Фракционирование нано- и микрочастиц во вращающихся спиральных колонках при анализе полидисперсных образцов

Ермолин, Михаил Сергеевич

Фракционирование нано- и микрочастиц во вращающихся спиральных колонках при анализе полидисперсных образцов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

Ермолин, Михаил Сергеевич АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.02 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Фракционирование нано- и микрочастиц во вращающихся спиральных колонках при анализе полидисперсных образцов»

Автореферат диссертации на тему "Фракционирование нано- и микрочастиц во вращающихся спиральных колонках при анализе полидисперсных образцов"

На правах рукописи

Ермолин Михаил Сергеевич

ФРАКЦИОНИРОВАНИЕ НАНО- И МИКРОЧАСТИЦ ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ СПИРАЛЬНЫХ КОЛОНКАХ ПРИ АНАЛИЗЕ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ОБРАЗЦОВ

02.00.02 - аналитическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва-2013

005061961

Работа выполнена в лаборатории концентрирования Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук

Научный руководитель:

доктор химических наук Федотов П.С.

Официальные оппоненты:

доктор химических наук Кубракова И.В.

доктор химических наук, профессор Цизин Г.И.

Ведущая организация:

Российский химико-технологический университет им. Д.И, Менделеева

Защита состоится 25 апреля 2013 г. в 14.30 на заседании диссертационного совета Д.002.109.01 в Институте геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, В-334, ул. Косыгина, 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН.

Автореферат разослан 25 марта 2013 г.

Ученый секретарь совета

кандидат химических наук

Захарченко Е.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Фракционирование нано- и микрочастиц необходимо при решении различных исследовательских, аналитических и технологических задач. Известно, что размер частиц может существенно влиять на их свойства в микрометровом, и особенно в нанометровом диапазоне. Распределение частиц по размерам является важным параметром, определяющим конечные свойства материалов, что, безусловно, важно, в частности, в свете бурного развития нанотехнологий. В ряде случаев, чтобы достоверно охарактеризовать свойства того или иного образца, сначала нужно разделить его на фракции, а затем исследовать каждую из них в отдельности. Методы фракционирования также важны в биологии, биохимии и медицине при разделении макромолекул, вирусов, бактерий, клеток, а также различных клеточных структур. Кроме этого, разделение частиц требуется и при мониторинге окружающей среды. Различные токсичные микроэлементы и органические вещества присутствуют в природных образцах не только в виде свободных ионов и молекул, они могут быть связаны с макромолекулами, коллоидными и твердыми частицами. Таким образом, при оценке подвижности и, соответственно, потенциальной опасности загрязняющих веществ также возникает задача фракционирования частиц в соответствии с их размером, плотностью и свойствами поверхности.

Для разделения нано- и микрочастиц в жидких средах используют различные методы, каждый из которых имеет свои преимущества и ограничения. По праву наиболее универсальным на сегодняшний день считается метод проточного фракционирования в поперечном силовом поле (ПФП), интенсивно развивающийся в последнее время. Метод ПФП, предложенный в 1966 году американским ученым Гиддингсом, основан на совместном воздействии внешнего силового поля, направленного перпендикулярно потоку жидкости-носителя (в которую внесена суспензия анализируемого образца), и градиента скорости ламинарного течения, сформированного силами вязкости непрерывно прокачиваемой жидкости в узком щелевидном канале.

Сравнительно недавно в лаборатории концентрирования ГЕОХИ РАН было предложено фракционировать микрочастицы в оснащенных вращающимися спиральными колонками (ВСК) планетарных центрифугах, которые традиционно

используют для жидкостной хроматографии со свободной неподвижной фазой. По сути, фракционирование в ВСК является частным случаем седиментационного ПФП. Под действием сложного ассиметричного силового поля, возникающего за счет планетарного вращения, при непрерывном прокачивании подвижной фазы достигается миграция частиц вдоль стенки колонки с различными скоростями в потоке жидкости-носителя. Основным преимуществом данного метода является возможность фракционирования до 1 г образца (по сравнению с классическими методами ПФП, где масса образца не превышает 1 мг). В планетарной центрифуге нет вращающихся соединений, что снимает ограничения на давление в системе. Таким образом, развитие и применение метода проточного фракционирования частиц в поперечном поле центробежных сил в ВСК является актуальным и перспективным для решения задач аналитической химии, мониторинга окружающей среды, биологии, медицины, а также нанотехнологий.

Цель и задачи исследования. Основной целью настоящей работы является дальнейшее развитие метода проточного фракционирования частиц в ВСК и его применение при анализе сложных полидисперсных образцов различной природы. Особенно важно показать возможность снижения размера разделяемых частиц до нанометрового диапазона.

Конкретные задачи исследования были следующими:

- оценить влияние рабочих параметров ВСК (скорости вращения колонки, начальной скорости потока подвижной фазы, направления вращения колонки относительно направления потока подвижной фазы) на удерживание и элюирование модельных субмикронных частиц;

- рассмотреть влияние конструкционных параметров планетарной центрифуги (прежде всего, геометрической формы барабана ВСК) на фракционирование модельных субмикронных частиц;

- оценить условия, необходимые для фракционирования наночастиц в ВСК;

- на основе изученных закономерностей поведения модельных субмикронных частиц провести фракционирование их смесей;

- оптимизировать условия фракционирования полидисперсных образцов окружающей среды, в частности, пыли и пепла;

- изучить особенности связывания элементов (в том числе тяжелых металлов) с различными гранулометрическими фракциями образцов пыли;

- разработать комплексный подход к изучению свойств частиц, включающий их разделение в ВСК и исследование методами сканирующей электронной микроскопии и капиллярного электрофореза;

- сформулировать общие рекомендации по фракционированию частиц различной природы в ВСК.

Научная новизна. Оценено влияние как рабочих, так и конструкционных параметров ВСК на удерживание и элюирование субмикронных частиц, оптимизированы условия их фракционирования. Определены условия, необходимые для фракционирования наночастиц.

Показана возможность фракционирования нано- и микрочастиц полидисперсных образцов окружающей среды для изучения распределения макро- и микроэлементов, в частности тяжелых металлов, между различными по природе и размеру фракциями образцов. Предложен комплексный подход к изучению свойств суспензий частиц и их кластеров, основанный на фракционировании частиц в ВСК и их исследовании методами капиллярного электрофореза и сканирующей электронной микроскопии.

Практическая ценность работы. Получил дальнейшее развитие метод проточного фракционирования частиц в поперечном поле центробежных сил в ВСК. Расширена область применения метода - показана возможность разделения субмикронных частиц за счет изменения геометрии барабана колонки без увеличения скорости вращения. Использование цилиндрической ВСК с симметричными выступами позволило повысить эффективность фракционирования и выделить практически монодисперсные фракции частиц из их смеси.

