Комплекс лабораторных работ для подготовки и переподготовки кадров по дисциплине «Безопасность материалов и процессов наноиндустрии»

Микро- и нанотехнологии в новом технологическом укладе

УДК 504.75

А. В. Соловьев, канд. техн. наук, И. К. Хмельницкий, канд. хим. наук, М. В. Лучинин, ассистент,

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Комплекс лабораторных работ для подготовки и переподготовки кадров по дисциплине «Безопасность материалов и процессов наноиндустрии»

Ключевые слова: наноматериалы, нанобезопасность, лабораторный комплекс. Key words: nanomaterials, nanosecurity, laboratory complex.

В статье представлен комплекс лабораторных работ по дисциплине «Безопасность материалов и процессов наноиндустрии». Лабораторные работы направлены на контроль наночастиц в суспензиях и аэрозолях. В качестве типичных нанообъектов рассматриваются коллоидные на-ночастицы, квантовые точки, а также биологические нанообъекты. В лабораторном комплексе применяются контрольно-диагностические методы, основанные на рассеянии и поглощении света, негомогенной нуклеации, полимеразной цепной реакции, капиллярном электрофорезе, а также электронная и атомно-силовая микроскопия.

Введение

В настоящее время в мире все возрастающее внимание уделяется перспективам развития нанотех-нологий, т. е. технологий направленного получения и использования веществ и материалов с характеристическими размерами базовых элементов менее 100 нм.

Поскольку вещество в виде ЗБ-объемных наночастиц, 1Б- и 2Б-нанокомпозиций обладает свойствами, часто радикально отличными от их аналогов в форме микро- и макроскопических «дисперсий», наноматериалы представляют собой принципиально новый фактор, воздействующий на организм и среду его обитания. Это ставит на повестку дня разработку методов оценки риска возможного негативного воздействия наноматериалов на здоровье человека и организацию контроля их оборота [1].

Наночастицы обладают рядом особенностей, которые могут делать их потенциально опасными по токсическому воздействию. К этим особенностям относятся:

• большая удельная поверхность;

• малые геометрические размеры;

• высокая адсорбционная способность;

• высокая способность к аккумуляции.

За рубежом и в Российской Федерации проблема безопасности наноматериалов в настоящее время широко исследуется. Это, в свою очередь, ставит задачу формирования образовательного процесса для подготовки, повышения квалификации или переподготовки кадров в интересах наноиндустрии.

В Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете (СПбГЭТУ) как базовом вузе по направлению «Нанотехнологии для систем безопасности» [2] был разработан учебно-методический комплекс по дисциплине «Безопасность материалов и процессов наноиндустрии» для подготовки бакалавров и магистров по направлениям «Нанотехнологии» и «Нананотехнология и микросистемная техника» [З].

Задачей данного курса является изложение студентам основных рисков для человека, животных, растений и окружающей среды в связи с реализацией процессов наноиндустрии, производством и использованием наноматериалов. Предметом рассмотрения являются: механизмы воздействия процессов наноиндустрии на биологические объекты и основные направления нейтрализации угроз, связанных с использованием продуктов наноиндустрии и развитием технологии их создания; предварительная оценка рисков, возникающих при использовании наноматериалов и реализации процессов нанотехноло-гий. Важнейшая составляющая часть дисциплины — формирование представлений о мерах по нейтрализации и уменьшению вероятности наноугроз, а также выработке навыков проектирования элементов технологических циклов производств наноматериалов, наносистем с минимально допустимыми рисками для человека и окружающей среды.

Для организации учебно-методического обеспечения дисциплины «Безопасность наноматериалов и процессов наноиндустрии» в СПбГЭТУ был разработан комплекс лабораторных работ для практи-

Микро- и нанотехнологии в новом технологическом укладе

ческого освоения современных методов обнаружения и анализа нанообъектов, возникающих в процессе синтеза и применения наноматериалов.

