Нейтронами по мху
ТЕХНОЛОГИИ / #6_2022
Текст: Марина ПОЛЯКОВА / Иллюстрация: Атомный эксперт
Объединенный институт ядерных исследований в Дубне — одно из немногих мест в России, где используют метод нейтронного активационного анализа. Это метод качественного и количественно определения химических элементов, позволяющий изучать практически все образцы, от мхов и растений до винного концентрата и археологических объектов. О самых любопытных областях применения нейтронного активационного анализа рассказывает Инга Зиньковская, начальник сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка ОИЯИ.
Мы проводили исследования совместно с Молдовой, откуда я родом. Это аграрная страна, большую площадь которой занимают виноградники. Идея проанализировать элементный состав вин и почв принадлежит моему научному руководителю, экс-президенту Академии наук Республики Молдова академику Георгию Дуке.
Мы брали образцы почв, листья виноградной лозы, сам виноград и сок из него, а также белые и красные вина. Всё это необходимо для того, чтобы детально отследить процесс перехода химических элементов из почвы в конечный продукт. В общей сложности мы идентифицировали в почвах 35 элементов; почвы характеризуются богатой матрицей, поэтому в них можно найти почти всю таблицу Менделеева. Вина не столь насыщены по элементному составу — мы определили в них 18 элементов, и это тоже много. После полугодовых исследований стало ясно, какие элементы попадают из почвы в вино. Оказалось, что почва — основной источник калия и брома, содержащихся в винах. А соотношение натрия и калия в вине может показать, является ли напиток оригинальным. Если вино разбавили водой, то в нем увеличивается содержание натрия; так что, если коэффициент соотношения натрия и калия выше 20, — значит, перед вами подделка.
Также в вине важно отслеживать содержание железа. Сейчас на большинстве виноделен вино выдерживают не в дубовых, а в металлических бочках. Они подвержены коррозии, и коррозионные элементы могут в больших количествах попадать в вино.
И, конечно, мы отслеживали, чтобы содержание токсичных элементов, попадающих в вино из почвы, не превышало допустимых концентраций. В молдавских винах мы, к примеру, обнаружили мышьяк (из почвы), но в безопасных количествах.
С помощью нейтронного активационного анализа легко можно определить страну происхождения вина. Например, магний в напитке может указывать на Молдову, литий — на Францию. Можно даже определить конкретную винодельню — по сорту винограда, технологиям производства, способу выдержки напитка и т. д. Иногда вина из виноделен, находящихся на расстоянии всего 30 км друг от друга, существенно различаются.
Мы брали образцы почв, листья виноградной лозы, сам виноград и сок из него, а также белые и красные вина. Всё это необходимо для того, чтобы детально отследить процесс перехода химических элементов из почвы в конечный продукт. В общей сложности мы идентифицировали в почвах 35 элементов; почвы характеризуются богатой матрицей, поэтому в них можно найти почти всю таблицу Менделеева. Вина не столь насыщены по элементному составу — мы определили в них 18 элементов, и это тоже много. После полугодовых исследований стало ясно, какие элементы попадают из почвы в вино. Оказалось, что почва — основной источник калия и брома, содержащихся в винах. А соотношение натрия и калия в вине может показать, является ли напиток оригинальным. Если вино разбавили водой, то в нем увеличивается содержание натрия; так что, если коэффициент соотношения натрия и калия выше 20, — значит, перед вами подделка.
Также в вине важно отслеживать содержание железа. Сейчас на большинстве виноделен вино выдерживают не в дубовых, а в металлических бочках. Они подвержены коррозии, и коррозионные элементы могут в больших количествах попадать в вино.
И, конечно, мы отслеживали, чтобы содержание токсичных элементов, попадающих в вино из почвы, не превышало допустимых концентраций. В молдавских винах мы, к примеру, обнаружили мышьяк (из почвы), но в безопасных количествах.
С помощью нейтронного активационного анализа легко можно определить страну происхождения вина. Например, магний в напитке может указывать на Молдову, литий — на Францию. Можно даже определить конкретную винодельню — по сорту винограда, технологиям производства, способу выдержки напитка и т. д. Иногда вина из виноделен, находящихся на расстоянии всего 30 км друг от друга, существенно различаются.