Впервые при помощи проточного фракционирования в поперечном силовом поле из образцов пыли выделены весовые фракции частиц размером 50-300 нм, 3001000 нм, 1-10 мкм и 10-100 мкм для последующего элементного анализа. Полученные данные о распределении микро- и макроэлементов между различными по природе и размеру мелкодисперсными фракциями имеют большое практическое значение при экологическом мониторинге для оценки степени негативного воздействия загрязняющих веществ на здоровье человека, поскольку выделенные фракции имеют

различную подвижность в окружающей среде и обладают различной проникающей способностью в организм человека. Помимо этого, повышенное содержание токсичных элементов, в том числе тяжелых металлов, в самых мелких фракциях (50300 нм) позволяет сделать предположение о наличии действующего источника загрязнения в районе отбора проб.

Автор выносит на защиту:

- закономерности поведения модельных субмикронных частиц в ВСК с различными рабочими и конструкционными параметрами;

- результаты фракционирования смеси модельных субмикронных частиц оксида кремния;

- результаты фракционирования полидисперсных образцов окружающей среды (пыли и пепла), а также результаты исследования и элементного анализа выделенных фракций;

- комплексный подход к изучению свойств частиц на примере гидроксиапатита, включающий фракционирование их кластеров в ВСК.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывали и обсуждали на Съезде аналитиков России «Аналитическая химия - новые методы и возможности» (Москва, 2010); III Всероссийском симпозиуме «Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии» с международным участием (Краснодар, 2011); 12 -ой Международной конференции по проточным методам анализа (Салоники, Греция, 2012).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 4 статьях и 5 тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц, 57 рисунков и 185 литературных ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Литературный обзор посвящен современным методам фракционирования частиц. Рассмотрены основные преимущества и недостатки таких методов как

мембранная фильтрация, SPLITT-фракционирование (метод разделения потоков), капиллярный электрофорез и ПФП. Описаны основные принципы ПФП, его отличительные особенности, аппаратурное оформление. Кратко рассмотрены некоторые виды ПФП (термическое, седиментационное, с поперечным потоком) и области их применения. Показано, что методы ПФП эффективно используют для разделения и определения физико-химических параметров объектов различной природы (макромолекул в широком диапазоне молекулярных масс (103- 1016), частиц размером от 1 нм до 100 мкм, а также таких организованных структур, как клетки и микроорганизмы).

Рассмотрены потенциальные преимущества ВСК как устройств для проточного фракционирования нано- и микрочастиц в поперечном поле центробежных сил. Обоснована возможность использования ВСК для изучения распределения элементов между различными по природе и размеру фракциями образцов окружающей среды, например, пыли различного происхождения. Оценена также возможность применения ВСК при фракционировании и исследовании частиц гидроксиапатита, имеющего прикладное медицинское значение.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗИРУЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ, РЕАГЕНТЫ, ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследуемые образцы. Изучение закономерностей поведения субмикронных частиц при их фракционировании в ВСК проводили на примере стандартных образцов непористых частиц оксида кремния сферической формы размером 150, 390 и 900 нм {Polysciences Inc.). Образцы уличной пыли, предоставленные факультетом почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, были отобраны с поверхностей краевых частей автомобильных дорог и тротуаров в ЮВАО г. Москвы. Образец комнатной оконной пыли был отобран в ГЕОХИ РАН. Образец вулканического пепла был отобран в Чили в после извержения вулкана Кордон Кауле. Исследуемый образец частиц гидроксиапатита был синтезирован в МГУ им. М.В. Ломоносова*.

Фракционирование частиц в ВСК. Для фракционирования частиц в работе были использованы изготовленные в Институте аналитического приборостроения

"Патент - 2122520 РФ, С 01 В 25/32. Способ получения суспензии гидроксиапатита / Рудин В.Н., Комаров В.Ф., Мелихов И.В., Орлов А.Ю., Минаев В.В., Божевольнов В.Е., Зуев В.П. - Опубл. 27.11.1998.

РАН (Санкт-Петербург) макеты планетарной центрифуги, оснащённые вертикально расположенными барабанами различной геометрической формы (рис.1). Намотанная на барабан разделительная колонка представляет трубку из тефлона (РТБЕ) с внутренним диаметром 1,5 мм и толщиной стенки 0,75 мм. Барабан вращается вокруг своей оси и одновременно обращается вокруг центральной оси планетарной центрифуги. Центрифуга работает в диапазоне скоростей вращения до 1000 об/мин. Геометрические параметры ВСК, а также их объем приведены в табл. 1.

Рис. 1. Макеты планетарной центрифуги, оснащенные традиционным цилиндрическим (а), коническим (б) и цилиндрическим барабаном с двумя симметричными выступами (в).

Фракционирование частиц проводили при ступенчатом увеличении скорости потока подвижной фазы (дистиллированной воды). Начальную и промежуточные скорости потока подвижной фазы варьировали в зависимости от образца. Для мониторинга процесса элюирования частиц при разделении образцов использовали проточный спектрофотометрический детектор (длина волны 254 нм). Выделяемые фракции отбирали в полиэтиленовые пробирки объемом 50 мл.

Таблица 1. Рабочие параметры ВСК различной конструкции

Форма ВСК Радиус вращения, см Радиус обращения, см Объем колонки, мл Величина симметричных выступов, см

Традиционная цилиндрическая ВСК 4 9 16,5 -

Коническая ВСК с двумя симметричными выступами 2,5 - верхнее основание 5,5 - нижнее основание 9 10,5 0,2

Цилиндрическая ВСК с двумя симметричными выступами 4 9 18,5 1

Исследование и элементный анализ выделенных Фракций. Изучение образцов и фракций проводили с помощью сканирующего электронного микроскопа JEOL 67001Л Для исследования фракций гидроксиапатита методом капиллярного электрофореза использовали прибор Капель-105*". Осаждение фракций образцов пыли на фильтры (для последующего элементного анализа) проводили в фильтрационной ячейке с магнитной мешалкой под давлением 2 бара. Фильтры разлагали с применением системы автоклавного вскрытия в смеси концентрированной HN03 и HCl*". Содержание элементов определяли методами АЭС-ИСП (ICAP-61, Thermo Jarrell Ash, США) и МС-ИСП (Х-7, Thermo Elemental, США). В качестве внутреннего стандарта для МС-ИСП использовали In.

ГЛАВА 3. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПОВЕДЕНИЯ НАНО- И

МИКРОЧАСТИЦ ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ СПИРАЛЬНЫХ КОЛОНКАХ

Исследован ряд закономерностей поведения субмикронных модельных частиц оксида кремния сферической формы (размером 150, 390 и 900 нм) в ВСК различной конструкции. Согласно предложенной ранее теоретической модели**", в конической ВСК распределение силовых векторов постоянно меняется вдоль длины колонки от витка к витку, что может способствовать разделению смесей частиц, отличающихся по своей природе и плотности. Симметричные выступы должны приводить к повышению эффективности удерживания частиц в колонке, поскольку с увеличением ß (то есть отношения радиуса вращения к радиусу обращения) возрастают центробежные силы, и в симметричных выступах создается дополнительное ускорение. В настоящей работе изучено влияние как конструкционных (геометрических), так и рабочих параметров ВСК на фракционирование субмикронных частиц.

