СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СТАНДАРТНЫХ ОБРАЗЦОВ АЭРОЗОЛЕЙ Российский патент 2014 года по МПК G01N1/28 G01N1/38 

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).

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 м³ 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.

Способ приготовления стандартных образцов аэрозолей на основе смеси тонкодисперсного порошка, содержащего определяемые элементы, отличается тем, что используют дисперсную смесь минеральных, синтетических и биологических материалов, 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. При этом обеспечивается возможность максимального подобия моделируемых атмосферных взвесей для разных регионов и условий. 11 ил.

Способ приготовления стандартных образцов аэрозолей на основе смеси тонкодисперсного порошка, содержащего определяемые элементы, отличающийся тем, что получают дисперсную смесь минерального, биологического и синтетического и материалов, путем их смешивания в пропорциях, соответствующих их долям в составе реальной атмосферной смеси, при этом в качестве минерального материала используют измельченный цеолитовый туф в двух размерных фракций - до 1 мкм и от 1 до 100 мкм, в качестве биологического материала используют измельченную до фракций не более 100 мкм смесь листьев и травы, и/или волос животных, и/или перьев птиц, представителей биосферы данного региона, а в качестве синтетического материала используют пластмассу, измельченную до фракций десятки мкм, затем формируют аэрозоль с использованием ультразвукового ингалятора, причем предварительно с помощью гранулометрического анализа выявляют присутствие названных минерального, биологического и синтетического материалов и определяют их содержание в составе реальной атмосферной взвеси, в данном регионе применительно к конкретному сезону.