Оптимизация способов пробоподготовки для повышения эффективности выделения наночастиц из образцов окружающей среды

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Методологический пробел в изучении наночастиц окружающей среды в значительной степени обусловлен их малой долей (обычно около 0.01–0.1 %) в пепле, пыли или почве и, как следствие, сложностью выделения и количественного анализа. В настоящем исследовании показана эффективность новой методики пробоподготовки образцов вулканического пепла (последовательное диспергирование в 0.1 М NaCl и 2 мМ Na4P2O7) и последующего выделения наночастиц при помощи проточного фракционирования в поперечном силовом поле во вращающейся спиральной колонке с использованием 2 мМ раствора Na4P2O7 в качестве элюента. Методика позволяет на порядок увеличить массу выделяемых наночастиц и обеспечивает возможность определения элементов (таких как Be, Cr, Co, Zn, Ag, Sb, Te, Ta, W, Tl, Bi), находящихся в наночастицах пеплов ряда вулканов в концентрациях ниже пределов обнаружения методом МС-ИСП при использовании деионизованной воды в качестве элюента при их выделении. Кроме того, не происходит искажения результатов вследствие артефактов (в частности, образования в ходе пробоподготовки труднорастворимых фосфатов кальция). Данная методика может стать основой систематических исследований наночастиц пеплов широкого ряда вулканов различного типа, а также городской пыли.

Об авторах

А. С. Бржезинский

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук

Email: abrzhezinskiy@gmail.com
ул. Косыгина, 19, Москва, 119991 Россия

М. С. Ермолин

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук

Email: abrzhezinskiy@gmail.com
ул. Косыгина, 19, Москва, 119991 Россия

В. К. Карандашев

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук; Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук

Email: abrzhezinskiy@gmail.com
ул. Косыгина, 19, Москва, 119991 Россия; ул. Осипьяна, 6, Черноголовка, Московская обл., 142432 Россия

П. С. Федотов

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: abrzhezinskiy@gmail.com
ул. Косыгина, 19, Москва, 119991 Россия