Влияние рабочих параметров ВСК. Поведение твердых частиц различной природы в ВСК зависит от скорости вращения центрифуги. Выявлено, что нижняя

• совместно с Бурмистровым A.A., к.х.н. Катасоновой О.Н., Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

" исследования проведены к.х.н. Рудневым A.B., к.х.н. Джераян Т.Г., к.х.н. Ванифатовой Н.Г., Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

"" разложение образцов и анализ выполнены к.х.н. Карандашевым В.К., Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН

"" модель разработана д.х.н. Федотовым П.С. совместно с д.ф.-м.н. Кронродом В.А., Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

граница размерного диапазона частиц оксида кремния, удерживаемых в колонке при скорости вращения 800 об/мин, составляет 390 нм. Показано, что для фракционирования и удерживания нано- и субмикронных частиц целесообразно использовать высокие скорости вращения центрифуги - не менее 800 об/мин.

Направление потока подвижной фазы относительно направления вращения колонки существенно влияет на поведение частиц в ВСК. Установлено, что фракционирование частиц в ВСК возможно только при совпадении направления вращения колонки и направления потока подвижной фазы.

Важную роль при фракционировании частиц играет начальная скорость потока подвижной фазы, которая способствует равновесному распределению частиц разной природы и размера по длине колонки. Показано, что наилучшие результаты фракционирования субмикронных частиц можно получить при использовании начальной скорости потока подвижной фазы порядка 0,2 мл/мин.

Оптимизация условий фракционирования модельных частиц в ВСК различной конструкции. Выявленные закономерности позволили выбрать оптимальные условия для фракционирования смеси образцов модельных субмикронных частиц с учетом существенных отличий в характере распределения силовых векторов центробежных сил в цилиндрических и конической ВСК.

В цилиндрических ВСК фракционирование проводили при скорости вращения центрифуги 800 об/мин. Скорости потока были выбраны таким образом, чтобы обеспечить элюирование максимально монодисперсных фракций. Результаты фракционирования смеси стандартных образцов частиц оксида кремния размером

Рис. 2. Фракционирование смеси стандартных образцов частиц оксида кремния размером 150, 390 и 900 нм в цилиндрической ВСК с двумя симметричными выступами. Скорость вращения центрифуги си = 800 об/мин. Скорость потока подвижной фазы (дистиллированной воды): I - 0,23 мл/мин, 11-1,3 мл/мин, III - 6 мл/мин.

Были проведены два параллельных эксперимента по разделению смеси стандартных образцов частиц оксида кремния размером 150, 390 и 900 нм в традиционной цилиндрической ВСК и цилиндрической ВСК с двумя симметричными выступами. Выделенные фракции были подробно изучены методом сканирующей электронной микроскопии (рис. 3). По фотографиям видно, что цилиндрическая ВСК с двумя симметричными выступами позволяет получить более монодисперсные фракции, По данным СЭМ оценены содержания частиц оксида кремния в индивидуальных фракциях, выделенных при использовании цилиндрических ВСК с различными конструкционными параметрами (табл. 2).

Рис. 3. Микрофотографии фракций, полученных при разделении смеси стандартных образцов частиц оксида кремния 150, 390 и 900 нм в цилиндрической ВСК с двумя симметричными выступами (1-3) и традиционной цилиндрической ВСК (4-6).

Таблица 2. Содержание частиц в индивидуальных фракциях, полученных в результате разделения смеси стандартных образцов частиц оксида кремния размером 150, 390 и 900 нм в цилиндрической ВСК с двумя симметричными выступами и традиционной цилиндрической ВСК

Фракция Цилиндрическая ВСК с двумя симметричными выступами Традиционная цилиндрическая ВСК

150 нм 390 нм 900 нм 150 нм 390 нм 900 нм

1 99% 1% 0% 84% 16% 0%

2 13% 87% 0% 8% 84% 8%

3 0% 2% 98% 0% 30% 70%

В конической ВСК фракционирование смеси стандартных образцов субмикронных частиц оксида кремния также проводили при скорости вращения центрифуги 800 об/мин, однако смесь образцов частиц вводили во вращающуюся колонку при низкой скорости потока ~ 0,1 мл/мин. При ступенчатом увеличении скорости потока жидкости-носителя получены восемь фракций (рис. 4), которые были исследованы с помощью СЭМ. Удалось выделить индивидуальную фракцию образца частиц 150 нм, а также фракции с преобладающим содержанием частиц 390 нм и 900 нм, соответственно. Однако в процессе фракционирования было использовано шесть дополнительных скоростей потока, при которых были выделены пять фракций, представляющие собой смеси частиц.

I II III IV V VI VII VIII IX

_ / / \ \

/ V \

/ — -—

i i ; i i i i i 15 30 45 60 75 90 105 120

Объем элюента, мл

Рис. 4. Фракционирование смеси стандартных образцов частиц оксида кремния размером 150, 390 и 900 нм в конической ВСК с двумя небольшими симметричными выступами. Скорость вращения центрифуги ш = 800 об/мин. Скорость потока подвижной фазы: I - 0,1 мл/мин, 11-0,15 мл/мин, III - 0,3 мл/мин, ¡V - 0,5 мл/мин, V- 0,7 мл/мин, VI - 1 мл/мин, VII - 2,7 мл/мин, VIII - 3,7 мл/мин, IX- 5 мл/мин.

Таким образом, исследование влияния конструкционных параметров ВСК на фракционирование частиц было проведено на примере трех вращающихся колонок с различными конструкционными параметрами: коническая ВСК с двумя небольшими симметричными выступами, традиционная цилиндрическая ВСК и цилиндрическая ВСК с двумя симметричными выступами. Результаты фракционирования в конической и традиционной цилиндрической ВСК в целом сопоставимы. Однако необходимость использования промежуточных скоростей для выделения фракций в

конической ВСК, а также использование скоростей потока подвижной фазы в интервале 0,1-0,15 мл/мин усложняют эксперимент технически и увеличивают его продолжительность. Наилучшие результаты разделения смеси стандартных образцов частиц оксида кремния размером 150, 390 и 900 нм получены при использовании цилиндрической ВСК с двумя симметричными выступами. Как видно из табл.2, выделенные с помощью данной колонки фракции практически моиодисперсны. Было выявлено заметное влияние симметричных выступов на результаты фракционирования: существенно увеличилось разрешение пиков, и повысилась чистота выделяемых фракций.

