СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДИК РЕНТГЕНОФЛУОРЕСЦЕНТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА АРХЕОЛОГИЧЕСКОЙ КЕРАМИКИ ИЗ МАЛЫХ НАВЕСОК

Wavelength-dispersive X-ray fluorescence analysis (WDXRF) and total-reflection X-ray fluorescence (TXRF) analysis were applied to study the elemental composition of the Late Neolithic ancient ceramics collected at the Popovsky Lug burial site (Kachug, Upper Lena river, Russia). Semi-quantitative non-destructive analysis of ceramic pieces showed that measurements of the upper and lower sides of the ceramic are less informative than the measurement of its cut. Various sample preparation techniques for the low quantity of crushed ceramics such as fusion, pressing and preparation of suspensions were compared to preserve the material. Samples were prepared as 150 mg fused beads and 250 mg pressed pellets for WDXRF, and as suspensions of 20 mg sample based on the aqueous solution of the Triton X-100 surfactant for TXRF. Certified methods were used to validate the obtained contents of rock-forming oxides and inductively coupled plasma mass spectrometry was used to confirm the results of trace elements determination. Based on the carried-out studies, a combination of the wavelength-dispersive X-ray fluorescence analysis (glass) and total-reflection X-ray fluorescence analysis (suspension) methods was chosen to obtain the data on the elemental bulk composition of archaeological ceramics. The proposed combination allowed the quantitative determination of Na, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Ti, Mn, Fe, V, Cr, Ni, Cu, Zn, Ga, Rb, Sr, Y, Zr, Pb, and Ba from the sample of crushed ceramics weighing only about 170 mg.Keywords: wavelength-dispersive X-ray fluorescence analysis, total reflection X-ray fluorescence analysis, ceramics, archeology, Popovsky Lug, Upper Lena River DOI: http://dx.doi.org/10.15826/analitika.2020.25.1.001 G.V. Pashkova1,2, M.M. Mukhamedova1,2, V.M. Chubarov1,3, A.S. Maltsev1,4,A.A. Amosova3, E.I. Demonterova1, E.A. Mikheeva1, D.L. Shergin1,2,5, V.A. Pellinen1, A.V. Teten'kin1,4 1Institute of the Eatrh’s Crust, SB RAS, 128 Lermontov St., 640033, Irkutsk, Russian Federation2Irkutsk State University, 1 K. Marx St., 664003, Irkutsk, Russian Federation3Vinogradov Institute of Geochemistry, SB RAS, 1А Favorsky st., 664033, Irkutsk, Russian Federation4Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov st., 664074, Irkutsk, Russian Federation5Irkutsk Regional Museum of Local Lore; 13 K. Marx st., 664003, Irkutsk, Russian FederationДля изучения элементного состава древней керамики эпохи позднего неолита стоянки-могильника Поповский Луг (район поселка Качуг, верховье реки Лены, Россия) использованы два варианта рентгенофлуоресцентного анализа: традиционный рентгенофлуоресцентный анализ с волновой дисперсией (WDXRF) и рентгенофлуоресцентный анализ с полным внешним отражением (TXRF). Приближенно-количественный анализ фрагментов керамики без измельчения показал, что измерения внешней и внутренней поверхности фрагментов керамики являются менее информативными, по сравнению с измерением ее среза. Апробированы способы подготовки проб, ориентированные на анализ малых навесок измельченной керамики с целью сохранения материала: сплавление, прессование и приготовление суспензий. Для WDXRF излучатели готовили в виде сплавленных стекол из 150 мг пробы, а также в виде прессованных таблеток из 250 мг пробы. Для проведения TXRF использовали суспензии из 20 мг пробы на основе водного раствора поверхностно-активного вещества Triton X-100. В качестве методик сравнения при определении породообразующих оксидов применяли аттестованные методики количественного химического анализа, при определении микроэлементов – метод масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. Проведенные исследования показали, что для получения данных об элементном валовом составе археологической керамики предпочтительно использование комбинации методов WDXRF (стекло) и TXRF (суспензия). Предложенная схема позволяет проводить количественное определение Na, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Ti, Mn, Fe, V, Cr, Ni, Cu, Zn, Ga, Rb, Sr, Y, Zr, Pb и Ba из навески измельченной керамики массой примерно 170 мг.Ключевые слова: рентгенофлуоресцентный анализ с волновой дисперсией, рентгенофлуоресцентный анализ с полным внешним отражением, керамика, археология, Поповский Луг, Верхняя ЛенаDOI: http://dx.doi.org/10.15826/analitika.2020.25.1.00