Медицинские растения
Все началось с того, что мы получили из Болгарии несколько растений, предположительно обладающих противовирусными свойствами и способных помочь в борьбе с коронавирусом. Дело в том, что помимо органических кислот, витаминов, флавоноидов, эфирных масел, на лекарственные свойства растений влияют входящие в их состав макро- и микроэлементы. Нашей задачей было определить элементный состав растений и выяснить, нет ли в них токсичных элементов, могущих попасть в организм человека. В наших образцах все было в порядке. Сейчас перед болгарскими коллегами стоит задача получить спиртовые и водные экстракты из этих растений и проверить их противовирусные свойства.
Еще одну работу по медицинским растениям мы проводили совместно с научным центром Северо-Осетинского государственного университета им. К. Л. Хетагурова. У центра есть экспериментальная территория, где они выращивают растения. Мы проанализировали эти растения, а также почвы, на которых они растут. Потом заваривали сборы и смотрели, что именно и в каких концентрациях попадает в чай, а значит, и в организм человека. С помощью нейтронного активационного анализа и атомной абсорбционной спектрометрии мы определили содержание в травяных чаях 37 элементов. Теперь коллеги из Северо-Осетинского госуниверситета будут изучать эти данные и выбирать оптимальные составы травяных сборов.
Все началось с того, что мы получили из Болгарии несколько растений, предположительно обладающих противовирусными свойствами и способных помочь в борьбе с коронавирусом. Дело в том, что помимо органических кислот, витаминов, флавоноидов, эфирных масел, на лекарственные свойства растений влияют входящие в их состав макро- и микроэлементы. Нашей задачей было определить элементный состав растений и выяснить, нет ли в них токсичных элементов, могущих попасть в организм человека. В наших образцах все было в порядке. Сейчас перед болгарскими коллегами стоит задача получить спиртовые и водные экстракты из этих растений и проверить их противовирусные свойства.
Еще одну работу по медицинским растениям мы проводили совместно с научным центром Северо-Осетинского государственного университета им. К. Л. Хетагурова. У центра есть экспериментальная территория, где они выращивают растения. Мы проанализировали эти растения, а также почвы, на которых они растут. Потом заваривали сборы и смотрели, что именно и в каких концентрациях попадает в чай, а значит, и в организм человека. С помощью нейтронного активационного анализа и атомной абсорбционной спектрометрии мы определили содержание в травяных чаях 37 элементов. Теперь коллеги из Северо-Осетинского госуниверситета будут изучать эти данные и выбирать оптимальные составы травяных сборов.
Мох в Монголии
В сотрудничестве с Институтом физики и технологии Монгольской академии наук мы проводим экологические исследования в Улан-Баторе. Это одна из самых грязных с экологической точки зрения столиц мира. Там расположена одна из крупнейших в мире угольных теплоэлектроцентралей. Продуктами горения угля ежедневно дышат горожане и жители пригородов. Это очень вредно, особенно зимой, когда температура воздуха может снижаться до -40° и сжигается очень большое количество твердого топлива. Во время отопительного периода в столице Монголии сильный смог: город расположен в котловине, окруженной горами, погода там безветренная, и воздух почти не движется. Все эти обстоятельства крайне негативно сказываются на здоровье людей. Так, у детей из этого региона наблюдается повышенное число случаев рака крови. В последние 10 лет в Монголии уделяется серьезное внимание оценке качества воздуха в Улан-Баторе.
Ученым необходимо оценить количество токсичных элементов в воздухе и определить факторы, влияющие на здоровье людей, чтобы выработать стратегию улучшения экологической обстановки в городе.
В Улан-Баторе официально действуют 13 стационарных станций мониторинга качества воздуха (некоторые из них расположены в 2−3 км от ТЭЦ), измеряющих содержание в воздухе озона, углекислого газа, двуокиси серы и двуокиси азота, а также мелкодисперсной пыли (ее частицы при попадании в легкие могут вызывать у человека серьезные патологии). Однако станции не оценивают содержание различных химических элементов в пылевых частицах; это будет сделано в рамках исследования, проводимого в ОИЯИ.
