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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

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

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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