СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СТАНДАРТНЫХ ОБРАЗЦОВ АЭРОЗОЛЕЙ
METHOD OF PREPARING STANDARD AEROSOL SAMPLES

Изобретение относится к аналитической химии и экспериментальной медицине, в частности к способам и средствам изготовления образцов, имитирующих по составу атмосферные аэрозоли, и может быть использовано при изучении их влияния на иммуноаллергический статус живых организмов.
Известен способ приготовления стандартных образцов аэрозолей в виде тонких органических пленок, которые получают путем добавления в раствор метилцеллюлозы стандартного раствора, содержащего определяемые элементы, затем смесь выливают на очищенную стеклянную пластину, расположенную горизонтально, высушивают на воздухе при комнатной температуре и из полимерной пленки штампуют образцы заданного размера (см. Billiet J., Pams R., Hoste J. Multielement thin film standards for XRF analysis // X-ray Spectrom. - 1980. - Vol.9, №4. - P.206-211).
Недостатком этого способа является неадекватность получаемых образцов реальным пробам аэрозолей, собранных на фильтр, по физико-химическим свойствам вследствие добавления определяемых элементов в раствор метилцеллюлозы в виде растворимых соединений. В то время как атмосферные аэрозоли и промышленные выбросы в атмосферу в основном представляют собой тонкодисперсные частицы, включающие нерастворимые в воде соединения металлов (алюмосиликаты, оксиды, карбонаты и др.).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ приготовления стандартных образцов аэрозолей на основе смеси тонкодисперсного порошка, содержащего определяемые элементы (см. RU №2239170, G01N 1/28, 2002). Затем смесь порошка, содержащего определяемые элементы, смешивают с порошком сухой метилцеллюлозы и заливают дистиллированной водой, нагретой до температуры 70-80°С, тщательно перемешивают и выдерживают при комнатной температуре, перемешивая каждые 30 мин в течение 2 час. Далее смесь медленно выливают на очищенную стеклянную пластину, расположенную горизонтально. Высушенную полимерную пленку снимают со стекла и из нее штампуют образцы заданного размера.
Недостаток этого решения - отбраковка примерно 5% экземпляров, при этом нестабильность по химическому составу оставшихся индивидуальных экземпляров стандартных образцов характеризуется коэффициентом вариации, равным 4-7% в зависимости от определяемого элемента. Различие содержания определяемых элементов в индивидуальных экземплярах стандартных образцов снижает точность контроля химического состава атмосферных аэрозолей, нагруженных на фильтр, с помощью различных спектральных и химических методик анализа. Также недостатком этого способа является длительность (около 3 час) и трудоемкость (все операции выполняются вручную) процесса получения однородной смеси полимерного раствора и определяемых компонентов. При этом существенным недостатком является невозможность использования образцов, имитирующих по составу атмосферные аэрозоли при изучении их влияния на живые организмы в эксперименте, в т.ч. иммуноаллергический статус живых организмов.
Задачей предлагаемого способа является обеспечение возможности использования образцов, имитирующих по составу атмосферные аэрозоли при изучении их влияния на живые организмы в эксперименте.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении возможности использования образцов, имитирующих по составу атмосферные аэрозоли при изучении их влияния на живые организмы в эксперименте. При этом обеспечивается возможность максимального подобия моделируемых атмосферных взвесей для разных регионов и условий.
Для решения поставленной задачи способ приготовления стандартных образцов аэрозолей на основе смеси тонкодисперсного порошка, содержащего определяемые элементы, отличается тем, что используют дисперсную смесь минеральных, синтетических и биологических материалов, при этом в качестве минерального компонента используют измельченный цеолитовый туф в двух размерных фракциях - до 1 мкм и от 1 до 100 мкм, в качестве синтетического компонента используют пластмассу, измельченную до фракций десятки мкм, в качестве биологического компонента используют измельченную до фракций не более 100 мкм смесь листьев и травы, и/или волос животных, и/или перьев птиц, представителей биосферы данного региона, причем предварительно с помощью гранулометрического анализа, выявляют присутствие названных видов моделирующих материалов и определяют их содержание в составе реальной атмосферной взвеси, в данном регионе применительно к конкретному сезону.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение комплекса функциональных задач.