Мох — уникальный природный биомонитор. Не имея развитой корневой системы, он активно накапливает вредные вещества из воздуха. Строение покровных тканей мхов обеспечивает проникновение химических элементов в их клетки, где они участвуют в процессах метаболизма. Кроме того, мох сохраняет жизнеспособность даже в высушенном виде, в жару и мороз, что позволяет использовать его в научных целях.
Мхи были предварительно собраны в России, в экологически чистом месте. Они были очищены, высушены и упакованы в сетчатые пластиковые мешочки. Затем по согласованию с муниципалитетом Улан-Батора мхи установили на всех 13 станциях мониторинга воздуха и сняли показания через различные промежутки времени: от 1 до 9 месяцев. После этого монгольские коллеги вернули материал для исследования в Дубну. В общей сложности это почти 400 образцов, большинство из которых подготовлено для элементного анализа.
До конца нынешнего лета в ОИЯИ будет проведен многоэлементный анализ на содержание в образцах 15 химических элементов. В основном это токсичные тяжелые металлы: хром, никель, цинк, железо, барий, стронций, алюминий, ртуть, ванадий, свинец, кадмий, медь, мышьяк, сурьма.
Содержание ртути во мхах ученые уже смогли оценить. В образцах, экспонированных в течение месяца, оно увеличилось на 20% по сравнению с исходным, а в экспонированных в течение трех месяцев — до 50%.
В сотрудничестве с Институтом физики и технологии Монгольской академии наук мы проводим экологические исследования в Улан-Баторе. Это одна из самых грязных с экологической точки зрения столиц мира. Там расположена одна из крупнейших в мире угольных теплоэлектроцентралей. Продуктами горения угля ежедневно дышат горожане и жители пригородов. Это очень вредно, особенно зимой, когда температура воздуха может снижаться до -40° и сжигается очень большое количество твердого топлива. Во время отопительного периода в столице Монголии сильный смог: город расположен в котловине, окруженной горами, погода там безветренная, и воздух почти не движется. Все эти обстоятельства крайне негативно сказываются на здоровье людей. Так, у детей из этого региона наблюдается повышенное число случаев рака крови. В последние 10 лет в Монголии уделяется серьезное внимание оценке качества воздуха в Улан-Баторе.
Ученым необходимо оценить количество токсичных элементов в воздухе и определить факторы, влияющие на здоровье людей, чтобы выработать стратегию улучшения экологической обстановки в городе.
В Улан-Баторе официально действуют 13 стационарных станций мониторинга качества воздуха (некоторые из них расположены в 2−3 км от ТЭЦ), измеряющих содержание в воздухе озона, углекислого газа, двуокиси серы и двуокиси азота, а также мелкодисперсной пыли (ее частицы при попадании в легкие могут вызывать у человека серьезные патологии). Однако станции не оценивают содержание различных химических элементов в пылевых частицах; это будет сделано в рамках исследования, проводимого в ОИЯИ.
Мох — уникальный природный биомонитор. Не имея развитой корневой системы, он активно накапливает вредные вещества из воздуха. Строение покровных тканей мхов обеспечивает проникновение химических элементов в их клетки, где они участвуют в процессах метаболизма. Кроме того, мох сохраняет жизнеспособность даже в высушенном виде, в жару и мороз, что позволяет использовать его в научных целях.
Мхи были предварительно собраны в России, в экологически чистом месте. Они были очищены, высушены и упакованы в сетчатые пластиковые мешочки. Затем по согласованию с муниципалитетом Улан-Батора мхи установили на всех 13 станциях мониторинга воздуха и сняли показания через различные промежутки времени: от 1 до 9 месяцев. После этого монгольские коллеги вернули материал для исследования в Дубну. В общей сложности это почти 400 образцов, большинство из которых подготовлено для элементного анализа.
До конца нынешнего лета в ОИЯИ будет проведен многоэлементный анализ на содержание в образцах 15 химических элементов. В основном это токсичные тяжелые металлы: хром, никель, цинк, железо, барий, стронций, алюминий, ртуть, ванадий, свинец, кадмий, медь, мышьяк, сурьма.
