Физический факультет

Кафедра радиофизики и электроники

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Изучение влияния различных форм железа на физико-химические показатели Triticum Aestivum

Аннотация

Дипломная работа содержит 59 страниц, в том числе 23 рисунка, 3 таблицы, 55 источников литературы. Графическая часть работы выполнена в виде презентаций средствами Microsoft Office PowerPoint.

Данная работа рассматривает вопросы влияния нанопорошков металлов, таких как железо, его оксид и медь, на зерновую культуру. Изучалось пролонгированное действие ультрадисперсных порошков металлов после предпосевной обработки семян, развитие, продуктивность и качество яровой пшеницы. Выявлено, что частицы железа и его оксида оказывают более эффективное воздействие на рост растения. Представлены графики спектров поглощения частиц железа, меди, оксида железа, которые были получены при спектрофотометрическом анализе.

Первый раздел содержит краткие теоретические сведения о биологической роли химических элементов в живом организме и об истории возникновения наноматериалов. Вторая глава включает описание объектов, средств и методов исследования. В третьей главе представлены основные результаты и сформулированы выводы.

Summary

Degree work contains 59 pages, including 23 figures, 3 tables, 55 sources of the literature. The graphic part of work is executed in the form of presentations bymeans Microsoft PowerPoint.

This work examines the impact of nano-powders of metals such as iron, copper and its oxide, for cereals. We studied the prolonged action of ultrafine powders of metals after pre-sowing treatment, development, productivity and quality of spring wheat. It was revealed that the particles of iron oxide and have a more effective impact on the growth of plants. Are graphs of absorption spectra of particles of iron, copper, iron oxide, which were obtained by spectrophotometric analysis.

The first section contains a brief theoretical information about the biological role of the chemical elements in living organisms and the history of the onset of nanomaterials. The second chapter includes a description of the objects, means and methods of studies. The third chapter presents the main findings and conclusions formulated by.

Содержание

Введение. 6

1 Биологическое действие химических элементов на живой организм. 7

1.1 История развития учения о микроэлементах и их применение в биологии, медицине и почвоведение. 7

1.1.1 Биологическое значение микроэлементов. 8

1.1.2 Биологическое значение микроэлементов на почвообразование и растения........ 10

1.1.3 Железо и его влияние на морфологический и биохимический состав живого организма 12

1.1.4 Медь и его влияние на морфологический и биохимический состав живого организма 14

1.2 Использование наночастиц в биологии. 16

1.2.1 История развития наноматериалов и нанотехнологий. 16

1.2.2 Методы получения наночастиц. 22

1.2.3 Основные методы исследования наноматериалов. 29

1.2.4 Биологическая роль и влияние нанометаллов на живой организм. 36

1.2.5 Ультрадисперсные порошки как альтернативные источники микроэлементов 37

2 Материалы и методы исследования. 40

2.1 Объект исследования. 40

2.2 Подготовка к исследованиям и измерение. 40

2.3 Измерения на атомно-силовом микроскопе. 41

2.4 Спектрофлуориметрическое исследование. 43

2.5 Спектрофотометрическое исследование. 44

3 Результаты и обсуждение. 46

3.1 Спектры поглощения поливочных растворов. 46

3.2 Микроскопическое исследование частиц. 47

3.3 Измерение характеристик роста. 49

3.4 Спектральное исследование растительных выжимок. 51

Основные результаты и выводы.. 54

Заключение. 55

Список использованных источников. 56

Введение

В настоящее время в связи с развитием и внедрением нанотехнологий особую остроту приобретают проблемы, связанные с возможным воздействием техногенных наночастиц на жизнедеятельность живых организмов, в том числе растений. Растительные организмы являются разнообразными и доступными объектами, использование которых в исследованиях дает возможность оценить как специфичность воздействия наночастиц, так и их дозозависимые эффекты, т.е. чувствительность растений можно рассматривать как индикатор экотоксичности наноматериалов. Кроме того, растения представляют интерес для исследователя и как высокоинформативные экспериментальные модели, позволяющие проанализировать большие объемы биологического материала в течение вегетационного опыта в полевых условиях.