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ ВРАЩАЮЩИХСЯ СПИРАЛЬНЫХ КОЛОНОК ПРИ АНАЛИЗЕ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ОБРАЗЦОВ ОКРУЖАЮЩЕ СРЕДЫ

Понимание и изучение свойств, происхождения, поведения и степени воздействия на живые организмы природных твердых и коллоидных частиц окружающей среды напрямую зависят от знания их распределения по размерам, поскольку размер частиц определяет их взаимодействие с загрязняющими веществами, процессы агрегации, а также подвижность и токсичность.

Изученные закономерности поведения субмикронных частиц в ВСК различной конструкции позволили провести фракционирование полидисперсных образцов окружающей среды, а именно вулканического пепла, комнатной оконной пыли и уличной пыли. Фракционирование проводили при скорости вращения колонки 800 об/мин и ступенчатом увеличении скорости потока подвижной фазы (начальная скорость потока составила 0,2 мл/мин).

Фракционирование образца вулканического пепла. При ступенчатом увеличении скорости потока подвижной фазы было выделено четыре фракции (рис. 5): при скорости потока 0,2 мл/мин - частиц размером порядка 50 нм, при скорости 5 мл/мин - частицы размером 50-250 нм, при скорости потока 10 мл/мин -частицы размером 1-2 мкм и при скорости 21 мл/мин - частицы размером 2-10 мкм. Пятая фракция была выделена при остановленной центрифуге и скорости потока подвижной фазы 21 мл/мин. По данным СЭМ она состоит из частиц размером 10-40 мкм.

Объем элюента, мл

Рис. 5. Фракционирование образца вулканического пепла в цилиндрической ВСК с двумя симметричными выступами. Скорость вращения центрифуги: I, II, III, IV - 800 об/мин; V - 0 об/мин. Скорость подачи подвижной фазы: I - 0,2 мл/мин; 11-5 мл/мин; 111-10 мл/мин; IV-21 мл/мин^-21 мл/мин.

Фракционирование образца комнатной оконной пыли. В результате многократных опытов по фракционированию образца были выбраны оптимальные скорости потока подвижной фазы и выделены пять фракций (рис. 6).

Объем элюента, мл

Рис. 6. Фракционирование образца комнатной оконной пыли в цилиндрической ВСК с двумя симметричными выступами. Скорость вращения центрифуги: I, II, III, IV - 800 об/мин; V - 0 об/мин. Скорость подачи подвижной фазы: 1-0,2 мл/мин; 11-7 мл/мин; 111-13 мл/мин; IV-21 мл/мин; V-21 мл/мин.

Первая фракция была выделена при начальной скорости потока подвижной фазы 0,2 мл/мин и скорости вращения центрифуги 800 об/мин, это частицы размером не более 300 нм. При скорости потока подвижной фазы 7 мл/мин была выделена вторая фракция, состоящая из частиц размером 300-1000 нм с небольшим присутствием частиц размером порядка 3 мкм. Третья фракция была выделена при скорости потока подвижной фазы 13 мл/мин и состоит из частиц размером 1-2 мкм с небольшим содержанием части размером до 3 мкм. Четвертая и пятая остаточная фракции были выделены при скорости потока подвижной фазы 21 мл/мин, только четвертая фракция была выделена при скорости вращения колонки 800 об/мин, а пятая остаточная фракция была выделена при остановленной центрифуге. Четвертая и пятая фракции представляют собой смеси частиц и агрегатов размером более 2 мкм.

Фракционирование образцов уличной пыли. При ступенчатом увеличении скорости потока подвижной фазы были выделены четыре фракции (рис. 7).

Рис. 7. Фракционирование образцов уличной пыли в цилиндрической ВСК с двумя симметричными выступами. Скорость вращения центрифуги: I, II, III - 800 об/мин; IV - 0 об/мин. Скорость подачи подвижной фазы: I - 0,2 мл/мин; 11-13 мл/мин; 111-21 мл/мин; IV-21 мл/мин.

Первая фракция образцов уличной была выделена при начальной скорости потока подвижной фазы 0,2 мл/мин и скорости вращения центрифуги 800 об/мин. По данным СЭМ это частицы размером от 50-300 нм сферической и пластинчатой формы. Вторая фракция образцов уличной пыли была выделена при скорости потока 13 мл/мин. По данным СЭМ данная фракция состоит из частиц размером от 300-1000 нм. Третья фракция образцов уличной пыли была выделена при скорости потока 21

мл/мин. Изучение фракции методом СЭМ показало, что она состоит из частиц размером от 1 до 10 мкм. Четвертая остаточная фракция была выделена при остановленной центрифуге и скорости потока подвижной фазы 21 мл/мин. По данным СЭМ данная фракция состоит из частиц размером более 10 мкм (рис. 8).

Рис. 8. Микрофотографии первой (а), второй (б), третьей (в) и четвертой (г) фракций образца уличной пыли №2.

Изучение распределения элементов между различными фракциями образцов окружающей среды. Для изучения связывания элементов с различными по природе и размеру частицами образцов окружающей среды, выделенные фракции были проанализированы методом МС-ИСП (после разложения в автоклаве). В образце уличной пыли №2 для элементов, имеющих антропогенной происхождение, было отмечено явное увеличение концентрации с уменьшением размера частиц (табл. 3). Более наглядно распределение элементов между фракциями уличной пыли №2 представлено на рис. 9.

В среднем для образца уличной пыли №2 содержание таких элементов как Р, 8, Сг, Си, Ъъ, Ва и РЬ в первой фракции в 2-9 раз выше, чем их содержание четвертой фракции. А для таких элементов как №, Сё, Бп и Эс, их содержание в первой фракции в 15-30 выше, чем их содержание в четвертой фракции (фракции частиц размером более 10 мкм). Заметное концентрирование антропогенных элементов во фракции 50-

300 нм может свидетельствовать о наличии действующего источника загрязнения в районе отбора пробы.

Таблица. 3. Содержание элементов в различных размерных фракциях образца уличной пыли №2 по данным МС-ИСП и АЭС-ИСП (п=4, 1-а=0,95)

Элемент Кларковое число", мг/кг Содержание, мг/кг

Исходный образец Фракция 1 (ш=0,1 мг; 0,1% от мяссы навески) Фракция 2 (т=0,2 мг; 0,2% от массы навески) Фракция 3 (т=2,1 мг; 2,1% ОТ массы навески) Фракция 4 (т=83,4 мг; 83,4% от массы навсски)