Содержание ртути во мхах ученые уже смогли оценить. В образцах, экспонированных в течение месяца, оно увеличилось на 20% по сравнению с исходным, а в экспонированных в течение трех месяцев — до 50%.
Атлас тяжелых металлов
Исследования со мхами-биомониторами (техника «мхи в мешочках») сектор ведет уже на протяжении 10 лет во многих странах: Сербии, Румынии, Молдове, Азербайджане, России. Однако монгольская столица стала первым городом, где усилия ученых поддержали городские власти.
Каждые пять лет под эгидой Комиссии ООН по трансграничному переносу атмосферных выпадений в Европе издается «Атлас атмосферных выпадений тяжелых металлов». Исследователи изучают содержание химических элементов во мхах, которые позволяют сравнить уровни загрязнения в разных странах, динамику загрязнений и общее экологическое состояние региона. Изначально в проекте участвовали только европейские страны, но после того как в 2014 году Центр сбора данных по тяжелым металлам переместился в ОИЯИ, сбором мхов занялись и страны — участницы института, например, Вьетнам, Армения, Азербайджан и Казахстан.
Сотрудники ОИЯИ с помощью нейтронного активационного анализа изучают присланные им образцы мхов и определяют содержание в них до 45 элементов.
Раньше в России мох собирали очень несистемно — произвольные количества образцов из разных точек. Поэтому серьезный сравнительный анализ пока невозможен. Но в последние годы мы закрепили за собой несколько областей, где сами будем отбирать мох, и к 2025 году наконец сможем провести первое сравнение. Судя по общим трендам, экологическая ситуация лучше не становится. Проблемы сохраняются на востоке Москвы и Московской области, где сконцентрирована основная часть промышленных предприятий и довольно плотная транспортная сеть.
Исследования со мхами-биомониторами (техника «мхи в мешочках») сектор ведет уже на протяжении 10 лет во многих странах: Сербии, Румынии, Молдове, Азербайджане, России. Однако монгольская столица стала первым городом, где усилия ученых поддержали городские власти.
Каждые пять лет под эгидой Комиссии ООН по трансграничному переносу атмосферных выпадений в Европе издается «Атлас атмосферных выпадений тяжелых металлов». Исследователи изучают содержание химических элементов во мхах, которые позволяют сравнить уровни загрязнения в разных странах, динамику загрязнений и общее экологическое состояние региона. Изначально в проекте участвовали только европейские страны, но после того как в 2014 году Центр сбора данных по тяжелым металлам переместился в ОИЯИ, сбором мхов занялись и страны — участницы института, например, Вьетнам, Армения, Азербайджан и Казахстан.
Сотрудники ОИЯИ с помощью нейтронного активационного анализа изучают присланные им образцы мхов и определяют содержание в них до 45 элементов.
Раньше в России мох собирали очень несистемно — произвольные количества образцов из разных точек. Поэтому серьезный сравнительный анализ пока невозможен. Но в последние годы мы закрепили за собой несколько областей, где сами будем отбирать мох, и к 2025 году наконец сможем провести первое сравнение. Судя по общим трендам, экологическая ситуация лучше не становится. Проблемы сохраняются на востоке Москвы и Московской области, где сконцентрирована основная часть промышленных предприятий и довольно плотная транспортная сеть.
Схема активационного анализа
Нейтронный активационный анализ — это метод качественного и количественного определения элементов, основанный на измерении параметров излучения, испускаемого при распаде радиоактивных ядер, образующихся при облучении материалов нейтронами. Источником нейтронов при этом может быть исследовательский или энергетический реактор.
Образец подвергается бомбардировке нейтронами, после чего ядра переходят в возбужденное состояние, а затем возвращаются в основное, испуская при этом гамма-кванты. Регистрация интенсивности и энергии гамма-излучения, а также периодов полураспада радиоактивных ядер позволяет получить спектр излучения и определить состав образца. Одновременно с интересующим ученых образцом облучению подвергаются и стандартные образцы, состав которых хорошо известен. Благодаря сравнению результатов можно установить не только наличие в образце того или иного элемента, но и его количество. Поскольку в основе активационного анализа лежат ядерные процессы, его результаты не зависят от формы элемента и позволяют определить его валовое содержание. Образец при этом не разрушается. Изначально активационный анализ был методом анализа геологических образцов; со временем он стал использоваться в биологии, археологии и других областях науки.
