Қоршаған ортаның нано- және микробөлшектерін бөлу, сипаттау және талдау: заманауи әдістері мен тәсілдері

Автор: Тоқтаубекова Гүлдана Тоқтаубекқызы

Организация: РВМК

Населенный пункт: Республика Казахстан, г.Алматы

Аңдатпа.Табиғи және антропогендік нано - және микробөлшектерді қоршаған орта бөлшектерін зерттеудің заманауи тәсілдері. Бөлу әдістері (тұндыру, мембраналық сүзгі, көлденең күш өрісіндегі ағындық фракциялау), бөлшектердің мөлшері мен морфологиясын бағалау әдістері (электронды микроскопия, динамикалық және статикалық жарық шашырауы), сондай - ақ олардың элементтік талдау әдістері (индуктивті байланысқан плазмамен атомдық - эмиссиялық және масс-спектрометрия, атомдық-абсорбциялық спектрометрия, рентгендік дисперсиялық спектроскопия). Табиғи шаң бөлшектерін, жанартау күлін, табиғи суларды, сондай-ақ қоршаған орта объектілеріндегі синтетикалық нанобөлшектерді зерттеудің бірқатар нақты мысалдары келтірілген. Қоршаған ортаның бөлшектерін зерттеу кезінде бірін - бірі толықтыратын бөлу, сипаттау және талдау әдістерінің кешенін қолдану қажеттілігі көрсетілген. Интернеттегі бөлшектерді бөлуге, өлшемін бағалауға және талдауға мүмкіндік беретін гибридті әдістерге ерекше назар аударылады. Сфор-табиғи нанобөлшектерді сипаттау мен талдаудың негізгі мәселелері, оларды шешудің мүмкін жолдары ұсынылған.

Түйін сөздер: нанобөлшектер, микробөлшектер, фракциялау, шаң, жанартау күлі, топырақ.

Топырақ, күл және шаң сияқты қоршаған ортаның полидисперсті нысандарында табиғи және антропогендік процестер нәтижесінде пайда болатын әртүрлі мөлшердегі қатты заттар бар. Бөлшектер атмосфера, гидросфера және педосфера арасында үнемі қозғалады және әртүрлі улы және қоректік элементтер мен заттарды тасымалдай алады [1]. Қоршаған орта бөлшектерінің химиялық және физикалық қасиеттері табиғи және тропогендік жағдайлардың әсерінен "қартаю" процестерінің нәтижесінде өзгеруі мүмкін [1, 2]. Бөлшектердің экожүйелер мен тірі организмдер үшін ықтимал қауіптілік дәрежесі олардың құрылымына, құрамына және мөлшеріне тікелей байланысты. Қоршаған ортаның полидисперсті объектілерін зерттеу кезінде нанобөлшектер ерекше назар аударуды қажет етеді. Жалпы қабылданған анықтамаға сәйкес, нанобөлшек-бұл өлшемдердің кем дегенде біреуінде өлшемі 1-ден 100 нм-ге дейін болатын объект [3]. Нанометрлік диапазондағы қоршаған ортаның бөлшектері әртүрлі морфологияға ие (наноөзегі, нано, нанопластиналар, нанотолқындар және т. б.) және кластерлерді (агломераттар), қасиеттерді және түзе алады-олардың сипаттамалары оларды құрайтын бөлшектердің қасиеттері мен сипаттамаларынан өзгеше [4]. Осылайша, нанобөлшектерді зерттеу кезінде олардың агломераттарын субмикрондық диа - пазондағы (1000 НМ) назардан тыс қалдыруға болмайды [5]. Түнгі бөлшектердің бетінің нақты ауданы микробөлшектер үшін ұқсас көрсеткіштен едәуір асып түсетінін ескеру қажет. Осылайша, бетінің үлкен ауданы химиялық реакциялар үшін аяққа айналады [2]. Осыған байланысты нанобөлшектердің ықтимал ток күші мен элементтерін сору қабілеті өте жоғары, сонымен қатар қоршаған ортада биожетімділігі жоғары [6, 7]. Осыған сәйкес, микро және макробөлшектерден айырмашылығы нанометрлік Өлшем диапазонындағы бөлшектер қоршаған ортада жоғары қозғалғыштыққа ие [1, 2]. Нанобөлшектерді ауа және су ағындарымен едәуір қашықтыққа тасымалдауға және тірі организмдерге енуге болады [2, 8, 9]. Айта кету керек, нанобөлшектер қоршаған ортаның полидисперсті үлгілерінің бір бөлігі бола отырып, әртүрлі шығу көздеріне ие (жанартау атқылауы, өрт, ойластырылған шығарындылар, тау - кен дело және т.б.) [2, 5]. Нанобөлшектердің екі негізгі түрін ажыратуға болады: антропогендік және табиғи.