Признаки «… используют дисперсную смесь минеральных, синтетических и биологических материалов» обеспечивают максимальное соответствие моделей реальных аэрозолей составу загрязнений атмосферы.
Признаки «… в качестве минерального компонента используют измельченный цеолитовый туф» обеспечивают как хорошую доступность этого материала как сырьевого компонента, так и учитывают тот факт, что цеолиты - горные породы коры выветривания, постоянно контактирующие с живыми организмами, в связи с их широкой распространенностью (одни из наиболее широко представленных алюмосиликатов, занимающих шестое место в мире по запасам).
3
Признаки, указывающие, что цеолиты должны быть представлены «… в двух размерных фракциях - до 1 мкм и от 1 до 100 мкм», позволяют учесть реальный гранулометрический состав минеральной взвеси, что важно в связи с различным механизмом воздействия на человеческий организм упомянутых фракций (более крупные частицы с учетом плотности материала не проходят дальше носоглотки, а более мелкие из-за своей летучести не оседают в верхних дыхательных путях): по данным Н.П.Юшкина (ВЕСТНИК ОТДЕЛЕНИЯ НАУК О ЗЕМЛЕ РАН - ЭЛЕКТРОННЫЙ НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЖУРНАЛ №1(22) 2004, статья «МИНЕРАЛЬНЫЙ МИР И ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА») каждый человек пропускает через свою дыхательную систему ежесуточно около 12 м воздуха, т.е. около 15 кг. Всего в земной атмосфере взвешено около 20 млн т минерального вещества. В промышленных районах их концентрация в сотни и даже тысячи раз выше; так что человек вдыхает не чистый воздух, а воздушно-минеральную смесь, аэрозоль с размером частиц от 0,001 до 1000 мкм. Каждый вдох - это втягивание до миллиона минеральных частиц.
В процессе эволюции живых организмов выработался довольно эффективный механизм очистки вдыхаемого воздуха: грубые частицы (более 5 мкм) оседают в каналах носоглотки, до 90% мелких частиц задерживается в верхних дыхательных путях и бронхах, из которых они удаляются вместе со слизью путем отхаркивания. Как показывают наши исследования, проникающая способность порошкообразных материалов в дыхательных путях зависит не только от крупности частиц, но и от режима дыхания; при глубоких энергичных вдохах (повышенной интенсивности дыхания) крупность частиц, способных проникнуть в верхние дыхательные пути, лежит в верхней части заявленного диапазона (от 5-6 до 10 мкм); при нормальном режиме дыхания крупность частиц, способных проникнуть в верхние дыхательные пути, лежит в средней части заявленного диапазона (от 2-3 до 5-6 мкм); при пониженной интенсивности дыхания крупность частиц, способных проникнуть в верхние дыхательные пути, лежит в нижней части заявленного диапазона (от 1-2 до 3-4 мкм).
Признаки, указывающие, что «в качестве синтетического компонента используют пластмассу, измельченную до фракций десятки мкм», учитывают реально достижимый диапазон крупности частиц синтетического компонента при измельчении пластмассы (при изготовлении компонента в процессе реализации способа), так и фиксируемый в реальных пробах аэрозоля.
Признаки, указывающие, что «в качестве биологического компонента используют измельченную до фракций не более 100 мкм смесь листьев и травы, и/или волос животных, и/или перьев птиц, представителей биосферы данного региона», обеспечивают возможность точной «привязки» свойств компонентов стандартных образцов аэрозолей к реальным условиям региона.
Признаки, указывающие, что «предварительно, с помощью гранулометрического анализа, выявляют присутствие названных видов моделирующих материалов и определяют их содержание в составе реальной атмосферной взвеси, в данном регионе», обеспечивают возможность точной «привязки» концентраций компонентов стандартных образцов аэрозолей и их материальную структуру к аналогичным параметрам реальных аэрозолей, фиксируемых в условиях данного региона.