Преимущества высокодисперсных порошков над другими источниками микроэлементов заключаются в малой токсичности и пролонгированном действии.

Экспериментальных данных, связанных с изучением влияния наночастиц на биохимические и физиологические процессы в листьях растений, практически нет. Однако необходимость и важность таких исследований определяются тем, что именно растения являются основанием «пищевой пирамиды» на нашей планете, и сохранении оптимальной экологии полноценной «пищевой цепочки», включая человека, является актуальной задачей современной науки и природопользования [1].

В связи с актуальностью указанных проблем в данной дипломной работе были поставлены следующие задачи:

1 Составить литературный обзор, раскрывающий современные исследования в области влияния нанопорошков на живые организмы и на растения в частности.

2 Исследовать спектральные характеристики поливочных растворов.

3 Проверить размеры частиц порошков, используемых в эксперименте.

4 Изучить пролонгированное действие нанопорошков металлов на физико-химические показатели Triticum Aestivum.

1 Биологическое действие химических элементов на живой организм
1.1 История развития учения о микроэлементах и их применение в биологии, медицине и почвоведение

Для нормального функционирования всех субклеточных структур, тканей, органов и систем, адекватного удовлетворения потребности в энергии и питательных веществах любому живому организму необходимо ежедневное поступление определенного количества белков, жиров, углеводов, а также целого ряда витаминов и микроэлементов. Если роль витаминов в поддержании гомеостаза достаточно хорошо изучена, то влиянию микроэлементов длительное время не уделялось должного внимания.

Рассмотрение данного вопроса в его историческом аспекте позволяет вернуться на много веков назад: так, например, первые упоминания о токсическом действии мышьяка относятся к эпохе Ренессанса [2]. В ХVIII веке при изготовлении модных тогда в Европе бобровых шляп использовалась ртуть, поэтому у рабочих на этом производстве и у владельцев при длительном ношении шляп отмечались характерные расстройства психики, которые назвали «меркурианством» (от англ. Mercury- ртуть).

Экспоненциальный рост числа исследований роли микроэлементов в процессах жизнедеятельности начался в 70-е годы XX века, когда была решена проблема надежного количественного определения содержания микроэлементов, суточная потребность в которых измеряется в миллиграммах. Особенно бурно изучение микроэлементов в живых системах развивалось за рубежом.

Биологическая роль микроэлементов является важнейшим компонентом фундаментальной проблемы единства живого организма и внешней среды. Начало этим исследованиям положено классическими трудами выдающихся советских геохимиков: В. И. Вернадского и А. П. Виноградова. П. Виноградовым было разработано учение о биогеохимических провинциях, освещающее вопросы распределения химических элементов в почвах, водах и организмах. Широкой известностью пользуется у нас в стране и за рубежом монография Виноградова «Геохимия редких и рассеянных элементов в почвах». Весьма ценные и оригинальные исследования были проведены Е. В. Бобко, Е. П.Троицким, В. В. Ковальским и др. Большие работы проводятся у нас в стране я за рубежом по разработке геохимических методов поисков полезных ископаемых. Эти работы, кроме своей прямой задачи, помогают лучше познать распределение микроэлементов в почвах и почвообразующих породах. Существенную роль в развитии современных представлений о геохимии ландшафта сыграли работы Б. Б. Полынова и А.И.Перельмана [3].

В начале 80-х годов были выявлены биологические реакции растений, животных и человека на избыток и недостаток в геохимической среде отдельных элементов и изменения их соотношений [4]. В конечном счете биологическими эффектами являются изменения обмена веществ и эндемические заболевания. В.В.Ковальским были открыты и впервые описаны эндемии животных и человека: гипо- и авитаминоз В₁₂- в Нечерноземной зоне, молибденовая подагра и свинцовая невралгия – в Армении, борные энтериты – в Казахстане, стронциевые хондродистрофии – в Забайкалье и Таджикистане. Проводились систематические исследования микроэлементного состава кормов в различных зонах СССР и во всех изученных субрегионах биосферы и биогеохимических провинциях с недостатком или избытком определенных микроэлементов. С целью оптимизации питания были разработаны нормативные включения микроэлементов в состав премиксов для животноводческих комплексов и хозяйств. Обобщены материалы многолетних исследований по содержанию микроэлементов в кормах животных Центральной и Нечерноземной зоны, Южного Урала, Южной Грузии, Новосибирской области, трассы БАМ, основных областей Западной Сибири.