Антропогендік нанобөлшектер өз кезегінде екі кіші түрге бөлінеді: синтетикалық (engi - neered) және "кездейсоқ" (incidental) [10]. Синтетикалық нанобөлшектер биология, химия, физика және медицина сияқты ғылымның әртүрлі салаларында кеңінен қолданылады [11, 12]. Сонымен қатар, олар электроника компоненттері (Электрондық схемалар мен процессорлардың элементтері мен жабындары), косметикалық өнімдер, тағамдық қоспалар, дәрі - дәрмектерді жеткізу жүйелері, бактерияларды және басқа биологиялық компоненттерді тануға арналған сенсорлар және т.б. ретінде адамдардың күнделікті өмірінің бір бөлігіне айналды. [2, 13, 14]. Қазіргі уақытта синтетикалық нанобөлшектердің өндіріс көлемі үнемі өсіп келеді, ал олардың қолдану аясы үздіксіз, бірақ кеңейіп келеді. Оларды пайдаланудың айқын артықшылықтарына қарамастан, бұл нанобөлшектер адамның денсаулығы мен экожүйелердің жай - күйі үшін өте қауіпті болуы мүмкін [2, 8]. Қоршаған ортадағы синтетикалық нанобөлшектердің негізгі көздері олармен жұмыс істеу процестері (өндіру, тасымалдау, қолдану және кәдеге жарату), сондай - ақ нанобөлшектерді (күннен қорғайтын крем және тіс пастасы) бірге ұстайтын ғарыш құралдары мен жеке күтім заттарын пайдалану болып табылады [15, 16]. Нанобөлшектердің ғылым мен техниканың әртүрлі салаларында кеңінен қолданылуына қарамастан, олардың қоршаған ортамен өзара әрекеттесуі жеткілікті зерттелмеген [2, 4, 8]. Өнеркәсіптік шығарындылар, пайдалы қазбаларды өндіру, автомобильдер мен авиациялық қозғалтқыштардың бөлшектерінің тозуы, жылу электр станцияларында қазба отындарын пайдалану және басқа да көптеген антропогендік процестер адам денсаулығы мен экожүйелердің жай - күйіне ықтимал қауіп төндіретін "кездейсоқ" нанобөлшектердің пайда болу көзі болып табылады [4, 5, 17]. Кездейсоқ нанобөлшектерінің болжанбайтын немесе өзгермелі құрамы бар, олар тек өнеркәсіптік технологияға ғана емес, сонымен қатар осы бөлшектердің қоршаған ортамен өзара әрекеттесуіне де байланысты болуы мүмкін. Айта кету керек, қалалық ортада шай нанобөлшектері негізінен өнеркәсіптік және құрылыс қызметі, автокөлік порты бөлшектерінің және әртүрлі құрылыс құрылыстарының тозуы мен коррозиясы, сондай - ақ қалдықтарды өңдеу нәтижесінде пайда болады [2, 4, 8]. Кездейсоқ нанобөлшектер жер үсті және су экожүйелерінің беттерінде шөгіп, топырақты, жер үсті және жер асты суларын ластайды [17, 18]. Кездейсоқ және синтетикалық нанобөлшектер қоршаған ортада ауа және су ағындары арқылы оңай қозғала алатынын және қоршаған ортаға әсер ете отырып, жергілікті полидисперсті үлгілердің бір бөлігіне айналатынын атап өткен жөн [2, 8]. Алайда, индустриалдың айтарлықтай дәрежесіне қарамастан-кейбір бағалаулар бойынша атмосферадағы кездейсоқ нанобөлшектердің үлесі небәрі 10% құрайды, ал қалған 90% - табиғи шыққан нанобөлшектер немесе табиғи нанобөлшектер [2]. Жердегі табиғи процестер табиғи нанобөлшектердің пайда болу көзі болып табылады. Қоршаған ортадағы табиғи нанобөлшектердің шығу көздеріне байланысты әртүрлі түрлерін ажыратуға болады: жанартау атқылауы, құмды дауылдар, орман және шымтезек өрттері, Жер атмосферасына енетін метеориттердің фрагментациясы, сондай - ақ теңіз бетінде пайда болған теңіз аэрозольдерінің түнгі жарықтары нәтижесінде пайда болатын нанобөлшектер және Мұхит. Өсімдік бөлшектері, Жануарлар фрагменттері, вирустар сияқты биогендік заттар да табиғи нанобөлшектер болуы мүмкін [19-22]. Табиғи нанобөлшектер әртүрлі элементтік құрамымен және құрылымының кең өзгеруімен ерекшеленеді [2, 8]. Қоршаған ортаның нанобөлшектерін зерттеу Аналитикалық химияның күрделі міндеті болып табылады [5]. Оларды зерттеудің негізгі кезеңдері оқшаулау және кейінгі сипаттау және талдау болып табылады. Бұл ретте қоршаған ортаның полидис-парсы үлгілеріндегі нанобөлшектер бастапқы үлгінің тек 0.01% (немесе одан аз) қоса алатынын ескеру қажет [17], Сондықтан бөлшектерді бөлу әдістері қоршаған ортаның нанобөлшектерін зерттеуде іргелі рөл атқарады. Нано және қоршаған орта микробөлшектерін бөлудің, сипаттаудың және талдаудың қосымша әдістерін қолдану мысалдары №1 кестеде жүйеленген.

