Agroforestry Centre, Mailing: P.O Box 3067700100 Nairobi, Kenya Physical address: United Nations Avenue    Off Limuru Road, Gigiri, Nairobi, Kenya 
Transcript

 

 

Code:METH14V01

Date:July2,2017

Author:RobinChacha

      

  

STANDARDOPERATINGPROCEDURES     

METHODFORELEMENTALDETERMINATIONONSOILPLANTANDFERTILIZERUSINGPORTABLE

X‐RAYFLUORESCENCETECHNIQUE       Contact Details:  Telephone: +254 (20) 7224000/4235/4279/4163     Email: icraf‐[email protected]           : Laboratory Manager, [email protected] Website: www. http://worldagroforestry.org/research/land‐health      

Address Details:  World Agroforestry Centre, Mailing: P.O Box 30677‐00100 Nairobi, Kenya Physical address: United Nations Avenue    Off Limuru Road, Gigiri, Nairobi, Kenya 

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July02,2017Code:METH14V01Title:Method for elemental determination on soil,    plant and  fertilizer using Portable X‐ray Fluorescence technique

Author:RobinChacha

 

2 | p X R F   S O P   

 

METHODDOCUMENTCONTROLLOG

Nameandposition

Author RobinChacha–SeniorLaboratoryTechnician

Coauthors HezekiahNyandika–LaboratoryTechnicianRosefaithKiende–LaboratoryTechnicianChrisEkise–LaboratoryTechnician

Authorizer ElvisWeullow–LaboratoryManager

Distributionofvalidcopiesofthisdocument:G143C

TotalX‐rayFluorescenceLaboratory

Revisebefore:

Historicaldata

Dateretrieval:

Changesinthisversioncomparedtopreviousversion:

1. Inclusionofworkflow2. Inclusionofqualitycontrolmeasuresandstandardreferencefactsheet.

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July02,2017Code:METH14V01Title:Method for elemental determination on soil,    plant and  fertilizer using Portable X‐ray Fluorescence technique

Author:RobinChacha

 

3 | p X R F   S O P   

SCOPEANDAPPLICATIONThis  is  a  Standard Operating  Procedure  developed  and  validated  by  the World Agroforestry 

Centre’s Soil‐Plant Spectral Diagnostic Laboratory for element analysis in soil, fertilizer and plant 

samples  using  the  Bruker  Tracer  5i  portable  X‐ray  Fluorescence  (pXRF)  Spectrometer.  The 

protocol gives details of element profiling  in milled soil, plants and  `material and milled plant 

material. X‐ray fluorescence spectrometry is the technology offering detection limits in the low 

parts per billion (ppb) range. X‐Ray Fluorescence is the method of choice for fast quantitative and 

semi‐quantitative multi‐element  trace  analysis. The  Tracer  5i  combines  flexibility  for  various 

applications and includes the vacuum technology for lighter elements determination. The TRACER 

5i, incorporates a Silicon Drift Detector (SDD) which provides high speed data acquisition and light 

element sensitivity. 

 

PRINCIPLEX‐ray fluorescence is the process in which photons emitted from an x‐ray source interacts with 

the atoms  in the sample causing an electron to be “knocked out” of the  inner shell of a given 

atom leaving the inner shell to become “unstable”. The empty space left by the electron is filled 

with another electron from a higher shell, releasing certain energy (Fluorescence) in the form of 

another photon, and is characteristic not only to each element, but also to each shell transition. 

X‐ray  Fluorescence  instruments  have  a  detector  that  picks  up  the  characteristic  fluorescent 

energies of elements and identifies using their individual wavelengths. The photons at a higher 

energy  create  data  that  can  be  used  to  quantify  trace  elements.  The  new  vacuum  pump 

technology allows quick and easy analysis of non‐uniform materials and concentration analysis 

of uniform materials consisting of elements from Sodium to Uranium. 

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July02,2017Code:METH14V01Title:Method for elemental determination on soil,    plant and  fertilizer using Portable X‐ray Fluorescence technique

Author:RobinChacha

 

4 | p X R F   S O P   

ABBREVIATIONSANDDEFINITIONSICRAF – International center for research in agroforestry  Pxrf – portable X‐ray fluorescence  PDA – Personal data assistant  PC – Personal computer AC – Alternating current DC – Direct current UPS – uninterrupted power supply 

   

RELATEDDOCUMENT 

Sample reception manual 

 

RELATEDFORMSI. Soil sample preparation and handling 

II. Plant sample preparation and handling 

  

SAFETYANDENVIRONMENTRadiation protection:   To ensure maximum radiation protection, the Tracer 5 i must be operated 

with  the  control  software  that  are  included  in delivery. Only  these  software  guarantees  the 

compliance of  the X  ray  source operation parameters as  certified according  to anti‐radiation 

precautions. Further, safety rules and technical installation and information provided in the user 

manual should be adhered to explicitly. 