Признаки, указывающие, что выявляют присутствие названных видов моделирующих материалов и определяют их содержание в составе реальной атмосферной взвеси, в данном регионе «применительно к конкретному сезону», позволяют учесть сезонные изменения названных параметров реальных аэрозолей.
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1-8 показаны образцы минеральной взвеси: на фиг.1 - из образца снега, собранного на полуострове Шкота (Увеличение х16); на фиг.2 - из образца снега, собранного в районе Первая речка (увеличение х10); на фиг.3 - из образца снега, собранного в районе ул. Пушкинской (увеличение х8); на фиг.4 - из образца снега, собранного в районе Второй речки (увеличение х18); на фиг.5 - из образца снега, собранного в районе Садгород (увеличение х8); на фиг.6 - из образца снега, собранного в районе Емар (увеличение х8): на фиг.7 - из образца снега, собранного в районе Змеинка (увеличение х18); на фиг.8 - из образца снега, собранного в районе бухты Тихой (увеличение х18); на фиг.9, а, б показаны электронные микрофотографии частицы резины из образца, собранного в районе Второй речки (увеличение а) х132 и б) х106); на фиг.10 показаны электронные микрофотографии частиц пластикового (а) и стекловатого волокна из образца, собранного в районе улицы Пушкинской (увеличение a) x111 и б) х197); на фиг.11 показаны электронные микрофотографии частиц - фрагментов морской органики из образца, собранного вблизи моря, в пробах района Садгород (а) и Эгершельд (б).
В основе заявляемого изобретения лежат следующие соображения.
Взвешенные в атмосфере частицы оказывают существенное влияние на качество воздуха и климат. При этом состав и загрязнение атмосферного воздуха являются одними из ведущих факторов риска для здоровья населения, например, атмосферное загрязнение, снижая иммунную сопротивляемость организма, сопровождается ростом инфекционно-аллергических респираторных заболеваний.
Оценка атмосферного переноса вещества и общей массы взвесей, произведенные разными авторами, расходятся в десятки и сотни раз, что связано с несовершенством применяемых методик и ограниченными возможностями применяемых измерительных средств (см. Глазовский Н.Ф. Избранные труды в двух томах. Т. 1. Геохимические потоки в биосфере. - М.: Товарищество научных изданий КМК, 2006. 535 с.2).
В связи с этим была выполнена оценка характеристик (материального состава, крупности и содержания) природных атмосферных взвесей на примере города-порта Владивосток. Пробы (атмосферные осадки в виде снега) собирались в течение зимнего сезона 2010-2011 гг. во время снегопадов. Точки отбора проб располагались в восьми районах Владивостока: полуостров Шкота (район ул. Крыгина); ул. Пушкинская (район фуникулера); Первая речка (район ул. Комсомольской); Вторая речка (район пересечения улиц Русской, Багратиона); Садгород (берег моря); Емар (берег моря); Змеинка (район ул. Космодемьянской) и бухта Тихая (зеленая зона на расстоянии 500 м от ТЭЦ-2). Чтобы исключить вторичное загрязнение антропогенными аэрозолями, отбирался только верхний слой (5-10 см) свежевыпавшего снега. Снег помещали в стерильные контейнеры объемом 1 л. Через пару часов, когда снег в контейнерах полностью истаивал, после взбалтывания из каждого образца набирали 40 мл жидкости и анализировали на лазерном анализаторе частиц Analysette 22 NanoTech (Fritsch). Это позволяло в ходе одного измерения устанавливать распределение частиц по размерам, а также определить их форму. Вещественный анализ взвесей производили на световом микроскопе Zeiss Discovery VI 2 (Германия) и электронном микроскопе Zeiss Ultra Plus с энергодисперсионным спектрометром (Германия). Напыление образцов для электронного микроскопа производили золотом.
В типичном образце, взятом на полуострове Шкота (берег моря) (фиг.1), были выявлены кварц, полевой шпат, кварц-полевошпатовые сростки, кварц с малахитовыми пленками, каолинит, труднодиагностируемые частички горных пород, кремнисто-железо-оксидные частицы, стекловатые частицы, техногенные частицы неустановленного происхождения, плагиоклазы, частицы бетона, шлаковые спеки, растительный детрит, частицы резины.