Список литературы

  1. Senesi N., Wilkinson K.J. Biophysical Chemistry of Fractal Structures and Processes in Environmental Systems. Chichester: Wiley, 2008. 323 p.
  2. Buzea C., Pacheco I.I., Robbie K. Nanomaterials and nanoparticles: Sources and toxicity // Biointerphases 2007. V. 2. № 4. P. 17.
  3. Gottschalk F., Nowack B. The release of engineered nanomaterials to the environment // J. Environ. Monit. 2011. V. 13. № 5. P. 1145.
  4. Poole C.P., Frank J.О. Introduction to Nanotechnology. Hoboken: Wiley-Interscience, 2003. 400 p.
  5. Niemeyer C.M. Nanoparticles, Proteins and Nucleic Acids: Biotechnology Meets Materials Science // Angew. Chem. Int Ed. 2001. V. 40. № 22. P. 4128.
  6. Ju-Nam Y., Lead J.R. Manufactured nanoparticles: An overview of their chemistry, interactions and potential environmental implications // Sci. Total Environ. 2008.V. 400. № 1–3. P. 396.
  7. Schmid G. Nanoparticles: From Theory to Application. Wiley-VCH, 2004. 434 p.
  8. Ermolin M.S., Fedotov P.S. Separation and characterization of environmental nano- and submicron particles // Rev. Anal. Chem. 2016. V. 35. № 4. P. 185.
  9. Faucher S., Le Coustumer P., Lespes G. Nanoanalytics: History, concepts, and specificities // Environ. Sci. Pollut. Res. 2019. V. 26. № 6. P. 5267.
  10. Jeevanandam J., Barhoum A, Yen S.C, Dufresne A., Danquah M.D. Review on nanoparticles and nanostructured materials: History, sources, toxicity and regulations // Beilstein J. Nanotechnol. 2018. V. 9. № 1. P. 1050.
  11. Ermolin M.S., Ivaneev A. I., Brzhezinskiy A.S., Fedynina N.N., Karandashev V.K., Fedotov P.S. Distribution of platinum and palladium between dissolved, nanoparticulate, and microparticulate fractions of road dust // Molecules. 2022. V. 27. № 18. P. 1.
  12. Ivaneev A.I., Brzhezinskiy A.S., Karandashev V.K., Ermolin M.S, Fedynina N.N., Fedotov P.S. Nanoparticles of dust as an emerging contaminant in urban environments // Environ. Geochem. Health. 2024. V. 46. № 10. Article 367.
  13. Lespes G., Faucher S., Slaveykova V.I. Natural nanoparticles, anthropogenic nanoparticles, where is the frontier? // Front. Environ. Sci. 2020. V 8. P. 1.
  14. Hochella M.F., Mogk D.W., Ranville J.F., Allen I.C., Luther G.W., Marr L.C., McGrail B.P., Murayama M., Qafoku N.P., Rosso K.M., Sahai N., Schroeder P.A., Vikesland P.J., Westerhoff P., Yang Y. Natural, incidental, and engineered nanomaterials and their impacts on the Earth system // Science. 2019. V. 363. P. 1414.
  15. Taylor D. A. Dust in the wind // Environ. Health Perspect. 2002. V. 110. № 2 P. 80.
  16. Houghton J. Global warming // Rep. Prog. Phys. 2005. V. 68. № 6. P. 1343.
  17. Cather S.M., Dunbar N.W., McDowell F.W., McIntosh W.C., Scholle P.A. Climate forcing by iron fertilization from repeated ignimbrite eruptions: The icehouse-silicic large igneous province (SLIP) hypothesis // Geosphere. 2009. V. 5. № 3. P. 315.
  18. Trovato M.C., Andronico D., Sciacchitano R., Ruggeri R.M., Picerno I., Angela D.P., Visalli G. Nanostructures: Between natural environment and medical practice // Rev. Environ. Health. 2018. V. 33. № 3. P. 295.
  19. Schiavo B., Morton-Bermea O., Meza-Figueroa D., Valera D. Characterization of volcanic ash nanoparticles and study of their fate in aqueous medium by asymmetric flow field-flow fractionation-multi-detection // Sci. Total Environ. 2023. V. 899. Article 165742.
  20. Ermolin M.S., Shilobreeva S.N., Fedotov P.S. Study of the chemical composition of ash nanoparticles from the volcanoes of Kamchatka // Geochem. Int. 2023. V. 61. № 4. P. 348.
  21. Ермолин М.С., Федотов П.С., Карандашев В.К., Шкинев В.М. Методология выделения и элементного анализа наночастиц вулканического пепла // Журн. аналит. Химии. 2017. Т. 72. № 5. С. 462. (Ermolin M.S., Fedotov P.S., Karandashev V.K., Shkinev V.M. Methodology for separation and elemental analysis of volcanic ash nanoparticles // J. Anal. Chem. 2017. V. 72. № 5. P. 533.)
  22. Ermolin M.S., Fedotov P.S., Malik N.A. Karandashev V.K. Nanoparticles of volcanic ash as a carrier for toxic elements on the global scale // Chemosphere. 2018. V. 200. P. 16.
  23. Ермолин М.С., Федотов П.С. Выделение наночастиц из почвы и пыли и их исследование методом масс-спектрометрии с индуктивно- связанной плазмой в режиме анализа единичных частиц // Журн. аналит. химии. 2023. Т. 78. № 9. С. 771. (Ermolin M.S., Fedotov P.S. Isolation of nanoparticles from soils and dust and their study by single particle inductively coupled plasma mass spectrometry // J. Anal. Chem. 2023. V. 78. № 9. P. 1115.)