Образец подвергается бомбардировке нейтронами, после чего ядра переходят в возбужденное состояние, а затем возвращаются в основное, испуская при этом гамма-кванты. Регистрация интенсивности и энергии гамма-излучения, а также периодов полураспада радиоактивных ядер позволяет получить спектр излучения и определить состав образца. Одновременно с интересующим ученых образцом облучению подвергаются и стандартные образцы, состав которых хорошо известен. Благодаря сравнению результатов можно установить не только наличие в образце того или иного элемента, но и его количество. Поскольку в основе активационного анализа лежат ядерные процессы, его результаты не зависят от формы элемента и позволяют определить его валовое содержание. Образец при этом не разрушается. Изначально активационный анализ был методом анализа геологических образцов; со временем он стал использоваться в биологии, археологии и других областях науки.
Серебро накапливается в мозге
Метод нейтронного активационного анализа применяется также в нанотоксикологии. Так, в ОИЯИ исследуют влияние на организм наночастиц серебра и их накопление в различных органах. Наночастицы могут попадать в организм человека с пищей, при использовании солнцезащитных кремов и других косметических средств, антисептиков, а также (в случае несоблюдения техники безопасности) на производстве.
Мы на крысах изучали, как накапливаются в организме и выводятся из него наночастицы серебра. Работа состояла из двух этапов: на первом мы синтезировали наночастицы, на втором — вводили их крысам. Была задача определить, сколько серебра накопилось в органах крыс и выводится ли оно из них. Оказалось, что из печени и почек серебро выводится хорошо, а вот в мозге накапливается, что может вызывать нарушения его работы.
На клеточном уровне токсичность наночастиц серебра доказана — они вызывают разрывы белковых связей и ДНК. При высоких концентрациях у животных наблюдаются нарушения работы мозга. Конечно, делать выводы о том, как серебро накапливается в организме человека, проведя исследования только на крысах, нельзя, но, возможно, эффект будет точно такой же. В реальности наночастицы не могут попасть в человеческий организм в таких высоких концентрациях, в каких мы вводили их крысам. Однако тема определенно требует дальнейшего изучения.
Метод нейтронного активационного анализа применяется также в нанотоксикологии. Так, в ОИЯИ исследуют влияние на организм наночастиц серебра и их накопление в различных органах. Наночастицы могут попадать в организм человека с пищей, при использовании солнцезащитных кремов и других косметических средств, антисептиков, а также (в случае несоблюдения техники безопасности) на производстве.
Мы на крысах изучали, как накапливаются в организме и выводятся из него наночастицы серебра. Работа состояла из двух этапов: на первом мы синтезировали наночастицы, на втором — вводили их крысам. Была задача определить, сколько серебра накопилось в органах крыс и выводится ли оно из них. Оказалось, что из печени и почек серебро выводится хорошо, а вот в мозге накапливается, что может вызывать нарушения его работы.
На клеточном уровне токсичность наночастиц серебра доказана — они вызывают разрывы белковых связей и ДНК. При высоких концентрациях у животных наблюдаются нарушения работы мозга. Конечно, делать выводы о том, как серебро накапливается в организме человека, проведя исследования только на крысах, нельзя, но, возможно, эффект будет точно такой же. В реальности наночастицы не могут попасть в человеческий организм в таких высоких концентрациях, в каких мы вводили их крысам. Однако тема определенно требует дальнейшего изучения.
Полотенце с МКС
В рамках космического эксперимента «Тест» мы должны были изучить сверток хлопчатобумажной ткани, размещенный космонавтами на внешней поверхности МКС 10 марта 2009 года. В 2019 году ткань сняли и доставили на Землю. Для определения элементного состава ткани два фрагмента (один — чистый, контрольный, который не был в космосе, и один — загрязненный) передали в ОИЯИ.