В районе Первой речки (промышленный район с наличием ТЭЦ-1) (фиг.2) были выявлены частицы сажи, кварца, полевого шпата, битума, стекла, резины. Сажа в виде слоя покрывает все остальные частицы, но при этом преобладающими по количеству являются минеральные природные частицы.
В образце, взятом на улице Пушкинской (промышленный район) (фиг.3), были выявлены кварц, полевой шпат, синтетические волокна, сажа (шлаки), оксиды железа, пленки (органические и неорганические).
В образце, взятом в районе Второй речки (район с повышенной автомобильной нагрузкой) (фиг.4), были выявлены кварц, частицы резины, полевой шпат, синтетические волокна, сажа, шлак, частицы неустановленной органики.
В образце, взятом в районе Садгород (берег моря) (фиг.5), были выявлены кварц, полевой шпат, шлак, ил, растительный детрит, неустановленная органика (волосы животного и фрагменты растений или водорослей), синтетические частицы, частицы угля. Многие частицы агрегированы.
В образце, взятом в районе Емар (берег моря) (фиг.6), были выявлены кварц, полевой шпат, плагиоклазы, эпидоты, металлические оксиды, частицы угля и асфальта, растительный детрит.
В образце, взятом в районе Змеинка (берег моря) (фиг.7), были выявлены кварц, полевой шпат, плагиоклазы, халцедон, эпидоты, техногенные частицы неустановленного происхождения.
В образце, взятом в районе бухты Тихой (промышленный район рядом с ТЭЦ-2) (фиг.8), были выявлены сажа, шлак, кварц, полевой шпат, плагиоклазы, спеки.
По всем районам г. Владивостока отмечается выраженная закономерность между экологическими характеристиками районов (например, повышенная автомобильная нагрузка или близость моря) и составом взвесей (частицы резины и фрагменты органики соответственно). Так, в районе Второй речки с повышенным автомобильным прессом встречались частички резины (фиг.9, а, б); в районе улицы Пушкинской встречается много техногенных частиц, в том числе пластиковых (фиг.10,а) и стеклянных (фиг.10,б) волокон; вблизи моря, в пробах района Садгород (фиг.11,а) и Эгершельд (фиг.11,б) были обнаружены фрагменты морской органики.
Все наблюдаемые частицы атмосферных взвесей можно разделить на три группы: природные неорганические (частицы минералов), антропогенные (частицы синтетики, шлаки, сажа и др.) и природные органические (пыльца, фрагменты насекомых и растений, шерсть животных и др.), что соотносится с наблюдениями и других исследователей (см. Иванов В.В. Вещественный состав нерастворимых частиц в снежном покрове Южного Сахалина (данные электронной микроскопии и ИК-спектроскопии) / В.В. Иванов, Н.А. Казаков, Л.Г. Колесова и др. // Тезисы докладов Международного симпозиума «Физика, химия и механика снега». - Южно-Сахалинск, 2011. С.33-37; Свинухов В.Г. Исследование, моделирование и прогноз загрязнения атмосферы в городе: автореф. дис. д-ра геогр. наук. - Владивосток, 1997. 44 с.; Сенотрусова С.В. Загрязнение атмосферы и состояние здоровья населения промышленных городов. - СПб: Изд-во Астерион, 2004. 246 с.; Христофорова Н.К. Экологические проблемы региона: Дальний Восток - Приморье. - Хабаровское книжное издательство, 2005. 304 с.; Шевченко В.П. Распределение и состав нерастворимых частиц в снеге Арктики / В.П.Шевченко, А.П.Лисицын, Р.Штайн и др. // Проблемы Арктики и Антарктики. 2007. №75. С.106-118).
