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Universidade de São Paulo Centro de Energia Nuclear na ......Técnicas Avançadas no Estudo de...

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Técnicas Avançadas no Estudo de Fósforo Asst. Prof. Hudson W.P. Carvalho Group of Applied X-ray Spectroscopy Universidade de São Paulo Centro de Energia Nuclear na Agricultura Laboratório de Instrumentação Nuclear
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Técnicas Avançadas no Estudo de Fósforo

Asst. Prof. Hudson W.P. Carvalho

Group of Applied X-ray Spectroscopy

Universidade de São PauloCentro de Energia Nuclear na AgriculturaLaboratório de Instrumentação Nuclear

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Overview

The P problem from a chemist perspective

X-ray spectroscopy

X-rays spectroscopy & phosphorus @ USP

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Brazilian exports

Where the US$ come from?

36% of all Brazilian exports in 2017 was Agri

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Phosphorus peak: is it real?

https://www.producer.com/2019/09/phosphorus-grains-double-edged-sword/

http://www.rainharvest.co.za/2010/07/peak-phosphorus-what-does-this-mean/

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Phosphorus management

Like in energy management,P management must be integrate

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P inputs – P harvested

Are we creating P stocks/reserves?

Every year we bring a littleof Morocco to Brazil.

Are we using the rightphosphate fertilizers?

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P Dynamics

Can we use X-rays to unlock P dynamics?

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Synchrotron

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2 mm0.000

131.9

263.8

395.6

527.5

659.4

791.3

923.1

1055

P

http://www-ext.impmc.upmc.fr/~blanchard/Crimin.html

2D chemical imaging

3D chemical imaging

Structure

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US$ 13

US$ 367

Can we play with P prices?

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Can we master soil physical-chemistry?

Université de Paris1898

Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft

zur Förderung der Wissenschaften

1939

Imperial College1928

University of Cincinnati 1954

X-ray related discoveries/inventions

Biomolecule structures: DNA, Ribosome, Proteins Minerals Catalysts mechanisms Medical devices

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X-ray fluorescencespectroscopy

X-ray absorptionspectroscopy

&

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DVTEC – Laboratório de Instrumentação Nuclear

Limits of detection in XRF

2Introduction to

X-ray Fluorescence Spectroscopy

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DVTEC – Laboratório de Instrumentação Nuclear

Lab Equipments for XRF

Micro-XRF

Handheld XRF

Total Reflection XRF

EDXRF$ 50 K $ 60 K

$ 180 K

$ 90 K

Introduction toX-ray Fluorescence Spectroscopy 3

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DVTEC – Laboratório de Instrumentação Nuclear

What does happen after absorption?

Introduction toX-ray Fluorescence Spectroscopy 14

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DVTEC – Laboratório de Instrumentação Nuclear

Principles of XAS- spectral regions

X-ray Absorption Spectroscopy for the Direct Analysis of Solids

E 0

1shn

Modified from Dr. Valerie Briois

E 0

1shn

very lowE c

3d

E 0

1shn

E c low

E 0

1shn

E c High

Ab

sorb

ance

5900 6100 6300 6500 6700

E (eV)

XANES EXAFS

Pre-edge edge

Cr XAS spectrum

The electron fateafter ejection

≠ theories for ≠ regions

33

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Examples ofX-ray fluorescence

spectroscopy

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cX-ray fluorescence & P uptake

Microprobe X-rayfluorescence spectrometer

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c

Why does it precipitate?

X-ray fluorescence & P uptake

Time (h)0 4

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c

Sugar cane leaves

In vivo & in situ P quantitative analysisNovember 2019Thais Soares, doctoral cand.Prof. P. PavinatoESALQ-USP

Treatments:FNR STPFNR+ Torta STP+Torta

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Examples of X-rayabsorption spectroscopy

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cXANES and P figerprint

L-edge K-edge

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What are we doing atCENA & ESALQ

USP

In partnership with Prof. Paulo S. Pavinato, ESALQ-USP

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P gradients in the rhizosphereof soybean

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cX-ray fluorescence & P uptake

Total P concentration

• Determination by standard addition methodSample Increment (mg/kg) Intensities

cps/uA

P0 (Original) 0 0.0121

P5 200 0.0147

P4 400 0.0166

P3 600 0.0222

P2 800 0.0208

P1 1000 0.0219

y = 1E-05x + 0.0125

R² = 0.9909

0

0.01

0.02

0.03

0 500 1000 1500

Standard addition

[P] = 1280 mg kg-1

• Wet chemical fractionation indicated only 1.6% isreadily available to the plants.

