세계 전역에서 많은 곳의 토양이 오염되어 있습니다. 토양은 천연 금속과 합성 금속, 유기 화합물, 미네랄로 오염될 수 있습니다.
인구가 늘어나면서 오염된 토지를 복구해야 한다는 압박이 거세지고 있습니다. 그렇지만 토양 복구에 따르는 한 가지 문제는 비용 효율적인 평가 옵션이 없다는 것입니다. 따라서 연구자들은 토양 복구 프로세스를 더 빠르고 쉽게 진행할 수 있도록 새로운 기술(또는 기술 조합)을 찾고 있습니다.
텍사스공과대학(TTU) 식물토양과학부 다비드 C. 바인도르프(David C. Weindorf) 교수와 인도 카라그루프에 있는 인도공과대학교(Indian Institute of Technology) 좀수브라 차크라보르티(Somsubhra Chakraborty) 조교수는 가시 근적외선 확산 반사법(Vis-NIR)과 X선 형광(XRF) 기술의 데이터를 결합한 비용 효율적인 휴대용 토양 분석 솔루션을 발견했습니다.
이 예측 모델은 Vis-NIR의 확산 반사 스펙트럼을 XRF이 제공하는 요소 데이터와 관련지을 수 있습니다. 작동 원리는 다음과 같습니다.
토양 분석을 위한 Vis-NIR과 XRF의 연관성 이해
잘 모르는 사용자를 위해 설명하면 Vis-NIR은 토양에서 가시광선 및 근적외선을 방출하는 방식으로 작동합니다(손전등과 매우 유사함). 일부 빛은 접촉 프로브에 다시 반사되어 광섬유 케이블을 통해 백팩에 장착된 분광복사계로 이동하며, 이때 반사광 파장은 1nm 간격으로 350nm부터 2,500nm까지 정확하게 측정됩니다.
이와 별도로 XRF 분석기는 상호 보완적인 스캔에서 원소 데이터를 수집합니다. 그런 다음, 머신 러닝 알고리즘(예: 랜덤 포레스트 회귀, 증가된 회귀 트리)을 사용하여 데이터 세트를 결합한 후 관심 분석물질을 예측합니다.
기본적으로 Vis-NIR 스펙트럼은 기본 모델링 데이터로 사용되며 XRF 원소 데이터는 보조 입력 데이터로 모델에 추가됩니다. 이러한 방식으로 데이터 모델링을 결합하면 두 센서를 분리한 경우보다 정확도가 높아진다는 점이 거듭 확인되었습니다.
두 기술의 검출 기능은 상호 보완적입니다. Vis-NIR은 수분과 유기 탄소 화합물에 매우 민감합니다. 반면 XRF는 환경/작물과 관련된 다양한 원소(예: 식물 필수 원소, 중금속)를 확실하게 검출합니다.
이들 방법은 광산과 매립지에서 석유 유출과 황무지에 이르기까지 전 세계 다양한 환경에서 적용되었습니다.
수상 경력에 빛나는 발견
이 획기적인 발견은 결국 주목받게 되었습니다. 2018년 바인도르프(Weindorf) 박사와 차크라보르티(Chakraaborty) 박사는 XRF와 함께 Vis-NIR을 사용하여 토양 샘플의 특성을 알아내는 기술 특허를 취득했습니다. 또한 관련 기술/진보를 위한 그들의 다른 여러 특허도 적극적으로 검토되고 있습니다.
이들의 성과는 많은 과학 논문에 실렸고 미육군공병대(US Army Corps of Engineers) 및 NASA와 활발한 협력을 하기에 이르렀습니다. 괄목할 만한 두 가지 연구는 다음과 같습니다.
그렇다면 바인도르프 박사가 연구에 사용한 XRF 장비는 무엇이었을까요? 바로 올림푸스의 Vanta™ 휴대용 XRF 분석기가 그런 장비라고 자신 있게 말할 수 있습니다.
TTU의 이 비디오는 바인도르프 박사가 Vanta XRF 분석기와 Vis-NIR 분광계를 함께 사용하여 어떻게 주위 환경에 대한 연구자들의 이해를 도울 수 있는지 설명합니다.
다비드 바인도르프 박사가 제공한 비디오
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바인도르프 박사(왼쪽)와 박사과정 학생 아우툼 아크리(오른쪽)는 루마니아에서 Vanta 휴대용 XRF 분석기를 사용하여 토양을 분석합니다.
올림푸스 리소스 Vanta for Environmental Assessments(환경 평가용 Vanta)를 확인하여 XRF를 사용한 토영과 환경 분석에 대해 자세히 알아보십시오.