  24. Ivaneev A. I., Ivanov A. V., Sergeev A. A., Belyaev A. V., Fedotov P. S. Separation and preparation of nanoparticles from urban dust for biological studies // Anal. Methods. 2025. V. 17. № 9. P. 1921.
  25. Иванеев А.И., Ермолин М.С., Федотов П.С. Разделение, характеризация и анализ нано- и микрочастиц окружающей среды: современные методы и подходы // Журн. аналит. химии. 2021. Т. 76. № 4. С. 291. (Ivaneev A.I., Ermolin M.S., Fedotov P.S. Separation, characterization and analysis of environmental nano- and microparticles: State-of-the-art methods and approaches // J. Anal. Chem. 2021. V. 76. № 4. P. 413.)
  26. Hofman J, Bartholomeus H., Janssen S., Calders K., Wuyts K., Wittenberghe A.V., Samson R. Influence of tree crown characteristics on the local PM10 distribution inside an urban street canyon in Antwerp (Belgium): A model and experimental approach // Urban For. Urban Green. 2016. V. 20. P. 265.
  27. Imoto Y., Yasutaka T., Someya M., Higashino K. Influence of solid-liquid separation method parameters employed in soil leaching tests on apparent metal concentration // Sci. Total Environ. 2018. V. 624. P. 96.
  28. Liu G., Wang J., Xue W., Zhao J., Wang J., Liu X., Effect of the size of variable charge soil particles on cadmium accumulation and adsorption // J. Soils Sediments. 2017. V. 17. № 12. P. 2810.
  29. Padoan E., Romè C., Ajmone-Marsan F. Bioaccessibility and size distribution of metals in road dust and roadside soils along a peri-urban transect // Sci. Total Environ. 2017. V. 601–602. P. 89.
  30. Delgado M. F., Rojas-Lillo Y., Peña J., Muñoz A., Campos-Vallette M., Rivas M. Determination of metallic nanoparticles in soils using microwave-assisted extraction and spICP-MS // Talanta. 2024. V. 263. Article 125742
  31. Sánchez-Cachero A., Rodríguez Fariñas N., Jiménez-Moreno M., Rodríguez Martín-Doimeadios R. C. Quantitative analysis and characterization of PtNPs in road dust based on ultrasonic probe assisted extraction and single particle inductively coupled plasma mass spectrometry // Spectrochim. Acta B. 2023. V. 203. Article 106665.
  32. Fedotov P.S., Ermolin M.S., Katasonova O.N. Field-flow fractionation of nano- and microparticles in rotating coiled columns // J. Chromatogr. 2015. V. 1381. P. 202.
  33. Ermolin M.S., Ivaneev A.I., Fedynina N.N., Fedotov P.S. Nanospeciation of metals and metalloids in volcanic ash using single particle inductively coupled plasma mass spectrometry // Chemosphere. 2021. V. 281. Article 130950
  34. Yi Z., Loosli F., Wang J., Berti D., Baalousha M. How to distinguish natural versus engineered nanomaterials: insights from the analysis of TiO2 and CeO2 in soils // Environ. Chem. Lett. 2020. V. 18. № 1. P. 215.
  35. Loosli F., Yi Z., Wang J., Baalousha M. Improved extraction efficiency of natural nanomaterials in soils to facilitate their characterization using a multimethod approach // Sci. Total Environ. 2019. V. 677. P. 34.
  36. Schwertfeger D.M., Velicogna J.V., Jesmer A.H., Saatcioglu S., McShane H., Scroggins R.P., Princz J.I. Extracting metallic nanoparticles from soils for quantitative analysis: Method development using engineered silver nanoparticles and SP-ICP-MS // Anal. Chem. 2017. V. 89. № 4. P. 2505.
  37. Karandashev V.K., Khvostikov V.A., Nossenko S.V., Burmil Zh.P. Stable highly enriched isotopes in routine analysis of rocks, soils, grounds, and sediments by ICP-MS // Inorg. Mater. 2017. V. 53. № 14. P. 1432.
  38. Ермолин М.С., Иванеев А.И., Федотов П.С., Карандашев В.К., Федюнина Н.Н., Еськина В.В. Выделение и количественный анализ наночастиц дорожной пыли // Журн. аналит. химии. 2017. Т. 72. № 5. С. 448-461. (Ermolin M.S., Ivaneev A.I., Fedotov P.S., Karandashev V.K., Fedynina N.N., Eskina V.V. Isolation and quantitative analysis of road dust nanoparticles // J. Anal. Chem. 2017. V. 72. № 5. P. 520.)
  39. Regelink I.C., Weng L., Koopmans G.F., Riemsdijk W H. Asymmetric flow field-flow fractionation as a new approach to analyse iron-(hydr)oxide nanoparticles in soil extracts // Geoderma. 2013. V. 202–203. P. 134.
  40. Сафронова Т.В. Неорганические материалы для регенеративной медицины // Неорг. материалы. 2021. Т. 57. № 5. С. 467. (Safronova T.V. Inorganic materials for regenerative medicine // Inorg. Mater. 2021 V. 57. № 5. P. 443).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025