Выделение и исследование наночастиц городской пыли Москвы

Актуальность

Наночастицы – изолированный твердофазный объект, имеющий выраженную границу с окружающей средой, размеры которого хотя бы в одном из измерений составляют от 1 до 100 нм. Наночастицы могут иметь разнообразную морфологию.

Наночастицы городской пыли могут аккумулировать различные вещества, в т. ч. токсичные, переноситься на значительные расстояния в окружающей среде и обладать высокой проникающей способностью. 

Наночастицы пыли являются неотъемлемой частью жизни. Человек находится в постоянном контакте с окружающей средой посредством дыхательной системы, жк-тракта, кожи и слизистых оболочек, которые служат основными путями проникновения наночастиц в организм. Наночастицы находятся в постоянном контакте с городскими экосистемами. Вследствие этого наночастицы городской пыли представляют потенциальную опасность для состояния экосистем, живых организмов и человека и могут служить причинами возникновения различных заболеваний. 

Таким образом, наночастицы городской пыли требуют тщательного изучения и контроля.

Цель

Выделить и определить размер и элементный состав наночастиц городской пыли Москвы.

Задачи

1. Выделить наночастицы из образцов городской пыли Москвы.
2. Определить размер выделенных наночастиц.
3. Определить массу выделенных наночастиц.
4. Определить элементный состав наночастиц.
5. Оценить степень аккумулирования тяжёлых металлов в наночастицах городской пыли Москвы.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Спектрофотометр
• Вращающаяся спиральная колонка (ВСК)
• Полипропиленовые пробирки объёмом 15 и 50 мл (Corning Science, Мексика)
• Дозаторы пипеточные объёмом 1, 5 и 10 мл (Thermo Scientific, Россия)
• Полипропиленовые наконечники для дозаторов объёмом 1, 5 и 10 мл (Thermo Scientific, Россия)
• Стальной микрошпатель (IsoLab, Германия)
• Стеклянный мерный цилиндр объёмом 50 мл (МиниМед, Россия)
• Стеклянная коническая колба объёмом 100 мл (Клин, Россия)
• Бумага для взвешивания (Hahnemühle, Германия)
• Полипропиленовые чашки Петри (МиниМед, Россия)
• Стеклянный эксикатор (МиниМед, Россия)
• Силикагель индикаторный (Сорбис Групп, Россия)
• Тефлоновая (PTFE) трубка с внутренним диаметром 1,6 мм и толщиной стенок 0,75 мм (Bola, Германия)
• Полипропиленовые фитинги с внутренним диаметром 1,6 мм (Bola, Германия)
• Силиконовая трубка с внутренним диаметром 2.4 мм (Watson Marlow, Англия)

Описание

1. Выделение

Навеску пыли в 1 грамм диспергировали 10 мл деионизированной воды. Полученную смесь тщательно перемешивали путём встряхивания. Наночастицы выделяли методом проточного фракционирования в ВСК при скорости прокачивания смеси 0,4 мл/мин. и скорости вращения центрифуги 800 об/мин., предварительно сделав холостой опыт. Полученную аликвоту собирали в пробирку для дальнейшего изучения.

2. Изучение размеров наночастиц

Для изучения размеров выделенных наночастиц применяли метод лазерной дифракции. Выделенную смесь помещали в промытую измерительную ячейку и проводили измерение, предварительно сделав холостой опыт с деионизированной водой в ячейке.

3. Изучение элементного состава

Элементный состав наночастиц изучали методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. Исследуемые образцы ионизировали в индуктивно связанной плазме, полученные ионы, проходя через специальную оптику, а также фильтры, попадали на датчики. По отношению массы к заряду иона определялся металл, а по количеству ионов – содержание его в наночастицах.

4. Измерение массы наночастиц

Для измерения массы наночастицы осаждали на фильтры, предварительно измерив их сухую массу. Фильтры помещали в фильтрационную ячейку, смачивали, заливали аликвоту и под давлением 2 атм азота осаждали наночастицы на фильтры. После осаждения фильтры высушивали в эксикаторе и повторно взвешивали. Разницу в весе считали массой наночастиц.

Результаты работы/выводы

1. Показано, что размер выделенных наночастиц составил менее 100 нм, средний размер выделенных наночастиц составил около 40 нм.
2. Массы выделенных наночастиц составили для образца № 1 — 0,34 мг; образца № 2 — 0,11 мг; образца № 3 — 0,04 мг; образца № 4 — 0,24 мг, что соответствует 0,034%, 0,011%, 0,004% и 0,024% массе исходных образцов. Таким образом, содержание наночастиц в исходных образцах городской пыли составляет лишь сотые доли процентов.
3. Определено содержание тяжёлых металлов в исходных образцах городской пыли; выявлено, что они превышают среднее содержание соответствующих тяжёлых металлов в городских почвах в 1,5 раза.
4. Определено содержание тяжёлых металлов в наночастицах городской пыли, выделенных из исходных образцов городской пыли методом фракционирования частиц в ВСК; выявлено, что содержание Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Sn, Tl и Pb в наночастицах в среднем в 25 раз больше, чем их валовое содержание.

Перспективы использования результатов работы

Результаты работы позволяют оценить экологическую ситуацию в Москве.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

НИТУ МИСиС

Награды/достижения

Ежегодная научная конференция 77-е Дни науки МИСиС – победитель

Мнение автора

«Тема работы является крайне актуальной, так как наночастицы городской пыли имеют чрезвычайно высокую сорбционную способность к различным веществам и элементам, проникновению в организмы, а также высокой подвижностью во всех средах. Тяжёлые металлы, переносчиком которых являются наночастицы, токсичны и могут вызывать различные заболевания. Кроме того, наночастицы являются отличным индикатором загрязнённости городской среды.

Также в работе использовались перспективные методы выделения и изучения наночастиц».