Можно сделать вывод, что в современном городе (на примере Владивостока), несмотря на достаточно большое число источников техногенных атмосферных взвесей (ТЭЦ-1, ТЭЦ-2, 38 крупных котельных, мусоросжигательной завод и около 350 тыс. единиц автотранспорта), доля техногенных частиц не является преобладающей и составляет не более 10-15%. Данный факт можно объяснить характерными для г. Владивостока сильными зимними муссонными ветрами северо-западных румбов (с материка), сильной расчлененностью территории, а также сравнительно маломощным снежным покровом.
Таким образом структура стандартных образцов аэрозолей была принята как смесь минеральных, синтетических и биологических материалов.
Заявленный способ реализуется следующим образом.
В качестве минерального компонента взвеси необходимо использовать измельченный цеолитовый туф в двух размерных фракциях:
- первая, вторая - микро (1-100 мкм) (ее изготовление обеспечивается измельчением стерилизованных (например, облучением ультрафиолетом) навесок дробленного до 4-10 мм цеолита в ультразвуковом дезинтеграторе, например, Bandelin SONOPULS HD 2070 (рабочая частота 22 кГц, максимальная мощность 400 Вт)), подвергают измельчению до получения фракции с крупностью частиц менее 100 мкм;
- вторая - нано (до 1 мкм) (ее изготовление обеспечивается измельчением в вариопланетарной мельнице, например, pulverisette 4, навесок микроразмерного цеолита, приготовленного на первом этапе).
Синтетический компонент - измельченная пластмасса (сначала измельчается на металлической терке (до размера гранул менее 1 мм), а потом в планетарной мельнице (до десятков мкм)). Дальнейшее измельчение из-за пластических свойств материала невозможно. Состав материала для изготовления этого компонента определяется составом реальной атмосферной взвеси, определенной в регионе, для которого моделируется аэрозоль, при этом используется один-два, максимум три вида пластмассы, выявленной в реальных аэрозолях этого региона.
Биологический компонент представляет собой измельченную в ультразвуковом дезинтеграторе смесь листьев наземных деревьев, водорослей, волос животных (кошки, собаки). Состав материала для изготовления этого компонента определяется составом реальной атмосферной взвеси, определенной в регионе, для которого моделируется аэрозоль, при этом используется один-два, те виды материалов, доля которых не менее 15-20% в составе пробы реального аэрозоля этого региона.
Подготовленные таким образом монокомпоненты известным образом смешиваются в пропорции, соответствующей их долям в составе реальной атмосферной взвеси, определенной в данном регионе или сезоне с помощью гранулометрического анализа.
Подготовленный таким образом материал используют известным образом, например реализуют известную (классическую) схему изучения влияния вещества реальных атмосферных взвесей на живые организмы (лабораторных животных) в эксперименте, используя заявленное вещество в качестве адекватных и повторяемых экспериментальных моделей взвесей. При этом на животных осуществляют ингаляционное воздействие известным образом, например, с использованием клетки с размерами, превышающими размеры животного, снабженной чехлом из воздухонепроницаемого материала, например, полиэтилена. При этом аэрозоль вводят в полость клетки, заполняя ее внутренний объем, что заставляет животное вдыхать его. В качестве средства формирования аэрозоля используют ультразвуковой ингалятор, например ультразвуковой портативный ингалятор УП-0,25 "АРСА" (в который загружают заданную навеску распыляемого материала), выпускной канал которого сообщают с полостью клетки. Экспериментальное животное помещают в клетку, после чего формируют в объеме клетки облако аэрозоля. Количество распыляемого материала и продолжительность пребывания животного в клетке принимают из расчета получения различным группам экспериментальных животных дозы от 100 до 1000 мг/кг веса (1 раз в день до 40 мин). Группа контрольных животных не подвергается воздействию препарата.
После опытных мероприятий в заданный в эксперименте день производят одномоментный забой животных посредством декапитации и забирают материал для исследования. Далее известным образом, в соответствии с целями эксперимента, производят препарирование лабораторных животных, отбирают пробы соответствующего биологического материала и осуществляют их анализ с использованием соответствующих лабораторных средств. Например, производят окраску и приготовление мазков для световой микроскопии для светооптической морфометрии или фотосъемки или другие манипуляции.