Целью данной работы является представление нового лабораторного комплекса и краткое изложение основных методов диагностики нанообъектов, реализуемых на его основе.

Структура лабораторного практикума

Наноматериалы являются весьма сложными объектами для контроля и изучения. Это связано с малыми размерами их структурных составляющих, большой протяженностью границ и поверхностей раздела фаз, присутствием разупорядочен-ных и аморфных составляющих, формированием метастабильных и неизвестных до сих пор фаз, высокой реакционной способностью и спецификой проявления их физических свойств.

Для обеспечения безопасности при работе с на-номатериалами необходимы прежде всего высокочувствительные методы их обнаружения и количественного анализа в объектах окружающей среды, пищевых продуктах и биологических средах. При этом должны использоваться методы оценки, обладающие определенной специфичностью.

В лабораторном комплексе предлагаются девять лабораторных работ, направленных на обнаружение нанообъектов и определение их размеров. В зависимости от объектов анализа и методов их исследования выделяются четыре группы лабораторных работ:

1) определение размеров наночастиц в суспензиях;

2) анализ наночастиц в аэрозолях;

3) контроль биоконтаминаций;

4) микроскопия нанообъектов.

Ниже представлен перечень лабораторных работ.

1. Определение размеров наночастиц полистирола, золота и квантовых точек CdS в суспензиях методом динамического рассеяния света.

2. Исследование распределения по размеру наночастиц золота и полистирола методом анализа треков наночастиц.

3. Спектрофотометрическое определение среднего размера квантовых точек на основе квантового размерного эффекта.

4. Обнаружение и контроль размеров аэрозольных наночастиц в воздухе рабочей зоны портативным счетчиком наночастиц.

5. Контроль содержания наночастиц ТЮ2 в воздухе счетчиком конденсационных частиц.

6. Анализ ДНК грибов рода АНегпапа методом полимеразной цепной реакции и капиллярного электрофореза.

7. Микробиологический контроль воздуха рабочей зоны с помощью микробиологического пробоотборника.

8. Исследование наночастиц золота, квантовых точек CdS, углеродных нанотрубок методом сканирующей электронной микроскопии.

9. Определение распределения наночастиц золота, Ti02 и полистирола по размерам с помощью атомно-силового микроскопа.

Оборудование для реализации лабораторного практикума иллюстрирует рис. 1.

Методические основы лабораторного практикума

Для определения размеров наночастиц в суспензии широко используется метод динамического рассеяния света (ДРС), в котором размер наночастиц определяют по их коэффициенту диффузии в суспензии. Коэффициент диффузии устанавливают путем анализа спектра рассеянного на наночастицах когерентного излучения. Метод ДРС бесконтактный и при небольшой мощности зондирующего лазерного источника не вносит возмущений в исследуемую среду. Метод характеризуется высоким быстродействием, обычно используется для определения размера частиц от нескольких нанометров до нескольких микрон и не требует специальной подготовки образцов.

Для определения размера наночастиц в суспензиях также используют метод анализа треков наночастиц (NTA — nanoparticle tracking analysis), при котором коэффициент диффузии находят из непосредственного анализа траекторий наночастиц. Этот метод характеризуется более точной селекцией распределения частиц по размерам, но имеет невысокий нижний предел обнаружения наночастиц по размерам, который в зависимости от типа прибора может составлять 10-15 нм.

При определении размеров полупроводниковых наночастиц можно использовать квантово-размер-ные эффекты, а именно коротковолновое смещение порога оптического поглощения с уменьшением размера таких частиц. Спектры поглощения измеряют с помощью спектрофотометра.