 

 

НАНО ЖӘНЕ МИКРОБӨЛШЕКТЕРДІ ОҚШАУЛАУ ЖӘНЕ БӨЛУ ӘДІСТЕРІ

Қоршаған ортаның полидисперсті үлгілерін фракциялау үшін фракциялау принципі мен бөлінетін бөлшектердің Өлшем аймағы бойынша ерекшеленетін әртүрлі әдістер қолданылады [17, 111]. 100 мкм-ден асатын бөлшектерді фракциялау үшін, әдетте, дымқыл және құрғақ елеу әдістері қолданылады. Өлшемі 100 мкм-ден аз бөлшектерді көлденең күш өрісінде мембраналық сүзу, Тұндыру және ағынды фракциялау әдістерімен бөлуге болады. Қоршаған орта бөлшектерін фракциялау үшін қолданылатын бөлу әдістерінің жұмыс диапазондары және нано және микробөлшектердің Өлшем диапазондары суретте көрсетілген. 1.

 

Кесте 1. Нано және микробөлшектерді зерттеудің аралас және гибридті әдістері

Зерттелетін қоршаған орта бөлшектері	Бөліп алу әдістері	Сипаттау әдістері	Талдау әдістері	Зерттелетін бөлшектер фракцияларының Өлшем диапазоны*, мкм	Анықталатын элементтер**	Оқулық
Шаң	Елеу                         Елеу, Тұндыру Тұндыру Седиментация, МФ Центрифугалау     СедПФП     ВСК     Импакторда бөліну	–	ААС	<38 и <2000	Ag, As, Zn, Pb, Cu, Cd, Cr, Ni, Co, Hg, Mn, Sb, Ni	[23]
		–	ААС, МС-ИСП	<63 и <500	Pb	[24]
		–	РФС	<44 и <1000	Al, As, Ba, Bi, Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Ti, V, Zn, Fe, K, Ca, Na, Mn, Mg, Si	[25–28]
		ПЭМ, СЭМ-ЭДС	РДС	<20	Al, Cr, Fe, Cu	[29]
		СЭМ-ЭДС	АЭС-ИСП, РДС	<37 и 75–100	Al, As, Ca, Cd, Cu, Fe, Mg, Mn, Mo, Ni, Pb, S, Sb, Sn, Zn	[30]
		СЭМ-ЭДС	МС-ИСП	<147	Ag, Al, As, Ba, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Ga,	[31]
					Hg, K, La, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, P, Pb, Sb,
					Sr, Th, Ti, V, W, Zn
		СЭМ-ЭДС	РДС, МС-ИСП	<425	Al, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb	[32]
		СЭМ-ЭДС	ААС	<2 и 850–2000	Pb, Cu, Zn, Cd	[33]
		–	ААС	<2	Cd, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Ca, Zn, Mn, Pb, Ni	[34]
		–	ААС	<2.5 и 200–2000	Fe, Mn, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Sb, Zn	[35]
		СЭМ	–	0.2–3 и >10	–	[36]