р 930 830 2469±504 893±77 485±129 750±28

S 470 2400 б806±197 2130±635 3118±427 2152±611

Sc 10 5,2 147±20 52±13 17±2 5±1

Cr 83 53 316±71 202±15 52±17 35±6

Fe 46500 20997 17683±556 16667±2122 20486±3635 15442±4223

Ni 58 39 297±4б 130±21 36±10 21+4

Си 47 71,2 105±28 98±4 44±13 43±12

Zn 83 388 2061±475 663±182 860±34 235±49

Cd 0,13 0,41 20±2 5±1 1±0,3 <ПО

Sn 2,5 4,7 I09±25 55±5 12±2 3±1

Ba 650 480 856±1б2 445±54 217±59 156±25

Pb 16 75,4 125±33 64±20 57±15 46±8

Y 29 15,2 1±0 4±1 8±3 12±2

La 29 29,8 10±4 12±3 16±5 40±12

Ce 70 60,2 14±4 22±7 30±10 81±27

Pr 9 5,9 2±1 3±1 4±1 10±3

Nd 37 22,3 7±2 11±2 14±4 32±12

Sm 8 4,1 1±1 2+1 2±1 6±2

Если сравнить кларковое содержание с общим содержанием ряда элементов в образце пыли, то можно заметить, что значения в целом сопоставимы. Однако их содержание во фракции 50-300 нм в несколько раз (например, №, Си, Сг, РЬ), а в отдельных случаях в десятки (8п) и даже сотни (С<1, 2п) раз выше, чем их кларковое содержание, что подкрепляет предположение о возможном загрязнении образца и концентрировании элементов в тонкодисперсной фракции.

В образце уличной пыли №5 для элементов, имеющих антропогенное происхождение, наблюдается схожая зависимость, то есть уменьшение концентрации элементов с увеличением размера частиц (рис. 10). Однако для ряда элементов их концентрация во фракции субмикронных частиц выше, чем во фракции наночастиц,

Виноградов А.П. Средние содержания химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры //Геохимия. - 1962. - № 7. - С.555-571,

что можно отнести к меньшему воздействию загрязняющих факторов на данный образец. Содержания элементов в субмикронных фракциях обоих образцов уличной пыли сопоставимы (за исключением Си и РЬ). Следует отметить, что данные образцы были отобраны в ЮВАО г. Москвы. Территориальная близость к различным промышленным объектам накладывает отпечаток на распределение элементов между фракциями.

400

200 100

1а 50-300 им 4 300-1000 нм я 1-10 мкм ш 10-100 мкм

_ 3000

Гг 2000 -

55 1000

И 50-300 нм

300-1000 нм В1-10 мкм 10-100 мкм

30000 п-

6 20000

I 10000

5 о и

Б 50-300 нм * 300-1000 нм

1-10 мкм в 10-100 мкм

Ре

Рис. 9. Содержание элементов в различных размерных фракциях образца уличной пыли №2.

300

200

100

и 50-300 нм 4 300-1000 нм а 1-10 мкм и 10-100 мкм

6000

4000

% 2000

1 3

о -

I 60000

и 50-300 нм

300-1000 нм | 40000 Б 1-10 мкм

X 20000

г 10-100 мкм "

ш 50-300 нм

300-1000 нм & 1-10 мкм а ю-юо мкм

Р 5 гп Ва Ре

Рис. 10. Содержание элементов в различных размерных фракциях образца уличной пыли №5.

Элементный анализ гранулометрических фракций комнатной оконной пыли, отобранной в ГЕОХИ РАН, показал сходный с образцами уличной пыли характер распределения содержаний ряда элементов антропогенного происхождения, то есть максимум концентраций был отмечен во фракции наночастиц либо субмикронных частиц (рис,Па). Однако, для Fe, Мп и Ва был выявлен иной характер распределения между гранулометрическими фракциями, а именно, увеличение концентрации с увеличением размера частиц (рис. 116).

X. 8000 -

2 6000 -

аГ

V. £ 4000 -

2000 -

a 0 -

>ш 1 "ШУШ—№.11—-й Шшшгу

0 <300 нм к 300-1000 нм в> 1 мкм

Си

РЬ

100

50 J

Со

я <300 нм г. 300-1000 нм в) > 1 мкм

40000

20000 -

а <300 нм 300-1000 нм

> 1 мкм

Э х

аг з

600 400 -200 о

а <300 нм И 300-1000 нм И > 1 мкм

Мп

Ва

Рис.11. Содержание элементов в различных гранулометрических фракциях образца комнатной оконной пыли.

Помимо элементов, которые могут иметь антропогенное происхождение, для образцов окружающей среды были также определены содержания редкоземельных элементов: У, Ьа, Се, Рг, N(1, 5т. В целом для всех образцов можно отметить увеличение их концентрации с увеличением размера частиц (рис. 12). Содержание данных элементов связано с присутствием их в узлах кристаллических решеток почвенных минералов. Данный характер распределения весьма закономерен, так как тонкодисперсиые фракции главным образом представлены частицами, имеющими

аморфную структуру, а крупнодисперсные структурой.

- частицами с кристаллической

100

а 3

50 -

Се

N с!

Бт

а 50-300 нм і 300-1000 нм 91-10 мкм 110-100 мкм

^ 60 І

щ 40 х і ГС

X 20 1

О.

Я о

- тл

МШ і Ш ІІІ —В 4 Я--ЯШІаівІ—Ні ЕН

Е 50-300 нм

300-1000 нм И 1-10 мкм я 10-100 мкм

Се

N1)

5т

100 1

I и

Е х *

а Ь 5

Се

Рг

N(1

5т

® <300 нм Я 300-1000 нм а > 1 мкм

Рис. 12. Содержание редкоземельных элементов в образце уличной пыли №2 (а), уличной пыли №5 (б) и комнатной оконной пыли (б),

Сравнивая данные о распределении элементов между гранулометрическими фракциями различных образцов, можно отметить, что определение общего содержания элементов недостаточно для оценки токсичности образцов окружающей среды. Так, например, содержание № в образце комнатной оконной пыли более чем в полтора раза превышает его содержание в образце уличной пыли №2. Однако, при сравнении концентрации № во фракциях наночастиц, можно увидеть обратную картину, причем содержание № во фракции наночастиц уличной пыли больше практически в 10 раз (рис. 13). Данный факт делает уличную пыль намного опаснее для здоровья человека, так как именно наночастицы легче всего диспергируются в воздушной среде, а также обладают большой подвижностью в окружающей среде и высокой проникающей способностью в организм человека при дыхании.

200 /

100 •'*' х

ss Комнатная пыль

и Уличная пыль №2

Исходный образец Фракция 50-300 нм

Рис. 13. Сравнение общего содержания Ni и его содержания во фракции наночастиц для образцов уличной пыли №2 и комнатной оконной пыли.

Таким образом, было выявлено, что элементы, имеющие антропогенное происхождение, главным образом концентрируются во фракции наночастиц. Повышенное содержание таких элементов может свидетельствовать о наличии действующего источника загрязнения. Показано, что определение общего содержания элементов в образцах окружающей среды недостаточно для оценки потенциального риска для здоровья человека.

ГЛАВА 5. РАЗВИТИЕ КОМПЛЕКСНОГО ПОДХОДА К ИЗУЧЕНИЮ СВОЙСТВ ЧАСТИЦ НА ПРИМЕРЕ ГИДРОКСИАПАТИТА

Изучение частиц гидроксиапатита носит не только фундаментальный, но и прикладной характер (гидроксиапатиты широко применяют в медицине). Морфология, размер и чистота кристаллов ГАП являются важными параметрами, которые влияют на их физико-химические и биохимические свойства.