К сожалению, в 1991 году в связи с распадом СССР прекратил свое существование Научный Совет АН СССР по проблемам микроэлементов в биологии, прервалась многолетняя плодотворная координация исследований и разработок по проблемам МЭ не только в масштабах бывшего Советского Союза, но и в России. Определенное внимание этой проблеме продолжает уделяться главным образом в медицине усилиями отдельных ученых-энтузиастов и возглавляемых ими коллективов.

В заключение следует подчеркнуть, что в современных условиях, характеризующихся, в частности, глобальным загрязнением и нарушением экологического баланса биосферы, проблема микроэлементов не только не теряет, но, наоборот, приобретает поистине жизненно важное значение [5].

1.1.1 Биологическое значение микроэлементов

Микроэлементы – это группа химических элементов, которые содержатся в организме человека и животных в очень малых количествах, в пределах 10ˉ³-10ˉ¹² %. Единственной характерной чертой микроэлементов является их низкая концентрация в живых тканях [6].

Микроэлементы – это не случайные ингредиенты тканей и жидкостей живых организмов, а компоненты, закономерно существующей очень древней и сложной физиологической системы, участвующей в регулировании жизненных функций организмов на всех стадиях развития. Выделены три основополагающих принципа ее функционирования:

· избирательное поглощение микроэлементов;

· избирательная концентрация их в определенных организмах, органах, тканях и некоторых органеллах клетки;

· селективное выделение.

Эти механизмы поддерживают микроэлементный гомеостаз [7]. Микроэлементы резко отличаются друг от друга по своим физико-химическим свойствам и биологическому действию, но вместе, они не имеют какой-либо общей химической характеристики, которая давала бы возможность отличить их от макроэлементов, за исключением концентрации в организме.

Все живые существа состоят из 12 наиболее распрост­раненных элементов, входящих в число первых 20 элементов периодической системы Д.И. Менделеева. Это основные, или «структурные», элементы, присутствие которых в живой материи связано, в первую очередь, с их огромным содержанием в биосфере. Кроме того, во всех организмах находится небольшое количество более тяжелых элементов, которые до некоторой степени произвольно подразделяются на микро-, макро- и ультрамикроэлементы [8].

Макроэлементы – содержание в живых организмах от 80 до 0,01%. Это кислород (O), углерод (C), водород (H), азот (N), фосфор (P), калий (K), сера (S), хлор (Cl), кальций (Ca), магний (Mg), натрий (Na). На долю водорода, кислорода, углерода и азота приходится около 98% живого вещества. Эти четыре элемента вместе с серой и фосфором часто называют биоэлементами, т.к. они являются необходимыми составными частями молекул биологических полимеров (от греч. polys – много; meros – часть): белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов.

Микроэлементы – содержание в живых организмах от 0,01% до 0,000001%. Сюда относятся железо (Fe), йод (I), цинк (Zn), фтор (F), кобальт (Co), медь (Cu), селен (Se), хром (Cr), бор (B), молибден (Mo), марганец (Mn) и др.

Ультрамикроэлементы – содержание в живом организме менее 0,000001%. В группу входят серебро (Ag), ртуть (Hg), золото (Au), титан (Ti), никель (Ni), ванадий (V) и др.

Микроэлементы и ультрамикроэлементы в сумме составляют менее 1–2 % живого организма, но они нужны ему не меньше, чем макроэлементы [9]. Такое подразделение микроэлементовпризнается большинством специалистов, хотя и существуют небольшие разночтения. В частности, выдающийся американский микроэлементолог W. Мегtz определил в группу имеющих практическую значимость для здоровья человека следующие микроэлементы: хром, железо, медь, цинк, селен, молибден, кадмий, йод, ртуть и свинец [10].