		ЛД	АЭС-ИСП, МС- ИСП	<0.45 и 2.5-10	Na, Mg, Al, P, S, K, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, As, Cd, Sn, Sb, Ba, La, Ce, W, Hg, Tl, Pb, Bi	[37]
		Оптическая микроскопия	–	<50	–	[38]
		СЭМ-ЭДС	АЭС-ИСП	<10.3 и 10.3–44	Fe, Ca, Mg, Mn, Zn, Cr, Cu, Cd	[39]
		СЭМ, ЛД	АЭС-ИСП, МС-ИСП	<0.3 и 10–100	Na, Ba, Mg, Al, Si, P, S, Cr, K, Ca, Ti, Mn, Fe, Ni, Cu, Sr, Zn, Ni, Co, As, Se, Y, Ag, Cd,	[7, 9, 40, 41]
					Sn, Te, La, Ce, Pr, Nd, Gd, Dy, Ho, Hg, Tl,
					Pb, Bi, Th, U
		–	–	<0.07 и >25	–	[42–44]
		СЭМ-ЭДС	–	<10	–	[45]

 

Қолданылатын қысқартулардың тізімі: MС – мембраналық сүзу, ПФП – көлденең күш өрісіндегі ағындық фракциялау, СедПФП – тұндыру ПФП, симметриялы көлденең ағыны бар ПФП-СП – ПФП, асимметриялық көлденең ағыны бар ПФП-AП – ПФП, айналмалы спиральды бағандағы ВСК – фракциялау, ТЭM – трансмиссиялық электронды микроскопия, СЭМ-сканерлеуші электрондық микроскопия, ЭҚК-энергодисперсиялық рентгендік спектроскопия, ЛД-лазерлік дифракция, МС-көп бұрышты Жарық шашырауы, ДС - динамикалық жарық шашырауы, РДС – рентгендік дифракциялық спектроскопия, РФС – рентгендік флуоресцентті спектроскопия, ААС – атомдық-абсорбциялық спектроскопия, индуктивті байланысқан плазмамен АЭС - ИП – атомдық-эмиссиялық спектрометрия, индуктивті байланысқан плазмамен МС-ИП – масс-спектрометрия, МС-ИП-ЭЧ – индуктивті байланысқан плазмамен масс-спектрометрия бөлшектерді талдау режимінде.

* Әр түрлі мөлшердегі бөлшектердің бірнеше фракцияларын зерттеген жағдайда, кестеде осы фракциялар өлшемдерінің минималды және максималды мәндері келтірілген. Бөлшектердің бір фракциясы зерттелген жағдайда, кестеде берілген фракция мөлшерінің сәйкес мәні келтірілген.

** Кестеде қос нүктемен бөлінген элементтер (мысалы, Se : Cd : Zn : Al) бөлінумен бір уақытта гибридті талдау әдісімен анықталды.

НАНО ЖӘНЕ МИКРОБӨЛШЕКТЕРДІ БӨЛУ, СИПАТТАУ ЖӘНЕ ТАЛДАУ

(а) Центрифугалау (б) Аймақтық Центрифугалау (в) Изопикникалық Центрифугалау

Центрифугалау уақыты

Сурет. 2. Центрифугалау принциптері (а), сондай-ақ зоналық (б) және изопикникалық (в) Центрифугалау режимдері.