Впервые было предложено использование комплексного подхода к изучению свойств частиц на примере гидроксиапатита. Комплексный подход основан на фракционировании частиц в ВСК и последующем изучении выделенных фракций методами капиллярного электрофореза (КЭ) и сканирующей электронной микроскопии.

Оптимизация условий фракционирования образца частиц гидроксиапатита в ВСК включала такие этапы, как выбор типа ВСК, выбор оптимальной скорости вращения центрифуги, а также выбор начальной скорости потока подвижной фазы и последующих скоростей элюирования фракций. Поскольку в результате изучения исходной суспензии гидроксиапатита методом СЭМ было выявлено, что она состоит из кластеров размером от 300 нм, для фракционирования суспензии гидроксиапатита было решено использовать традиционную цилиндрическую ВСК. Экспериментально

было установлено, что фракционирование следует проводить при скорости вращения центрифуги 300 об/мин. В результате опытов по разделению суспензии гидроксиапатита с использованием начальных скоростей потока подвижной фазы в диапазоне от 0,2 до 1 мл/мин, было найдено, что начальная скорость потока подвижной фазы, при которой наблюдалось наилучшее фракционирование, равна 0,5 мл/мин. Были подобраны оптимальные условия фракционирования кластеров гидроксиапатита. При ступенчатом увеличении скорости потока подвижной фазы от 2 до 16 мл/мин было выделено девять фракций (рис. 14).

Время, мин

Рис. 14. Фракционирование суспензии гидроксиапатита в традиционной цилиндрической ВСК. Скорость вращения планетарной центрифуги - 300 об/мин; начальная скорость потока подвижной фазы (10 мМ №2НР04, рН 8,3) - 0,5 мл/мин; скорость потока подвижной фазы: I -2 мл/мин, II - 3 мл/мин, III - 5 мл/мин, IV - 7 мл/мин, V - 10 мл/мин, VI - 13 мл/мин, VII - 16 мл/мин.

Выделенные фракции были охарактеризованы методом СЭМ. Анализ данных СЭМ показал увеличение среднего размера кластеров с увеличением номера фракции, что соответствует классическому варианту элюирования частиц в методе ПФП «от мелких к крупным».

Также фракции были подробно изучены методом капиллярного электрофореза. Электрофореграммы фракций №2 и №5 приведены на рис. 15. Анализируя электрофореграммы, можно увидеть различное положение пиков. Поскольку электрофореграммы некоторых фракций представляют группу пиков, то была рассчитана средневзвешенная электрофоретическая подвижность с учетом вклада площади каждого пика в значение электрофоретической подвижности. Изменение электрофоретической подвижности частиц гидроксиапатита с увеличением номера фракции представлено на рис. 16. Установлено, что электрофоретическая

подвижность отрицательно заряженных частиц гидроксиапатита во фракциях уменьшается с увеличением номера фракции.

5 тАи

ЕОР

1 2 3 4 Время, мин

Рис. 15. Электрофореграмма фракции №2 (а) №5 (б) образца гидроксиапатита после фракционирования в традиционной цилиндрической ВСК.

п)

и _

и л

* о

Ш х

а ¥

О 5

-Ф а

О с£

о. о

£ = Щ

ч т

-22 -24 -26 -28 -30

........Г....... . - . -------- ------- . —......-

► —-...... ^ ►------- -------- ------ -------

-------- ------- ________' ■— » ---------- ------

-------- ------- — ------- ------- ►

-- ■ — -----, ►------- --------

4 5 6 Номер фракции

Рис. 16. Изменение электрофоретической подвижности частиц и кластеров гидроксиапатита с увеличением номера фракции.

Таким образом, использование ВСК позволило провести фракционирование полидисперсного образца гидроксиапатита. Были выделены отдельные фракции отличающихся по размеру кластеров гидроксиапатита, для которых были рассчитаны значения электрофоретической подвижности, которые, как было показано, снижаются с увеличением размера кластеров.

ГЛАВА 6. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ УСЛОВИЙ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ ЧАСТИЦ В ВСК

Полученные в рамках настоящей работы экспериментальные данные по фракционированию образцов пыли и пепла, а также результаты фракционирования

почв в ВСК* позволяют сформулировать обобщенные рекомендации по разделению частиц окружающей среды.

Так, для выделения илистой (<2 мкм), пылеватой (2-50 мкм) и песчаной (50250 мкм) фракций почв достаточно использовать традиционную цилиндрическую ВСК и скорость вращения центрифуги 100 об/мин. Элюирование илистой, пылеватой и песчаной фракций возможно при скоростях потока подвижной фазы (воды) 0.7, 2 и 7 мл/мин, соответственно. Для фракционирования субмикронных частиц образцов пыли и пепла необходимо использовать цилиндрическую ВСК с симметричными выступами при скорости вращения не менее 800 об/мин и начальной скорости потока подвижной фазы порядка 0,2 мл/мин. При ступенчатом увеличении скорости потока подвижной фазы можно добиться выделения ряда фракций частиц размером до 10 мкм: 0,2 мл/мин - 50-300 нм, 5-13 мл/мин - 300-1000 нм, 13-21 мл/мин - 1-10 мкм. Частицы большего размера (остаточную фракцию частиц более 10 мкм) можно выделить при остановленной центрифуге. Скорость элюирования определенной фракции может варьироваться внутри предложенных интервалов скоростей потока в зависимости от плотности и формы частиц.

Что касается фракционирования синтетических частиц и их кластеров, то условия могут значительно изменяться в зависимости от природы и формы разделяемых частиц.

ВЫВОДЫ

1. Получил развитие метод проточного фракционирования частиц в поперечном поле центробежных сил в ВСК. Впервые показана возможность снижения размера разделяемых в ВСК частиц до 50 нм.

2. При систематическом исследовании поведения синтетических частиц в ВСК различной конструкции выявлено, что для фракционирования субмикронных и наночастиц необходимы высокая скорость вращения центрифуги (не менее 800 об/мин) и низкая начальная скорость потока подвижной фазы (порядка 0,10,2 мл/мин).

3. Установлено, что геометрия барабана ВСК существенно влияет на удерживание и элюирование частиц в колонке. Выявлено, что использование цилиндрической ВСК

' Катасонова О.Н. Фракционирование частиц во вращающихся спиральных колонках: теория и применение в вещественном анализе почв: Дис.... канд. хим. наук. - Москва, 2005. - 119с.

с двумя симметричными выступами дает возможность получать фракции с высокой степенью монодисперсности: при разделении смеси синтетических субмикронных частиц оксида кремния размером 150, 390 и 900 нм удалось выделить индивидуальные фракции с содержанием частиц 99, 87 и 98%, соответственно.