Современная классификация микроэлементов выглядит следующим образом:

1 Эссенциальные (жизненно необходимые): железо, йод, медь, цинк, кобальт, хром, молибден, сера, марганец;

2 Условно-эссенциальные(условно необходимые): мышьяк, бор, бром, фтор, литий, никель, ванадий, кремний;

3 Токсичные: алюминий, кадмий, свинец, ртуть, бериллий, барий, висмут, таллий;

4 Потенциально-токсичные: германий, золото, индий, рубидий, серебро, титан, теллур, уран, вольфрам, олово, цирконий и др.

Позиция многих микроэлементов в данной классификации неустойчива и, возможно, в будущем прогресс в изучении многообразной функции микроэлементов в иммунной системе и организме в целом позволит уточнить и расширить данную классификацию [11]. Экспериментально доказано, что микроэлементы необходимы для многих важнейших биохимических процессов, недостаток элементов замедляет эти процессы и даже останавливает их. Для белкового, углеводного и жирового обмена веществ необходимых молибден, железо, ванадий, кобальт, вольфрам, бор, марганец, цинк; в синтезе белков участвуют магний, марганец, железо, кобальт, медь, никель, хром; в кроветворении — кобальт, медь, марганец, никель, цинк; в дыхании — магний, железо, медь, цинк, марганец, кобальт. Поэтому микроэлементы нашли широкое практическое применение в качестве микроудобрений для полевых культур, подкормок в животноводстве, птицеводстве, рыбоводстве [12].

1.1.2 Биологическое значение микроэлементов на почвообразование и растения

На первых этапах изучения микроэлементов преобладало мнение, что они существенны только для живых организмов. Последующие исследования показали, что даже при малом содержании многие микроэлементы могут существенно влиять на процессы почвообразования и активно в них участвовать. Характерные для почв слоистые алюмосиликаты при изоморфных замещениях модифицируются, изменяются их строение и свойства. Главным источником поступления микроэлементов в почвы являются материнские горные породы. Микроэлементы могут поступать в почву с метеоритной и космической пылью, вулканическими газами, с морскими брызгами, из почвенно-грунтовых вод, в результате геохимической деятельности человека и техногенного загрязнения биосферы [13]. В почвах наблюдаются накопление, поглощение и закрепление большого числа микроэлементов. Поглощение микроэлементов происходит различными путями: они могут входить в состав поглощенных катионов, в кристаллическую решетку первичных и вторичных минералов, могут давать собственные коллоидные минералы, адсорбироваться на поверхности коллоидных частиц, входить в состав органического вещества, образовывать нерастворимые соединения (соли, оксиды). Поскольку микроэлементы воздействуют на развитие растений, то все почвенные биохимические процессы во многом зависят от уровня содержания и набора микроэлементов; одновременно последние стимулируют деятельность микроорганизмов [14].

Содержание и распределение микроэлементов в почвах зависят от направления и степени развития почвообразовательного процесса и особенностей поведения микроэлементов в ландшафте. Характер распределения микроэлементов в почвенном покрове определяется гумусностью, гранулометрическим составом, реакцией среды, окислительно-восстановительными условиями, емкостью поглощения, содержанием CO2 . В кислой среде уменьшается подвижность молибдена, но увеличивается подвижность меди, марганца, цинка и кобальта. Такие микроэлементы, как бор, фтор и йод, подвижны как в кислой, так и в щелочной среде. Некоторые микроэлементы, например бор, образуют с органическим веществом растворимые соединения, другие (йод и медь) закрепляются и становятся недоступными для растений. Растениям доступны микроэлементы, находящиеся в растворимом или поглощенном состоянии. Количество подвижных микроэлементов составляет всего 5-25% их валового содержания [15].