Electrical hazards: Electrical systems must conform to the ICRAF standards. Shock hazards exist 

inside the instruments. 

 

 

REQUIREMENTS Equipment 

a. Tracer 5i X‐ray Fluorescence Spectrometer inbuilt PDA (Bruker)  

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July02,2017Code:METH14V01Title:Method for elemental determination on soil,    plant and  fertilizer using Portable X‐ray Fluorescence technique

Author:RobinChacha

 

5 | p X R F   S O P   

b. Retsch RM 200 mill (Retsch, Düsseldorf, Germany)  

c. UPS (uninterrupted power supply) 

d. Laptop installed with (necessary software) 

  Accessories             

a. Customizable filters and secondary targets to optimize analysis 

b. Collimators 3 and 8 mm 

c. Ti 25 µm: Al 300 µm  

d. ProleneTM , 4μm (0.16 mil) thick X‐ray film (Fluxana) 

e. XRF sample caps double open ended cells 

f. Bench top stand 

g. Spatula 

h. X‐ray window 

  Software 

a. Bruker Easycal launcher b. ARTAX 7 Software  c. Bruker Remote control d. Bruker instrument tool e. R software version 3.1.1 

 

PROCEDURE 

I. Software Installation  To be able to operate the Tracer 5i using a PC, install all the software indicated below by 

double  clicking  to  install  from  a  Bruker  flash  stick  provided  and  follow  the  steps  as 

prompted by application.  

a)  Easycal  Launcher,  which  is  used  for  instrument  calibration  processes  and 

preparation of run order.  

b)  Bruker remote control  is for remotely controlling the spectrometer and  it  is the 

main interface used when running sample scanning.  

c)  Bruker instrument tool is for transferring or offloading data, calibration files and 

retrieving run orders.  

d)  R software version 3.1.1 for executing GitHub or  local scripts also used for data 

management 

e)  Artax is for data acquisition and spectrum quality check 

 

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July02,2017Code:METH14V01Title:Method for elemental determination on soil,    plant and  fertilizer using Portable X‐ray Fluorescence technique

Author:RobinChacha

 

6 | p X R F   S O P   

II. Hardware installation a) Install 8mm collimator by opening the latch, carefully lining up the new collimator 

with the groove  inside the hatch and slide  it  in until  it clicks. Securely close the 

hatch and screw it shut. 

b) Filter installed at factory 

c) Peel off the old window. Avoid any contact with the sensitive detector. Remove 

old adhesive with isopropyl alcohol. Peel the white backing from the new window. 

Carefully alignment and apply the new window to the nose. 

 III. Instrument set up 

a) Insert the USB connection cable, USB flash drive, connect the AC power supply at the base of the instrument and slide it onto the desktop collapsible stand via the rail at the top. This setup  is used for  laboratory applications. Place the sample stage onto the instrument nose. 

b) Check and ensure  that  the  instrument, PC and power connections are ok and 

properly done before powering up. 

c) Make  all  this  connections  to  the  UPS  this  ensure  that  power  supply  to  the 

instrument remains stable throughout. 

d) To operate the analyzer using the optional AC power, ensure that the analyzer is 

off and the DC battery is removed. Connect the AC Adapter to a 120‐240V AC wall 

power outlet with the supplied cord.  

e) Connect the power supply to the analyzer then to the laptop. 

 

IV. Powering up 

a) Switch the UPS ON  

b) Power up the laptop 

c) Switch the instrument ON using the white switch button located on the LHS of 

the spectrometer. Firmly press the power switch for one second. 

d) The  instrument  takes  several moments  to  initialize.  It  is  ready when BRUKER 

‘Initialized  –  Ready’  is  displayed.  X‐ray warning  lights  flash  and,  after  a  few 

seconds, the touch screen displays.    

 

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July02,2017Code:METH14V01Title:Method for elemental determination on soil,    plant and  fertilizer using Portable X‐ray Fluorescence technique

Author:RobinChacha

 

7 | p X R F   S O P   

     

V. Connecting the Laptop to the instrument using Bruker Remote Control (BRC)  

a) Select and double click on the BRC icon and select ‘Connect’ from the dropdown options in the ‘File’ menu (As shown in step 1 and 2 below). 

 b) This will enable the PC software to connect to the Tracer 5i instrument. The 

instrument serial number will appear as above. c) Highlight the serial number and click OK. d) A ‘Log in’ window (below) of the Tracer will be displayed on the PC. To continue, 

use the mouse to remotely operate the Tracer 5i.                                                                                                                            

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July02,2017Code:METH14V01Title:Method for elemental determination on soil,    plant and  fertilizer using Portable X‐ray Fluorescence technique

Author:RobinChacha

 

8 | p X R F   S O P   

VI.  To log in 

a) After powering on the analyzer, tap Login and the login screen is displayed. 

b) Use the mouse to enter the default password 54321 and the login ID field 

reflects the changes. 