ҚОРШАҒАН ОРТАНЫҢ НАНОБӨЛШЕКТЕРІН СИПАТТАУ ЖӘНЕ ТАЛДАУ ЕРЕКШЕЛІКТЕРІ

Қоршаған ортаның нанобөлшектерін бөлу, сипаттау және талдау нәтижелерін бағалау қазіргі уақытта күрделі және өзекті міндет болып табылатын табиғи минералды бөлшектердің стандартты үлгілерінің болмауымен қиындады [17]. Бөлшектердің бөліну нәтижелерін бағалау кезінде өлшемдерді анықтауды қосымша жарық шашырау әдістерімен (LD, DS және mus) және электронды микроскопиямен (Sam және Pam) (кесте) жүргізу қажет. 1). Айта кету керек, гранулометриялық композиция сфералық сағаттар туралы болжаммен Жарық шашырау әдістерімен анықталады, нәтижесінде анықтау нәтижелері біршама бұрмалануы мүмкін. Жарық шашырау әдістерімен алынған нәтижелерді электронды микроскопия әдістерімен растауға болады. Электрондық микроскопия әдістерімен сипаттау бөлшектердің морфологиясы, пішіні және өлшемдері туралы оларды визуализациялау арқылы нақты ақпарат береді. ППФП әдістері қарастырылған бөлу әдістерінің ішіндегі ең әмбебап болып табылады, өйткені оларды нано - стицаларды бір уақытта бөлу және сипаттау үшін пайдалануға болады. Дегенмен, ППФП әдістерінің теориясы да кейбір болжамдарға негізделген, сондықтан бөлу және сипаттау нәтижелері жоғарыда аталған микроскопия және/немесе жарық шашырау әдісімен расталуы керек (кесте. 1). Сондай-ақ, белгілі бір ерекшеліктері бар мембраналық сүзу әдісіне назар аудару керек. Мембраналардың кеуек өлшемін берілген кеуектер арқылы өтетін бөлшектердің гранулометриялық құрамының жоғарғы шегі ретінде пайдалануға болады. Мембраналық сүзу мембраналық тесіктердің өлшемінен кіші бөлшектердің фракциясының бөлінуін қамтамасыз етеді. Мембраналық сүзгілеу арқылы бөлу нәтижелері, басқа бөлу әдістері сияқты, микроскопия және/немесе жарық шашырау әдістерімен расталуы керек. Айта кету керек, импакторлардағы бөлу бөлшектердің аэродинамикалық диаметріне сәйкес жүзеге асырылады, оның шамасы мембраналық филе - трацияға ұқсас бөлшектердің гранулометриялық құрамының жоғарғы шегі ретінде қолданыла алады. Элементтік талдау нәтижелерін бағалау үшін зерттелетін қоршаған орта нанобөлшектеріндегі кейбір элементтердің концентрациясын екі тәуелсіз талдау әдісімен анықтау ұсынылады. Бұл екі тәуелсіз әдіспен алынған элементтердің концентрациясын статикалық салыстыру арқылы өлшемдердің дұрыстығын бақылауға мүмкіндік береді. Осылайша, қоршаған ортаның нанобөлшектерін зерттеу табиғи геохимиялық процестерді түсіну үшін де, олардың че - ловек пен экожүйеге ықтимал қауіптілігін бағалау кезінде де қажет. Қоршаған ортаның микробөлшектерінен айырмашылығы, нанобөлшектер бүгінгі күнге дейін аз зерттелген, бұл байланысты рмен-оларды оқшаулау мен талдаудағы қиындықтар үйі. Қоршаған ортаның полидисперсті үлгілеріндегі нанобөлшектердің мөлшері өте төмен және әдетте 0.01% - дан аспайтынын атап өткен жөн. Нанобөлшектерді зерттеудің негізгі кезеңдері оларды қоршаған орта үлгілерінен оқшаулау, кейінгі сипаттама және элементтік талдау болып табылады. Қазіргі уақытта қоршаған ортаның нанобөлшектерін зерттеу үшін қолдануға болатын бірыңғай әдістеме жоқ. Жоғарыда қарастырылған нанобөлшектерді бөлу және талдау әдістерінің артықшылықтары да, шектеулері де бар. Бөлу, сипаттау және талдау әдістерін таңдағанда қоршаған орта үлгілерінің әртүрлі параметрлерін, бөлінетін бөлшектердің мөлшерін, олардың қасиеттерін, сондай-ақ анықталатын элементтерді ескеру қажет. Көп жағдайда сенімді нәтижелерге қол жеткізу үшін әртүрлі бөлу, сипаттау және талдау әдістерін бір - бірімен бірге қолдану керек.