Микроэлементы в почвах входят в состав разных соединений, большая часть которых представлена нерастворимыми или труднорастворимыми формами и лишь небольшая — подвижными формами, усваиваемыми растениями. На подвижность микроэлементов и их доступность растениям большое влияние оказывают кислотность почвы, влажность, содержание органического вещества и другие условия. Содержание микроэлементов в почвах различных типов неодинаково. Например, подвижными формами бора и меди богаты чернозёмы (0,4—1,5 и 4—30 мг в 1 кг почвы) и бедны дерново-подзолистые (0,02—0,6 и 0,1—6,7 мг в 1 кг), недостаток молибдена ощущается в лёгких, магния — в чернозёмах, цинка — в бурых и каштановых. Недостаток или избыток микроэлементов в почве приводит к дефициту или избытку их в растительном и животном организме. При этом происходят изменения характера накопления (депонирования), ослабление или усиление синтеза биологически активных веществ, перестройка процессов межуточного обмена, выработка новых адаптаций или развиваются расстройства, ведущие к так называемым эндемическим заболеваниям человека и животных. Так, эндемическая атаксия у животных вызывается недостатком меди, некоторым избытком молибдена и сульфатов, возможно, также свинца; эндемический зоб у человека и животных — недостатком йода; борные энтериты, осложнённые пневмониями (у овец), — избытком бора [16].

Изучение значения микроэлементов в обмене веществ растений необходимо для выявления новых возможностей управления их продуктивностью, поскольку микроэлементы могут выступать и как специфические и как неспецифические регуляторы обмена веществ.

Во многих жизненных процессах, происходящих в растениях на молекулярном уровне, микроэлементы принимают самое активное участие. Действуя через ферментную систему или непосредственно связываясь с биополимерами растений, микроэлементы могут стимулировать или ингибировать процессы роста, развития и репродуктивную функцию растений. Микроэлементы за счет своего каталитического действия позволяют растениям более эффективно использовать основные элементы питания - энергию солнца, воду и микроэлементы - азот (N), фосфор (Р) и калий (К), что в свою очередь положительно влияет на продуктивность растений и качество урожая:

Входят в состав ферментов и ферментных систем, без которых невозможно протекание биохимических процессов в организме растения.

· Микроэлементы способны усиливать свойство тканей растения к восстановлению, что в значительной степени уменьшает поражение растений заболеваниями.

· Большинство микроэлементов являются активными катализаторами биохимических процессов в растениях. Кроме того, микроэлементы влияют на направление течения биохимических реакций в растениях за счет влияния на биоколоиды растений [17].

1.1.3 Железо и его влияние на морфологический и биохимический состав живого организма

Железо, Fe –химический элемент VIII группы периодической системы Менделеева; атомный номер 26, атомная масса 55,847; блестящий серебристо-белый металл. Элемент в природе состоит из четырех стабильных изотопов: ⁵⁴Fe (5,84%), ⁵⁶Fe (91,68%), ⁵⁷Fe (2,17%) и ⁵⁸Fe (0,31%).

Железо – один из главных компонентов литосферы и составляет приблизительно 5% её массы. Поведение железа в окружающей среде во многом определяется его способностью легко изменять валентность в зависимости от физико-химических условий среды и тесно связано с геохимическими циклами кислорода, серы и углерода. Как правило, окислительные и щелочные условия среды способствуют осаждению железа, а кислые и восстановительные – растворению его соединений. Свободное железо фиксируется, образуя оксиды и гидроксиды, органокомплекс и замещая магний и алюминий в минералах.

В почвах железо присутствует главным образом в виде оксидов и гидроксидов, находящихся в форме небольших частиц или связанных с поверхностью некоторых минералов. Однако в богатых органическим веществом горизонтах Fe находится преимущественно в хелатной форме. По данным А. Кабата-Пендиас и Х. Пендиаса (1989), микроорганизмы также могут принимать участие в преобразовании железа, вовлекаясь в круговорот элемента и аккумулируя его на поверхности живых клеток [18].Железо один из важнейших микроэлементов растений. Оно способно формировать 6 координационных связей с атомами-донорами электронов, такими как азот и кислород [19]. Наличие в растениях форм железа с различной валентностью объясняет его участие в основных окислительно-восстановительных реакциях, таких как фотосинтез и дыхание, в составе многих белков хлоропластных и митохондриальных электрон-транспортных цепей. Железо также вовлечено во многие ферментные реакции, необходимые для фиксации азота, синтеза ДНК и растительных гормонов [20]. Хлоропласты - основное место утилизации железа в растениях. В них сосредоточено до 80% от общего железа в листьях. В зеленых тканях арабидобсиса 70% от общего железа находится в хлоропластах, а 40% - в тилакоидах. Однако распределение железа в листьях зависит от стадии развития [21]. Доказана необходимость железа для биосинтеза хлорофилла. Железо входит в состав пероксидазы и каталазы, которые задействованы в трансформации пероксида водорода. Оно вступает в реакции со свободными радикалами, поэтому накопление и буферность соединений Fe - ключевые элементы защитных механизмов у живых организмов в борьбе с окислительным стрессом [22].