                            

                                                                     c) Once the password is successfully entered, click ‘OK’. An X‐ray radiation warning 

(below) is displayed. 

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July02,2017Code:METH14V01Title:Method for elemental determination on soil,    plant and  fertilizer using Portable X‐ray Fluorescence technique

Author:RobinChacha

 

9 | p X R F   S O P   

         

d) To continue, press down and release the trigger on the instrument e) A status window will appear showing the current configurations of the 

instrument i.e. Application, Mode, Filter and Collimator (Spot). Press OK to proceed. 

f) The ‘Ready to Test screen’ will be displayed showing information in the status bar 

and  provides  access  to menu  trees  from which  all  analyzer  functions  can  be 

performed. A read to test window is displayed after the above process.   

                 

Note that all the applications and methods are developed during calibration and they should not 

be tampered with during scanning or any other time unless during the process of calibrations. 

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July02,2017Code:METH14V01Title:Method for elemental determination on soil,    plant and  fertilizer using Portable X‐ray Fluorescence technique

Author:RobinChacha

 

10 | p X R F   S O P   

    

VII. Selecting a method 

The instrument analyzes a sample using a specifically selected calibration or method. The 

choice of method can be specified by the user from the saved calibrated methods in the  

 

Applications.  

a) On the Ready to Test screen, click APPLICATION. 

b) Select the desired calibrated application desired by highlighting from the options. 

Each application selected integrates its set parameters. i.e. 

Illumination  Fertilizer General 

Plant Light  Plant Trace  Soil Light  Soil Trace 

Voltage (keV)  35  10  35  10  30 

Current (amp)  30  70  35  70  50 

Collimator  8mm  8mm  8mm  8mm  8mm 

Manual filter  Blank  Blank  Blank  Blank  Blank 

Time (S)  30  90  90  90  60 

                                

c) Select OK. The ‘Ready to Test’ screen will reappear with the name of the 

selected method displayed on the Application and Method icons. 

d) Repeat steps 2 ‐ 4 as necessary when you need to change the application to be 

used. 

e) Click on  the SETTINGS  icon. A default settings will be displayed. To be able  to 

uncheck  the Default  Settings  box,  and  to  set  the measurement  time  for  the 

selected method. Also activate the BEEP alert  for completion of measurement 

(As below). 

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July02,2017Code:METH14V01Title:Method for elemental determination on soil,    plant and  fertilizer using Portable X‐ray Fluorescence technique

Author:RobinChacha

 

11 | p X R F   S O P   

  

VIII. Sample Preparation 

Cup assembly 

a) Place a thin x‐ray film (4μm (0.16 mil) prolene) on top of a sample cup.  

b) Position Snap‐on ring on thin‐film. 

c) Push Snap‐On  ring down  to  secure  the  film. The  flange  inside  the collar  faces 

down and snaps into the indented ring of the cup.  

d) Inspect the installed film window for continuity and smooth appearance. 

 

IX.    Sample milling 

a) Soil  samples  are  dried  and  sieved  through  2‐mm  sieves.  Samples  are milled 

further to between 20‐ 75 µm using Restch RM200 automated milling machine. 

About 5g homogenous specimen of the sample  is  loaded  into special XRF cups 

prepared with 4μm (0.16 mil) prolene XRF film free from irregular surfaces and 

contamination. The cup should be half full with sample.  

b) Plant material is oven‐dried at 50° C and then ground to pass a 0.5mm sieve using 

a Wiley mill. About 5g homogenous specimen of the sample is loaded into special 

XRF  cups  prepared with  4μm  (0.16 mil)  prolene  XRF  film  free  from  irregular 

surfaces and contamination. The cup should be half full with sample. 

  

X. Sample loading 

a) Fill sample cup carefully with at least five grams (min. 5mm / 1/5” layer) of the 

prepared sample, avoiding voids or uneven layers. Cap the cup and label 

carefully. 

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July02,2017Code:METH14V01Title:Method for elemental determination on soil,    plant and  fertilizer using Portable X‐ray Fluorescence technique

Author:RobinChacha

 

12 | p X R F   S O P   

b) Place the loaded sample cup onto the sample table to cover to cover the entire 

examination window. 

c) Cover the sample table with the Safety Shield Accessory. 