 

ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ

1. Wilkinson K.J., Lead J.R. Environmental Colloids and Particles: Behaviour, Separation and Characterisa- tion. San Francisco: John Wiley & Sons, 2007. P. 470.
2. Buzea C., Pacheco I.I., Robbie K. Nanomaterials and nanoparticles: Sources and toxicity // Biointerphases. 2007. V. 2. № 4. P. MR17.
3. ISO/TS 80004-2: Nanotechnologies, Vocabulary, Part 2: Nano-objects. International Organization for Standardization. 2015. 10 p.
4. Jeevanandam J., Barhoum A., Chan Y.S., Dufresne A., Danquah M.K. Review on nanoparticles and nano- structured materials: History, sources, toxicity and regulations // Beilstein J. Nanotechnol. 2018. V. 9. № 1. P. 1050.
5. Faucher S., Le Coustumer P., Lespes G. Nanoanalytics: History, concepts, and specificities // Environ. Sci. Pollut. Res. 2018. V. 26. № 6. P. 5267.
6. Ermolin M.S., Fedotov P.S., Malik N.A., Karanda- shev V.K. Nanoparticles of volcanic ash as a carrier for toxic elements on the global scale // Chemo- sphere. 2018. V. 200. P. 16.
7. Fedotov P.S., Ermolin M.S., Karandashev V.K., Ladonin D.V. Characterization of size, morphology and elemental composition of nano-, submicron, and micron particles of street dust separated using field- flow fractionation in a rotating coiled column // Ta- lanta. 2014. V. 130. P. 1.
8. Ray P.C., Yu H., Fu P.P. Toxicity and environmental risks of nanomaterials: Challenges and future needs // J. Environ. Sci. Heal. Part C. 2009. V. 27. № 1. P. 1.
9. Ermolin M.S., Fedotov P.S., Ivaneev A.I., Karandashev V.K., Burmistrov A.A., Tatsy Y.G. Assessment of elemental com- position and properties of copper smelter-affected dust and its nano- and micron size fractions // Environ. Sci. Pollut. Res. 2016. V. 23. № 23. P. 2378.
10. Gottschalk F., Nowack B. The release of engineered nanomaterials to the environment // J. Environ. Monit. 2011. V. 13. № 5. P. 1145.
11. Lee S., Shin S., Lee S., Seo J., Lee J., Son S., Cho H.J., Algadi H., Al-Sayari S., Kim D.E., Lee T. Ag nanowire reinforced highly stretchable conductive fibers for wearable electronics // Adv. Funct. Mater. 2015. V. 25. № 21. P. 3114.
12. Shi J., Kantoff P.W., Wooster R., Farokhzad O.C. Can- cer nanomedicine: Progress, challenges and opportu- nities // Nat. Rev. Cancer. 2017. V. 17. № 1. P. 20.
13. Kaur J., Kaur G., Sharma S., Jeet K. Cereal starch nanoparticles – A prospective food additive: A review // Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 2018. V. 58. № 7. P. 1097.
14. Liu Y., Deng Y., Dong H., Liu K., He N. Progress on sensors based on nanomaterials for rapid detection of heavy metal ions // Sci. China Chem. 2017. V. 60. № 3. P. 329.
15. Contado C. Nanomaterials in consumer products: A challenging analytical problem // Front. Chem. 2015. V. 3. № 48.
16. Dan Y., Shi H., Stephan C., Liang X. Rapid analysis of titanium dioxide nanoparticles in sunscreens using single particle inductively coupled plasma–mass spec- trometry // Microchem. J. 2015. V. 122. P. 119.
17. Ermolin M.S., Fedotov P.S. Separation and characteri- zation of environmental nano- and submicron parti- cles // Rev. Anal. Chem. 2016. V. 35. № 4. P. 185.

1. file0.docx (239,7 КБ)

Опубликовано: 27.08.2024