При недостатке железа наблюдается хлороз. Более эффективным средством борьбы с хлорозом, обусловленным недостатком железа, является применение хелатов железа, которые используются в виде внекорневой подкормки, а также при внесении в почву. Наибольшей восстановительной способностью обладают молодые боковые корни второго порядка. Это указывает на значительный вклад корней этого типа, на процесс поглощения железа [23]. Железо, поглощаемое клетками корня растения, прежде всего, используется для удобрения собственных потребностей, а затем уже транспортируется в вегетативные органы. Особенно интенсивно оно транспортируется к активно развивающимся молодым тканям [24]. Поступление железа из внешнего раствора в клетки корня и далее облегчает перемещение цитрата. Железо образовывает комплексные соединения с цитратом и транспортируется растением в виде цитрата железа. Железо является компонентом гемопротеидов (цитохром), а также негеминовых железосодержащих белков, связанных с фотосинтезом, фиксацией азота и участвующими в дыхании дегидрогеназами. Увеличение пероксидазной активности наблюдается, как при недостатка железа, так и при его избытке по сравнению с активностью этого фермента при нормальной обеспеченности растений железом, однако между пероксидазной и каталазной активностями в этом случае имеется обратная связь.

Применение железа в виде растворов солей определенной концентрации в смеси с другими микроэлементами, для механизированной обработки клубней картофеля при посадке, в сочетании с рост регулирующими веществами, повышает урожайность в среднем на 10,7% [25]. Отмечено, что более эффективным способом введения железа в организм растения является использование комплексных химических соединений органического происхождения, в которых биологически активными лигандами являются комплексоны. Обработка комплексонатами металлов способствует накоплению элементов питания и хлорофилла в листьях, количество азота возрастает на 16,3-21,2%, фосфора на 18,2-20,6%, содержание крахмала в клубнях картофеля увеличивается на 0,8-1,8%. При этом комплексонаты снижают пораженность растений болезнями в 2 и более раз, особенно эффективен полиэлементный состав комплексов [26].

1.1.4 Медь и его влияние на морфологический и биохимический состав живого организма

Медь (Сu), химический элемент I группы периодической системы Менделеева; атомный номер 29, атомная масса 63,546; мягкий, ковкий металл красного цвета. Природная Медь состоит из смеси двух стабильных изотопов - 63Сu (69,1%) и 65Сu (30,9%).

Среднее содержание Меди в земной коре (кларк) 4,7·10-3 % (по массе), в нижней части земной коры, сложенной основными породами, ее больше (1·10-2%), чем в верхней (2·10-3%), где преобладают граниты и другие кислые изверженные породы. Медь энергично мигрирует как в горячих водах глубин, так и в холодных растворах биосферы; сероводород осаждает из природных вод различные сульфиды Меди, имеющие большое промышленное значение. Среди многочисленных минералов меди преобладают сульфиды, фосфаты, сульфаты, хлориды, известны также самородная Медь, карбонаты и оксиды.

Медь - важный элемент жизни, она участвует во многих физиологических процессах. Среднее содержание меди в живом веществе 2·10-4%. В таежных и других ландшафтах влажного климата медь сравнительно легко выщелачивается из кислых почв, здесь местами наблюдается дефицит меди и связанные с ним болезни растений и животных (особенно на песках и торфяниках). В степях и пустынях (с характерными для них слабощелочными растворами) медь малоподвижна; на участках месторождений меди наблюдается ее избыток в почвах и растениях, отчего болеют домашние животные [27].