4. Показано неравномерное распределение элементов (в том числе тяжелых металлов) между выделенными в ВСК различными размерными фракциями (50300 нм, 300-1000 нм, 1-10 мкм, 10-100 мкм) образцов окружающей среды. Элементы, имеющие антропогенное происхождение, концентрируются в мелкодисперсных фракциях образцов пыли, что, скорее всего, связано с наличием действующего источника загрязнения в районе отбора проб. Содержание таких элементов как Sc, Сг, Ni, Си, Zn, Cd, Sn, Pb во фракции частиц размером 50-300 нм в среднем в 2-30 раз выше, чем их содержание во фракции частиц размером более 10 мкм. Установлено, что определение общего содержания элементов в образцах пыли не достаточно для оценки потенциального вреда для здоровья человека. Следует отметить, что результаты выделения и анализа весовых количеств субмикронных фракций пыли получены впервые.

5. На примере образцов гидроксиапатита разработан комплексный подход к изучению свойств частиц, основанный на их фракционировании в ВСК и дальнейшем исследовании фракций методами СЭМ и КЭ. Выбраны оптимальные условия разделения кластеров гидроксиапатита в ВСК, с помощью СЭМ оценен размер частиц в выделенных фракциях. Методом КЭ показано, что электрофоретическая подвижность отрицательно заряженных кластеров уменьшается с увеличением их размера.

6. Сформулированы общие рекомендации по выбору условий фракционирования нано- и микрочастиц в ВСК.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Федотов П.С., Ермолин М.С., Савонина Е.Ю., Кронрод В.А., Спиваков БЛ. Фракционирование нано и микрочастиц во вращающейся конусовидной спиральной колонке//Журн. аналит. химии. -2010. -Т.65.-№ 12.-С. 1237-1243.

2. Rudnev A.V„ Ermolin M.S., Dzherajan T.G., Vanifatova N.G., Fedotov P.S. Characterization of a hydroxyapatite suspension by capillary zone electrophoresis after

fractionation in a rotating coiled column // Mendeleev Communications. - 2011. - V. 21. -P. 212-214.

3. Ермолин M.C., Федотов П.С. Проточное фракционирование субмикронных частиц во вращающихся спиральных колонках с различными конструкционными параметрами // Всероссийская научная школа по аналитической химии. Материалы научной школы. - 2011. - С. 194-199.

4. Ермолин М.С., Федотов П.С., Катасонова О.Н., Спиваков БЛ. Проточное фракционирование нано- и микрочастиц в поперечном поле центробежных сил с применением планетарных центрифуг // Химическая технология. - 2013. - №1. - С. 50-55.

5. Федотов П.С., Савонина Е.Ю., Ермолин М.С. Закономерности поведения нано и микрочастиц при их проточном фракционировании во вращающихся спиральных колонках различной конструкции // Аналитика России. Материалы III Всероссийской конференции с международным участием. - Краснодар, 2009. - С.372.

6. Ермолин М.С., Федотов П.С. Фракционирование и исследование нано и микрочастиц силикагеля с применением вращающихся спиральных колонок различной конструкции // Съезд аналитиков России «Аналитическая химии - новые методы и возможности». - Москва, 2010. - С. 107-108.

7. Руднев А.В., Ермолин М.С., Джераян Т.Г., Ванифатова Н.Г., Федотов П.С. Исследование частиц гидроксиапатита методом капиллярного электрофореза после их фракционирования во вращающейся спиральной колонке // Материалы III Всероссийского симпозиума «Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии». - Краснодар, 2011. - С. 134.

8. Ермолин М.С., Федотов П.С. Влияние конструкционных параметров на проточное фракционирование субмикронных частиц. / Материалы III Всероссийского симпозиума "Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии". - Краснодар, 2011. - С. 43.

9. Ermolin M.S., Fedotov P.S. Sedimentation field-flow fractionation of nano and microparticles using rotating coiled columns // 12th International Conference on Flow analysis. Book of abstracts. - Thessaloniki, 2012. - P. 86.

Подписано в печать 19.03.2013 г. Формат 60x84/16 Бум. офсетная. Гарнитура «Тайме». Усл. печ л. 1,3 Тираж 110 экз. Заказ № 1/2013

Отпечатано на ризографе в ОНТИ ГЕОХИ РАН Москва, 119991, ул. Косыгина, 19

Текст научной работы диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Ермолин, Михаил Сергеевич, Москва

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ИНСТИТУТ ГЕОХИИ И АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ ИМ. В.И. ВЕРНАДСКОГО РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

04201355658

Ермолин Михаил Сергеевич

ФРАКЦИОНИРОВАНИЕ НАНО- И МИКРОЧАСТИЦ ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ СПИРАЛЬНЫХ КОЛОНКАХ ПРИ АНАЛИЗЕ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ

ОБРАЗЦОВ

02.00.02 - аналитическая химия

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: доктор химических наук Федотов П.С.

Москва - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................................................................5

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР........................................................................................................9

1.1. Фракционирование частиц при решении исследовательских и технологических задач......................................................................................................................................9

1.2. Методы фракционирования нано- и микрочастиц в жидких средах............10

1.2.1. Мембранная фильтрация......................................................................................................11

1.2.2. Метод разделения потоков (8РЫТТ-фракционирование)....................13

1.2.3. Капиллярный электрофорез............................................................................................13

1.2.4. Проточное фракционирование в поперечном силовом поле............15

1.2.4.1. Фракционирование и изучение природных частиц и коллоидов.......................................................................................................................23

1.2.4.2. Изучение биологических полимеров и биологических частиц......................................................................................................................................................25

1.2.4.3. Фракционирование и изучение синтетических частиц..........28

1.3. Особенности фракционирования частиц во вращающихся спиральных колонках (ВСК)........................................................................................................................................................29

1.3.1. Устройство ВСК..........................................................................................................................29

1.3.2. Теоретических аспекты поведения частиц в ВСК........................................30

1.3.3. Фракционирование частиц в ВСК..............................................................................34

1.3.4. Перспективы и области применения ВСК............................................................36

1.3.4.1. Фракционирование и анализ полидисперсных образцов окружающей среды....................................................................................................................37

1.3.4.2. Фракционирование частиц гидроксиапатита..................................38

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1..............................................................................................................................................41

ГЛАВА 2. АНАЛИЗИРУЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ, РЕАГЕНТЫ, ПРИБОРЫ И

ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА........................................................................................................................42

2.1. Анализируемые образцы и используемые реагенты....................................................42

2.2. Аппаратура и техника эксперимента..........................................................................................43

ГЛАВА 3. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПОВЕДЕНИЯ НАНО- И

МИКРОЧАСТИЦ ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ СПИРАЛЬНЫХ КОЛОНКАХ...... 53

3.1. Исследование стандартных образцов частиц оксида кремния методом сканирующей электронной микроскопии............................................ 56