Comparative analysis of X-ray fluorescence methods for elemental composition determination of the archaeological ceramics from low sample quantity

Для изучения элементного состава древней керамики эпохи позднего неолита стоянки-могильника Поповский Луг (район поселка Качуг, верховье реки Лены, Россия) использованы два варианта рентгенофлуоресцентного анализа: традиционный рентгенофлуоресцентный анализ с волновой дисперсией (WDXRF) и рентгенофлуоресцентный анализ с полным внешним отражением (TXRF). Приближенно-количественный анализ фрагментов керамики без измельчения показал, что измерения внешней и внутренней поверхности фрагментов керамики являются менее информативными, по сравнению с измерением ее среза. Апробированы способы подготовки проб, ориентированные на анализ малых навесок измельченной керамики с целью сохранения материала: сплавление, прессование и приготовление суспензий. Для WDXRF излучатели готовили в виде сплавленных стекол из 150 мг пробы, а также в виде прессованных таблеток из 250 мг пробы. Для проведения TXRF использовали суспензии из 20 мг пробы на основе водного раствора поверхностно-активного вещества Triton X-100. В качестве методик сравнения при определении породообразующих оксидов применяли аттестованные методики количественного химического анализа, при определении микроэлементов – метод масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. Проведенные исследования показали, что для получения данных об элементном валовом составе археологической керамики предпочтительно использование комбинации методов WDXRF (стекло) и TXRF (суспензия). Предложенная схема позволяет проводить количественное определение Na, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Ti, Mn, Fe, V, Cr, Ni, Cu, Zn, Ga, Rb, Sr, Y, Zr, Pb и Ba из навески измельченной керамики массой примерно 170 мг.Wavelength-dispersive X-ray fluorescence analysis (WDXRF) and total-reflection X-ray fluorescence (TXRF) analysis were applied to study the elemental composition of the Late Neolithic ancient ceramics collected at the Popovsky Lug burial site (Kachug, Upper Lena river, Russia). Semi-quantitative non-destructive analysis of ceramic pieces showed that measurements of the upper and lower sides of the ceramic are less informative than the measurement of its cut. Various sample preparation techniques for the low quantity of crushed ceramics such as fusion, pressing and preparation of suspensions were compared to preserve the material. Samples were prepared as 150 mg fused beads and 250 mg pressed pellets for WDXRF, and as suspensions of 20 mg sample based on the aqueous solution of the Triton X-100 surfactant for TXRF. Certified methods were used to validate the obtained contents of rock-forming oxides and inductively coupled plasma mass spectrometry was used to confirm the results of trace elements determination. Based on the carried-out studies, a combination of the wavelength-dispersive X-ray fluorescence analysis (glass) and total-reflection X-ray fluorescence analysis (suspension) methods was chosen to obtain the data on the elemental bulk composition of archaeological ceramics. The proposed combination allowed the quantitative determination of Na, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Ti, Mn, Fe, V, Cr, Ni, Cu, Zn, Ga, Rb, Sr, Y, Zr, Pb, and Ba from the sample of crushed ceramics weighing only about 170 mg.Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 19-78-10084. Все измерения проводили с использованием оборудования Центров коллективного пользования «Изотопно-геохимических исследований» ИГХ СО РАН и «Геодинамика и геохронология» ИЗК СО РАН. Авторы выражают благодарность ведущему инженеру ИЗК СО РАН С.В. Пантеевой за проведение ICP-MS анализа керамики и ведущему инженеру ИГХ СО РАН Г.А. Погудиной за определение породообразующих оксидов в образцах керамики.Current work was carried out with the financial support of the Russian Science Foundation (grant No. 19-78-10084). All measurements were performed using the equipment of “Isotope-Geochemical Research” and “Geodynamics and Geochronology” Joint Use Centers of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences. The authors are grateful to Svetlana Panteeva for ICPMS analysis and Galina Pogudina for the determination of rock-forming oxides in ceramic samples