Для определения размеров и количества частиц в воздухе используются приборы, называемые счетчиками аэрозольных частиц, также основанные на рассеянии света. Однако они имеет предельный нижний порог размеров около 0,1 мкм. Понизить этот порог мешают уже чисто физические ограничения. Например, требуемое для достижения результата увеличение мощности лазерного луча приводит к нагреву и даже сгоранию контролируемых частиц. Поэтому для проведения измерений в нанодиапазоне в дополнение к оптическому «счету» наночастиц применяют технику их предварительного укрупнения в среде пересыщенного пара. Используется явление негомогенной нуклеации на наночастицах, которые представляют собой ядра конденсации. Приборы, использующие этот принцип, получили название счет-

биотехносфера

| № 1-2(13-14) 20 ]

Рис. 1

Основное оборудование для лабораторного практикума по дисциплине «Безопасность материалов и процессов наноиндустрии»: а — спектрометр динамического рассеяния света; б — анализатор треков наночастиц; в — портативный счетчик наночастиц; г — счетчик конденсационных частиц; д — ПЦР-анализатор, капиллярный электрофорез; е — микробиологический пробоотборник; ж — атомно-силовой микроскоп; з — сканирующий электронный микроскоп

чиков ядер конденсации. Следует иметь в виду, что в силу особенностей конденсации насыщенных паров все частицы укрупняются до одного и того же размера (обычно порядка 0,3-0,6 мкм), причем информация о первоначальном размере наночастиц теряется.

Поэтому для получения информации о распределении наночастиц по размерам в нанодиапазоне требуется комплекс приборов, в который, помимо счетчика конденсационных частиц, должен входить дифференциальный анализатор подвижности.

Микро- и нанотехнологии в новом технологическом укладе

Для обнаружения потенциально опасных биологических нанообъектов эффективен высокоспецифичный метод полимеразой цепной реакции (ПЦР). В сочетании с методом капиллярного электрофореза он позволяет получить информацию о наличии и составе биологических загрязнений (биоконтамина-ций). Однако для применения этого метода требуются априорные сведения об исследуемом объекте. Это не является необходимым в методах, основанных на культивации микроорганизмов. Для анализа биоконтаминаций успешно применяются приборы, снабженные микробиологическим пробоотборником, сопряженным с культиватором.

Основным методом используемым при оценке формы и размера нанообъектов, находящихся в субстрате, является электронная микроскопия (как просвечивающая, так и сканирующая). Электронно-микроскопическое исследование позволяет непосредственно наблюдать частицы определенной формы, находящиеся в составе образцов (на ультратонких срезах) или адсорбированные на различных поверхностях. Недостатками методов являются определенная сложность аппаратурного оформления, трудоемкость подготовки образцов в случае просвечивающей микроскопии и недостаточная разрешающая способность в случае растровой микроскопии. Электронная микроскопия высокого разрешения имеет ограничения при исследовании биологических объектов, которые в ряде случаев дополнительно контрастируют тяжелыми элементами.

Этого недостатка лишен метод атомно-силовой микроскопии (АСМ), в котором в ходе сканирования поверхности кантилевером регистрируются силы межмолекулярного взаимодействия, что делает его универсальным по отношению к материально-вещественной природе объекта, сверхвысокоразреша-ющим и информативным.

Недостатком методов микроскопии по сравнению с другими методами является сложность фазы приготовления образцов.

найденного значения коэффициента диффузии можно рассчитать радиус частиц, используя формулу Эйнштейна—Стокса:

г -

kT

6 пцБ '

где k — константа Больцмана; Т и ц — температура и вязкость среды соответственно.

Коэффициент диффузии диспергированных частиц в жидкости определяют путем анализа характерного времени флуктуаций интенсивности рассеянного на частицах света. Автокорреляционную функцию (АКФ) интенсивности рассеянного света Gi находят по формуле

Gx

где А и В — константы, зависящие от геометрии эксперимента; D — коэффициент диффузии; q — волновой вектор рассеяния, q - 4пп sin(0/2)/X, где п — показатель преломления среды, 0 — угол рассеяния; X — длина волны падающего излучения.

Коэффициент диффузии D определяют аппрок-симацей Gi экспонентой.

Для полидисперсной системы задача определения размеров методом ДРС более сложна.