Содержание меди в растениях варьирует от 1 до 20 мг/кг сухого вещества; наиболее высоким содержанием меди отличаются листья. Участие меди в метаболических процессах определяется ее специфическими физико-химическими свойствами.

Физиологическая роль меди в растительном организме тесно связана с ее участием в ферментативных процессах непосредственно как катализатора или в составе медьсодержащих ферментов: она усиливает интенсивность дыхания, катализирует окисление аскорбиновой кислоты, обеспечивает ассимиляцию нитратного азота и фиксацию азота атмосферы. Медь нужна растениям также для образования хлорофилла, участвует в метаболизме протеинов и углеводов. Так же ион меди легко освобождает или принимает один электрон, что обусловливает поведение меди то как донора, то как акцептора электронов. Медь участвует в регуляции гормонального баланса растений: за счет регулирующего воздействия на содержание ингибиторов роста фенольной природы медь повышает устойчивость растений к полеганию. Она повышает также засухо-, морозо- и жаростойкость. В растительном организме медь входит в состав множества оксидаз, пластоцианинов, церулоплазмина и регулирует большинство окислительно–восстановительных процессов.

Успехи по изучению физиологической роли меди достигнуты в физиологии животных. Были приведены доказательства в пользу того, что медь, главным образом, связана с белками и не бывает в клетке в низкомолекулярной форме. Как показал Милс, в растительной ткани около 2/3 меди могут находиться в нерастворимом, связанном состоянии [28].

Большая значимость этого элемента для растении ставит задачу поиска таких форм медьсодержащих удобрений, которые, не влияя на ее количество в почве, окажут положительное действие на рост и развитие растений, а так же и на обмен веществ в них.

Положительное влияние микроэлементов на урожай доказано давно. В настоящее время также определена продолжительность действия микроэлементов и установлено, что в процессе вегетации растений их концентрация уменьшается. В связи с этим рекомендуется сочетать два способа применения микроэлементов: обработка семян, некорневая подкормка в фазе колошения яровых зерновых культур.

Обработка семян сельскохозяйственных культур микроэлементами, содержащими медь, обеспечивало прибавку урожая ячменя; яровой пшеницы, овса, льна, гороха, картофеля. Такой же эффект от применения медьсодержащих удобрений был получен в исследованиях Б.П. Багинскас, А.П. Норкус (1988); А.Н. Агаева (1981).

Многолетние исследования Р.С. Рябых (1988) показали, что всхожесть и ростовые процессы усиливаются активнее под действием микроэлементов. Образование листовой поверхности риса, семена которого были обработаны солью железа было более активным; длина метелки превышала контроль на 10%; цветение кистей и наступление спелости опережало контроль на 2-3 дня. Результаты опытов на ячмене, свидетельствуют об увеличении энергии прорастания семян, обработанных солью меди на 6%, всхожести – на 2%, продуктивной куститости – до 5,5%. По мнению ученых медьсодержащие удобрения влияют на рост зерновых культур пропорционально вносимым дозам. В опытах В.И. Левина и О.П. Поляковой (2000) применение микроэлементов, в том числе и меди в виде 0,05% соли медного купороса, ускоряло рост ботвы картофеля и обеспечивало более быстрое накопление клубней. Высота растений превышала контроль на 4,7%, количество стеблей на одно растение на 18%, площадь листьев одного растения – на 10,7% , площадь листьев на 1кв. м. посадки – на 12,5%.

Очевидным является и тот факт, что стимулирующая доза препаратов варьирует в широких пределах и зависит от содержания в почве доступных химических элементов, кислотности почвы, погонных условий. Способствуя увеличению энергии прорастания и всхожести семян, предпосевная обработка растений водными растворами микроэлементов напрямую влияет на ферментативные процессы, протекающие в клетках растений, а следовательно и на обмен веществ. Ферменты катализируют все процессы в растениях. Наибольший интерес из металлов представляют железо и медь, так как они являются активаторами многих ферментов. С точки зрения потребления растениями железо – макроэлемент, медь – микроэлемент [29].

