Атомно-эмиссионная спектроскопия биологических объектов

Состояние окружающей среды – показатель здоровья населения нашей страны. Большую опасность представляют загрязнения окружающей среды соединениями тяжелых металлов (Pb, Hg, Be, As, Ni, Cu, Zn, Al, Cd, Fe и т.д.).
Изучение элементного состава растений необходимо для более полной характеристики распределения химических элементов в природных и антропогенных ландшафтах, поскольку растения являются важнейшим звеном биологического круговорота веществ. С практической точки зрения сведения о химическом составе растений необходимы для сбалансированного питания человека и животных.
Актуальность проблемы

Цель исследования – исследование возможностей проведения количественного атомно-эмиссионного экспресс-анализа растительных объектов (сныти и крапивы) на содержание ряда важнейших элементов и разработка соответствующих методик.
Объекты исследования – биообъекты (растительные и животные образцы).
Предмет исследования – количественное содержание химических элементов в различных частях растения в зависимости от фазы его развития и места произрастания.

Большими потенциальными возможностями для проведения оперативного химико-аналитического контроля объектов растительного и животного происхождения на содержание различных металлов обладает лазерный атомно-эмиссионный многоканальный спектральный анализ, отличающийся многоэлементностью, сравнительной простотой подготовки образцов и довольно низкими пределами обнаружения.

Для проведения исследований использовался лазерный многоканальный атомно-эмиссионный спектрометр LSS-1.

Спектрометр включает в себя в качестве источника возбуждения плазмы двухимпульсный неодимовый лазер с регулируемыми энергией и интервалом между импульсами (модель LS2131 DM). Лазер обладает широкими возможностями как для регулировки энергии импульсов (от 10 до 80 мДж), так и временного интервала между импульсами (от 0 до 100 мкс). Лазер может работать с частотой повторения импульсов до 10 Гц и максимальной энергией излучения каждого из сдвоенных импульсов до 80 мДж на длине волны 1064 нм. Длительность импульсов ≈ 15 нс. Временной сдвиг между сдвоенными импульсами может изменяться с шагом 1 мкс. Лазерное излучение фокусировалось на образец с помощью ахроматического конденсора с фокусным расстоянием 100 мм. Размер пятна фокусировки примерно 50 мкм. Все эксперименты проводились в атмосфере воздуха при нормальном атмосферном давлении.

Для разработки перспективных методов экспресс-анализа содержания металлов проведены экспериментальные исследования свежих растительных образцов огурцов и томатов.
Выбор указанных объектов основывался на том, что при их выращивании применяется довольно большое количество удобрений и средств борьбы с болезнями.

Определение оптимальных режимов абляции различающихся по своей структуре свежих растительных образцов затруднено сложным характером взаимодействия излучения лазера с пробой.
При использовании двухимпульсного лазера для анализа растительных образцов процессы пробоподготовки и анализа могут быть объединены в едином цикле.

Проведены исследования образцов при различных энергиях лазерных импульсов (30-50 мДж) и временных интервалах между ними (0-20 мкс).
В качестве примера на рис. 1 приведены спектры образцов томатов с различным содержанием хлорокиси меди на поверхности в области плодоножки (а и б) и рядом (в). Образцы подготовлены следующим образом: а - тщательно вымытый дистиллированной водой, б и в – с нанесенной и затем высушенной путем естественного испарения микрокаплей (2 мкл) раствора хлора окиси меди (концентрация меди 0,1%, близкая к используемой на практике).

Рис. 1. Спектр образцов томатов при временном интервале между сдвоенными импульсами 8 мкс и энергии 50 мДж

Как видно из приведенного спектра наиболее сильными линиями в спектрах всех образцов являются ионные линии Ca II (λ= 393,367 нм, λ= 396,847 нм). Несколько менее сильными, в спектрах образцов б и в, проявляются линии Cu (λ= 324,754 нм, λ= 327,396 нм). В спектре образца а интенсивность линий меди близка к фоновой.
В других областях спектров образцов проявляются интенсивные линии макроэлементов Na (λ= 588,955 нм, λ= 589,592 нм), K (λ= 766,491 нм, λ= 769,898 нм), Mg II (λ= 279,553 нм, λ= 280,270 нм).
Следует отметить, что общее количество определяемого элемента мало. Так при диаметре отверстия порядка 100 мкм общее количество выброшенного в пароплазменное облако Ca, Mg, Cu будет примерно равно 10-10 грамма.

Для исследования процессов возможного накопления металлов из растворов, нанесенных на поверхность, во внутренних слоях овощей разработана методика послойного определения элементного состава пробы. На рис. 2 приведены послойные спектры образца 1б для линий меди. Толщина снимаемого слоя (1-20 мкм) регулировалась изменением плотности мощности падающей на образец путем расфокусировки пучка.
Рис. 2. Послойные спектры образца 1б для линий меди.

Из приведенных спектров видно, что определенное количество меди за время сушки (примерно 1 час) диффундирует через поверхность томата вглубь.
Полученные результаты на качественном уровне можно объяснить следующим образом. Вблизи поверхности образца с сухим остатком солей содержащих в качестве компонентов металлы, пробой эрозионного факела эрозионных металлических атомарных паров, нанокластеров происходит при небольшом превышении интенсивности лазерного излучения над значением, необходимым для образования факела.

Исследование процессов поступления элементов с поверхности пористых тел показало, что природа подобных процессов связана как с отличием физико-химических свойств элементов, так и взаимодействием лазерных импульсов на поверхности и в объеме пористого тела.
Практически все биологические объекты (растительные продукты, мясные и рыбные продукты) представляют собой пористые тела, с различным размером пор.

Заключение
Выполненные спектроскопические исследования приповерхностной лазерной плазмы, образуемой вблизи поверхности пористого тела, при воздействии на нее двух последовательных импульсов показали возможность определения содержания элементов как на поверхности, так в жидкостях с хорошей чувствительностью. Определены параметры установки, обеспечивающие возможность получения максимальной интенсивности линий ряда макро- и микроэлементов.
Это может иметь значение не только для развития методов лазерной атомно-эмиссионной многоканальной спектрометрии плодов и овощей, но и для развития методов экспресс-анализа других подобных объектов.