 

          

XI. BENCHTOP ANALYSIS 

Edit Info Button 

Before a measurement is taken, an assay can be named and described in the Edit Info screen.  

a) From the Ready to Test screen, select the Edit  Info  icon. The Sample  ID Fields 

screen will be displayed. 

b) Double  click  on  the  ID  fields  to  fill  in  the  sample  information.  A New  Value 

window will appear.  

c) Clear the existing sample identification information and label a new assay in the 

new value field. 

d) Select OK to save changes to the Sample ID Fields screen and also the keyboard will be removed. 

 

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July02,2017Code:METH14V01Title:Method for elemental determination on soil,    plant and  fertilizer using Portable X‐ray Fluorescence technique

Author:RobinChacha

 

13 | p X R F   S O P   

 

 XII.  Data management Data Acquisition Once  the  sample  ID have been  saved  click Trigger Release on  the  ribbon or press F6 on  the keyboard to start the sample measurement.  

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July02,2017Code:METH14V01Title:Method for elemental determination on soil,    plant and  fertilizer using Portable X‐ray Fluorescence technique

Author:RobinChacha

 

14 | p X R F   S O P   

 If a USB Flash data stick was installed in the Flash drive during instrument assembly, all sample 

information  and  data  acquired will  be  automatically  saved  in  it  as  destination  location.  This 

information is saved as a Results as table in batch .csv file and sample individual spectra as .pdz 

files. 

To optimize  analyzer performance  and  reduce  initialization  time, data  should be periodically removed from the installed USB flash drive.  

XIII.  Data Retrieval by Bruker Instrument Tool a) Launch the Bruker Instrument Tool (BIT) by double clicking on the icon.  

b) Click  on Device  and  select Connect  on  the  drop  down  options. A  connection 

window will appear with the serial number of the Tracer 5i instrument attached 

to the PC. 

c) Highlight the serial number and click on connect icon. A   Bruker Instrument Tool 

will appear containing various folders. 

d) Select and click the USB Drive folder (1). 

e) Select and click on the Data sub folder that appear on the options therein (2) 

f) Select and click the Result file (.csv) to open the spreadsheet (3). 

 

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July02,2017Code:METH14V01Title:Method for elemental determination on soil,    plant and  fertilizer using Portable X‐ray Fluorescence technique

Author:RobinChacha

 

15 | p X R F   S O P   

 

   

 

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July02,2017Code:METH14V01Title:Method for elemental determination on soil,    plant and  fertilizer using Portable X‐ray Fluorescence technique

Author:RobinChacha

 

16 | p X R F   S O P   

 

To maintain a simple folder management system for all the acquired spectra, create a folder at 

the root of the hard disk of the computer that operates the Tracer 5I instrument and name it Raw 

Spectra. Create three subfolders within the raw spectra folder and label them as: 1) Soil 2) Plants; 

3) Fertilizer to represent the different materials that are scanned. 

 

QUALITYCONTROL Internal check standards  Include  internal  check  samples  of  known  elemental  concentrations  and  they  provide 

information about the precision and stability of a measurement. The XRF laboratory has 

a series of samples of both plant and soil materials, which should be  included  in each 

batch of samples.  

For  every  batch  of  plant  analysis  include  beans  standard,  cellulose  and  NIST  leave 

standard 1575a. 

For every batch of soil analysis include Katumani soil standard and white sand. 

For  every  batch  of  fertilizer  analysis  include  organic  fertilizer  and Mavuno  planting 

fertilizer standards 

Artax software is used for the spectrum quality check.  

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July02,2017Code:METH14V01Title:Method for elemental determination on soil,    plant and  fertilizer using Portable X‐ray Fluorescence technique

Author:RobinChacha

 

17 | p X R F   S O P   

REFERENCES 

Bruker tracer 5i user manual 

 

 

 

 

 

STANDARDOPERATINGPROCEDURE Date:July02,2017Code:METH14V01Title:Method for elemental determination on soil,    plant and  fertilizer using Portable X‐ray Fluorescence technique

Author:RobinChacha

 

18 | p X R F   S O P   

ANNEX Work Flow 

 

Milling

Cup assembly

Loading

Pxrf Analysis

Data Acquisition

Data Filtering

Database

Portable X-Ray FluorescenceObjective:

To achieve an economical detailed rapid screening analysis of elemental composition of plants, soils and fertilizers samples

Plants, soils or fertilizers are milled <75µm

The cups are assembled using 4µm X-ray film

Put 3-5g of soil/plant/fertilizer into the assembled XRF cups

Place the loaded cup on pXRF sample table

The analysis results are acquired using BIT software

The acquired data is filtered using R, Knime and Shinny app

Filtered data is finaly uploaded to the database

LEGEND

Terminal point

Action point

Tape notes

Process route

 


Recommended