Перед нашей лабораторией стояла задача определить элементы, осевшие на материале за это время. Дело в том, что со временем поверхность космических аппаратов загрязняется осадком неизвестного происхождения. Интересно, что поверхность МКС загрязнена только с одной стороны — словно пыль движется потоком, направленным на станцию. На Земле такое загрязнение не создало бы трудностей, но в космосе оно вызывает перегрев поверхностей, термическую деформацию и другие проблемы, приводящие к повреждениям космических аппаратов. К тому же мелкие частицы, движущиеся с космической скоростью, способны взаимодействовать с алюминиевыми корпусами модулей станции и проникать в поверхностные слои металла, что приводит к ухудшению его характеристик. Для планирования будущих космических полетов важно знать, что это за осадок, из чего он состоит и как влияет на конструкционные материалы.
Специалисты ОИЯИ, проведя нейтронный активационный анализ ткани, обнаружили в загрязненном фрагменте 39 элементов, а в чистом — всего 19. Нашли, например, иридий — это фрагменты пыли с комет и астероидов. Космическое происхождение имели также магний, кремний, железо, уран и торий. Еще один источник загрязнения — сама МКС. Станция в основном построена из алюминия, а трубопроводы изготовлены из коррозионностойких сталей и титановых сплавов. Обнаружили также рений, который попал на станцию с Земли вместе с вулканическим пеплом. На высоту орбиты МКС эти частицы попадают вместе с гигантской молнией, которая за счет сложного процесса электротермодиффузии может поднимать частицы высоко вверх.
Результаты этой работы уже опубликованы. Мы надеемся, что они заинтересуют коллег из «Роскосмоса» и позволят нам участвовать в других экспериментах, проводимых на МКС. Стоит заметить, что сразу после анализа фрагментов свертка к нам поступило на анализ около 50 образцов метеоритов, включая Челябинский. Поэтому можно считать, что работа с образцом с МКС дала старт развитию нового научного направления в нашем секторе.
В рамках космического эксперимента «Тест» мы должны были изучить сверток хлопчатобумажной ткани, размещенный космонавтами на внешней поверхности МКС 10 марта 2009 года. В 2019 году ткань сняли и доставили на Землю. Для определения элементного состава ткани два фрагмента (один — чистый, контрольный, который не был в космосе, и один — загрязненный) передали в ОИЯИ.
Перед нашей лабораторией стояла задача определить элементы, осевшие на материале за это время. Дело в том, что со временем поверхность космических аппаратов загрязняется осадком неизвестного происхождения. Интересно, что поверхность МКС загрязнена только с одной стороны — словно пыль движется потоком, направленным на станцию. На Земле такое загрязнение не создало бы трудностей, но в космосе оно вызывает перегрев поверхностей, термическую деформацию и другие проблемы, приводящие к повреждениям космических аппаратов. К тому же мелкие частицы, движущиеся с космической скоростью, способны взаимодействовать с алюминиевыми корпусами модулей станции и проникать в поверхностные слои металла, что приводит к ухудшению его характеристик. Для планирования будущих космических полетов важно знать, что это за осадок, из чего он состоит и как влияет на конструкционные материалы.
Специалисты ОИЯИ, проведя нейтронный активационный анализ ткани, обнаружили в загрязненном фрагменте 39 элементов, а в чистом — всего 19. Нашли, например, иридий — это фрагменты пыли с комет и астероидов. Космическое происхождение имели также магний, кремний, железо, уран и торий. Еще один источник загрязнения — сама МКС. Станция в основном построена из алюминия, а трубопроводы изготовлены из коррозионностойких сталей и титановых сплавов. Обнаружили также рений, который попал на станцию с Земли вместе с вулканическим пеплом. На высоту орбиты МКС эти частицы попадают вместе с гигантской молнией, которая за счет сложного процесса электротермодиффузии может поднимать частицы высоко вверх.
Результаты этой работы уже опубликованы. Мы надеемся, что они заинтересуют коллег из «Роскосмоса» и позволят нам участвовать в других экспериментах, проводимых на МКС. Стоит заметить, что сразу после анализа фрагментов свертка к нам поступило на анализ около 50 образцов метеоритов, включая Челябинский. Поэтому можно считать, что работа с образцом с МКС дала старт развитию нового научного направления в нашем секторе.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #6_2022