• 3.8% is labile, i.e. plants can access at the expense ofroot exudates.

• Nearly 24% is strongly adsorbed to the soil.• 70.6% is not any more accessible.

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Element soil

Adjusted R-

Square

Slope

Al 0.95 1.08±0.02

Si 0.93 1.05±0.02

Ca 0.59 0.31±0.02

Fe 0.81 0.75±0.02

Rh L 0.84 0.61±0.02

Soil layer disposedon the top a XRF cuvette

Scatter plotsCredits: Dr. Matheus Barreto

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P1

P2

P3

P4

P5

Exploring points

XRF is not restricted to phosphorus

125 µm125 µm

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0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.60

50

100

150

200

250

P in

ten

sity (

ne

t in

ten

sity)

Distance (mm)

Instrumental LOD

Phosphorus

In situ Linescans

The least disturbance

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0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20

20

40

60

80

100

120

140

160

P inte

nsity (

net in

tensity)

Distance (mm)

Instrumental LOD

Phosphorus

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

0

20

40

60

80

100

120

Inte

nsity (

ne

t in

ten

sity)

Distance (mm)

K

Rh

P

100

200

300

400

500

600

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

P depletion layer?

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0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20

20

40

60

80

100

120

140

160

P inte

nsity (

net in

tensity)

Distance (mm)

Instrumental LOD

Phosphorus

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

Distance (mm)

P / Rh intensity

P intensity

P n

orm

aliz

ed b

y R

h

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

P n

et net in

tensity

P depletion layer?

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Gradients close to hairs?

Perhaps we need higher lateral resolution to probe the hairneighbourhood

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Tracing P movement in soil

LNLS beamtimein November 2018

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cP imaging & chemical speciation

MAP granule

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cLNLS setup

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Mn chemical speciation

Time= 15:35-16:2720.09.18

Time= 19:18-22:0020.09.18

Time= 22:01-00:3020.09.18

Time= 00:56-04:1021.09.18

0.5 mm-5.5 mm

0 mm

2.5 mm

Granule 1

We traced P diffusionfrom granule to root

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Time= 10:00-13:0221.09.18

Time= 13:04-16:1021.09.18

Time= 16:11-19:0921.09.18

Time= 20:43-23:4621.09.18

5 mm-4.5 mm

3 mm

5 mm

Granule 2

We traced P diffusionfrom granule to root

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cIn vivo P uptake & Speciation

2140 2150 2160 2170 21800.00E+000

1.00E+013

2.00E+013

3.00E+013

4.00E+013

5.00E+013

XR

F P

-K

(E)

(cps)

Energy (eV)

M_Xanes_BOX3_Fert_raiz_t0

M_Xanes_BOX3_Fert_raiz_t3

2140 2150 2160 2170 21800

1

2

3

4

5

Norm

. P

-K

(E)

Energy (eV)

M_Xanes_BOX3_Fert_raiz_t0

M_Xanes_BOX3_Fert_raiz_t3

Non-Normalized

NormalizedIncreasing P content

P concentration increased in roots the influx P is chemically diferentefrom pristine P

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Innovation in targeting phosphorusinputs to crops: uptake and mobility of foliar phosphate

In partnership withProf. Paulo S. Pavinato, ESALQ-USPProf. Paul Whiters, U. Bangor (UK)

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cP foliar uptake by wheat Marcos Gomes, 3rd year doctoral candidate

Dr. Wilfrand Herrera, ESALQ

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c

Healthy plants absorb faster

X-ray fluorescence & P uptake

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Thank [email protected]

Group of Applied X-ray Spectroscopy


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