3.2. Влияние рабочих параметров ВСК на поведение субмикронных частиц........................................................................................ 59

3.3. Оптимизация условий фракционирования смеси стандартных образцов субмикронных частиц оксида кремния в ВСК различной конструкции................................................................................ 63

3.3.1. Традиционная цилиндрическая ВСК и цилиндрическая ВСК с двумя симметричными выступами............................................. 63

3.3.2. Коническая ВСК с двумя симметричными выступами.............. 66

3.4. Оценка влияния конструкционных параметров ВСК на фракционирование частиц............................................................... 69

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3....................................................................... 71

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ ВРАЩАЮЩИХСЯ СПИРАЛЬНЫХ КОЛОНОК ПРИ АНАЛИЗЕ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ОБРАЗЦОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.......................................................................................... 72

4.1. Фракционирование образцов окружающей среды........................... 73

4.1.1. Вулканический пепел...................................................... 73

4.1.2. Комнатная пыль............................................................. 79

4.1.3. Уличная пыль................................................................ 84

4.2. Изучение связывания элементов с различными размерными фракциями образцов окружающей среды............................................ 89

4.2.1. Уличная пыль................................................................ 90

4.2.2. Комнатная пыль............................................................. 97

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4....................................................................... 103

ГЛАВА 5. РАЗВИТИЕ КОМПЛЕКСНОГО ПОДХОДА К ИЗУЧЕНИЮ СВОЙСТВ ЧАСТИЦ ГИДРОКСИАПАТИТА.......................................... 105

5.1. Исследование исходной суспензии кластеров гидроксиапатита........... 105

5.2. Оптимизация условий фракционирования кластеров гидроксиапатита

во вращающейся колонке................................................................ 108

5.3. Исследование выделенных фракций методами капиллярного

электрофореза и сканирующей электронной микроскопии............................................109

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5..............................................................................................................................................114

ГЛАВА 6. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ УСЛОВИЙ

ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ ЧАСТИЦ В ВСК........................................................................................115

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ......................................................................................................................................................118

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................................................................120

ПРИЛОЖЕНИЕ..............................................................................................................................................................138

ВВЕДЕНИЕ

Конкретные задачи исследования были следующими:

- оценить условия, необходимые для фракционирования наночастиц в ВСК;

- сформулировать общие рекомендации по фракционированию частиц различной природы в ВСК.

Показана возможность фракционирования нано- и микрочастиц полидисперсных образцов окружающей среды для изучения распределения макро-и микроэлементов, в частности тяжелых металлов, между различными по природе и размеру фракциями образцов. Предложен комплексный подход к изучению свойств суспензий частиц и их кластеров, основанный на фракционировании частиц в ВСК и их исследовании методами капиллярного электрофореза и сканирующей электронной микроскопии.

Впервые при помощи проточного фракционирования в поперечном силовом поле из образцов пыли выделены весовые фракции частиц размером 50-300 нм, 300-1000 нм, 1-10 мкм и 10-100 мкм для последующего элементного анализа. Полученные данные о распределении микро- и макроэлементов между различными

по природе и размеру мелкодисперсными фракциями имеют большое практическое знамение при экологическом мониторинге для оценки степени негативного воздействия загрязняющих веществ на здоровье человека, поскольку выделенные фракции имеют различную подвижность в окружающей среде и обладают различной проникающей способностью в организм человека. Помимо этого, повышенное содержание токсичных элементов, в том числе тяжелых металлов, в самых мелких фракциях (50-300 нм) позволяет сделать предположение о наличии действующего источника загрязнения в районе отбора проб.

Автор выносит на защиту:

- результаты фракционирования смеси модельных субмикронных частиц оксида кремния;

Апробация работы. Основные результаты работы докладывали и обсуждали на Съезде аналитиков России «Аналитическая химия - новые методы и возможности» (Москва, 2010); III Всероссийском симпозиуме «Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии» с международным участием (Краснодар, 2011); 12-ой Международной конференции по проточным методам анализа (Салоники, Греция, 2012).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 4 статьях и 5 тезисах докладов.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Фракционирование частиц при решении исследовательских и технологических задач

Разработка и применение методов фракционирования нано- и микрочастиц необходимы при решении ряда исследовательских, аналитических и технологических задач. Известно, что свойства частиц зависят от их размера, особенно это проявляется при снижении размера до нанометрового диапазона. В последнее время особое внимание уделяется изучению особенностей свойств и поведения наночастиц различной природы, вследствие того, что они могут проявлять свойства (электрические, химические, оптические, механические, магнитные) отличные от микро- и макрочастиц. В нанометровом диапазоне размеров частиц особое значение приобретают свойства и взаимодействия отдельных атомов, молекул или агрегатов молекул (например, силы Ван-дер-Ваальса), квантовые эффекты, что обуславливает специфические свойства наноматериалов. Таким образом, распределение частиц по размерам является важнейшим параметром, определяющим конечные свойства того или иного образца или материала. Поэтому, для того чтобы достоверно охарактеризовать свойства того или иного образца, необходимо сначала разделить его на фракции и в дальнейшем охарактеризовать каждую в отдельности.

Изучение свойств нано- и микрочастиц является важным аспектом при решении задач аналитической химии, биологии и медицины, мониторинга объектов окружающей среды, а также нанотехнологий. Условно, частицы можно разделить на три основные группы: частицы окружающей среды, биологические частицы и синтетические частицы. За последние 20 лет в литературе [1-3] достаточно широко освещена проблема фракционирования и анализа твердых и коллоидных частиц окружающей среды. Было установлено, что различные вещества в окружающей среде могут находиться не только в видео свободных ионов и молекул, но и быть связаны с большими макромолекулами, коллоидными и твердыми частицами. К примеру, следовые количества металлов и металлоидов могут быть связаны с гуминовыми веществами, оксигидроксидами железа, алюминия и марганца. Для того чтобы оценить поведение и токсичность различных

загрязнителей, частицы перед анализом необходимо фракционировать в соответствии с их природой и размером.

Фракционирование биологических частиц также является особой задачей, решение которой необходимо в биологии, биохимии и медицине для разделения белков, полисахаридов, вирусов, бактерий, липопротеинов, клеток, клеточных структур и других биологических объектов.

Разделение синтетических частиц становится все более актуальной задачей в свете бурного развития нанотехнологий. Поскольку размер и структура наноматериалов влияют на их свойства, в том числе и новые, изучение наноматериалов становится важным направлением исследования как с теоретической точки зрения, так и с точки зрения их возможного дальнейшего применения. Так, например, размер и форма металлических наночастиц являются важнейшими факторами, определяющими их каталитические, сорбционные, оптические, электрические и магнитные свойства.

Фракционирование и изучение частиц также необходимо и в аналитической химии. Нано- и микрочастицы могут быть использованы в твердофазной экстракции (например, использование углеродных нанотруб