Если система, например, состоит из двух фракций частиц, АКФ может быть представлена следующей функцией, содержащей две экспоненты:

G2

где -Di и D2 коэффициенты диффузии фракций частиц, а С — аппаратная константа.

Оборудование и реактивы. Установка для измерения размеров коллоидных частиц методом динамического рассеяния света (рис. 2) состоит из лазерного источника излучения, экспериментальной кюветы, фотодетектора (фотодиода или ФЭУ), усилителя и АЦП. Выход АЦП соединен с USB портом персонального компьютера.

Экспериментальная кювета

Пример практической реализации лабораторного практикума

Лазер __________J

-----------

113

Лабораторная работа. Определение размеров наночастиц полистирола, золота и квантовых точек CdS в суспензиях методом динамического рассеяния света

Цель работы. Определение размеров коллоидных наночастиц полистирола, наночастиц коллоидного золота, квантовых точек CdS. В качестве базового метода контроля используется метод динамического рассеяния света.

Основы метода. Метод динамического рассеяния света позволяет определять in situ размер коллоидных частиц. Известно, что из экспериментально

Рис. 2

Схема установки для измерений методом динамического рассеяния света

биотехносфера

| № 1-2(13-14) '

Для проведения лабораторной работы используются коллоидные растворы полистирольных нано-частиц, наночастиц коллоидного золота и квантовых точек CdS.

Порядок проведения работы. 1. Предварительно подготовленные концентрированные коллоидные растворы наночастиц полистирольного латекса с частицами радиусом 50 нм (раствор 1), наночастиц золота с радиусом 7 нм (раствор 2) и квантовых точек CdS с радиусом 1,5 нм (раствор 3) разбавляют дистиллированной водой до объемных концентрацией 0,001, 0,01 и 0,1 % соответственно.

2. Для каждого раствора измеряют АКФ интенсивности рассеяния света при нормальном падении под углом 90°.

3. Производят аппроксимацию .АКФ по формуле (2), используя, например, графический пакет Origin, и находятся коэффициенты диффузии наночастиц

d2, d3.

4. C помощью формулы Эйнштейна—Стокса (1) определяют радиусы частиц.

5. Измерения повторяют при углах рассеяния 45 и 20°.

6. Приготавливают два полидисперсных коллоидных раствора наночастиц в результате смешивания растворов 1 и 2 в пропорции 1/1 и растворов 2 и 3 в пропорции 1: 2. С применением формулы (3) находятся радиусы отдельных фракций частиц.

Обработка результатов. 1. Приводят графики измеренных АКФ и кривые с их аппроксимацией.

2. Сравнивают радиусы частиц, полученные при измерениях с различными углами рассеяния. Ана-

лизируют особенности измерений и источники систематической погрешности в случае измерений при малых углах рассеяния.

3. Приводят графики АКФ для смесей двух фракций частиц и радиусы, найденные из аппроксимации АКФ по формуле (3). Обсуждают возможные источники погрешности измерений и анализа в случае измерений в полидисперсном коллоидном растворе.

Заключение

Для подготовки кадров по направлению «Нано-технологии» разработан лабораторный практикум по новой дисциплине «Безопасность материалов и процессов наноиндустрии». Комплекс предназначен для практического освоения современных методов обнаружения и анализа нанообъектов, возникающих в процессе синтеза и использования наномате-риалов.

1. Лучинин. В. В. Наноиндустрия и безопасность // Нано-индустрия. 2008. № 3. С. 4-9.

2. Иванов А. С., Корляков А. В., Лучинин В. В., Таиров Ю. М.

Профессионально-ориентированное кадровое обеспечение наноиндустрии // Наноиндустрия. 2009. № 4. С. 76-81.

3. Лучинин В. В., Хмельницкий И. К. Разработка курса лекций по новой дисциплине «Безопасность наноматериа-лов и процессов наноиндустрии» // Биотехносфера. 2009. № 4. С. 37-41.