Выявление биологической роли и функционального значения отдельных микроэлементов привело к изменению представлений об этиологии и патогенезе целого ряда заболеваний и, как следствие, к пересмотру методов их диагностики и лечения.

Доказано, что нарушения обмена микроэлементов тесно связаны с социально-экономическим неблагополучием. Несбалансированное, неполноценное питание и стрессы чаще всего являются причинами возникновения микроэлементозов.

С учетом всего выше сказанного, становится очевидным колоссальное значение микроэлементов для нормального функционирования живых организмов.

С этих позиций и учитывая разностороннее действие химических элементов, ведется поиск альтернативных форм микроэлементов. Такими источниками могут выступать высокодисперсные порошки металлов, обладающие рядом преимуществ в виде солей [30].

1.2 Использование наночастиц в биологии

1.2.1 История развития наноматериалов и нанотехнологий

Еще до наступления эры нанотехнологий люди сталкивались с наноразмерными объектами и протекающими на наноразмерном уровне процессами, и использовали их на практике. Так, например, биохимические реакции между макромолекулами, из которых состоит все живое, получение фотоизображений, катализ в химическом производстве, бродильные процессы, происходящие при изготовлении вина, сыра, хлеба, и другие происходят на наноуровне. Однако так называемая «интуитивная нанотехнология», которая первоначально развивалась стихийно, без надлежащего понимания природы используемых объектов и процессов, не могла быть надежной основой в будущем. Поэтому все большую актуальность приобретают научные исследования, расширяющие горизонты познания наномира и направленные на создание принципиально новых продуктов и технологий.

Научные исследования нанообъектов берут свое начало в XIX веке, когда в 1856-1857-е годы М. Фарадей впервые получил и изучил свойства коллоидных растворов нанодисперсного золота и тонких пленок на его основе.

Интересно отметить пример нанотехнологического предвидения, сделанного в 1881 году Н.С. Лесковым в повествовании о тульском мастере Левше, сумевшем подковать «аглицкую» блоху «наногвоздями», которые можно было разглядеть только в «мелкоскоп» с увеличением 5 000 000 раз, что соответствует возможностям современной высокоразрешающей микроскопии (на это первым обратил внимание российский ученый, специалист в области наноматериаловедения Р.А. Андриевский).

В 1959 году американский физик, Нобелевский лауреат Р. Фейнман прочитал, ставшую впоследствии знаменитой лекцию под названием "Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики”, в которой была впервые рассмотрена возможность создания наноразмерных деталей и устройств совершенно новым способом – путем поштучной "атомарной” сборки. Р. Фейнман заявил: «Пока мы вынуждены пользоваться атомарными структурами, которые предлагает нам природа». И далее добавил: «Но в принципе физик мог бы синтезировать любое вещество по заданной химической формуле» [31].

Термин «нанотехнология» впервые предложил японец Н. Танигучи в 1974 г. На возможность создания материалов с размерами зерен менее 100 нм, которые должны обладать многими интересными и полезными дополнительными свойствами по сравнению с традиционными микроструктурными материалами, указал немецкий ученый Г. Глейтер в 1981 г.

Нанотехнология ‑ совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.

Наноматериалы ‑ материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками [32].

В настоящее время интерес к новому классу материалов в области как фундаментальной и прикладной науки, так и промышленности и бизнеса постоянно увеличивается. Это обусловлено такими причинами, как:

стремление к миниатюризации изделий;

· уникальными свойствами материалов в наноструктурном состоянии,

· необходимостью разработки и внедрения новых материалов с качественно и количественно новыми свойствами;

· развитие новых технологических приемов и методов, базирующиеся на принципах самосборки и самоорганизации;

· практическое внедрение современных приборов исследования и контроля наноматериалов (зондовая микроскопия, рентгеновские методы, нанотвердость);

· развитие и внедрение новых технологий (ионно-плазменные технологии обработки поверхности и создания тонких слоев и пленок, LIGA-технологии, представляющие собой последовательность процессов литографии, гальваники и формовки, технологий получения и формования нанопорошков и т.п.).

Развитие фундаментальных и прикладных представлений о наноматериалах и нанотехнологиях уже в ближайшие годы может привести к кардинальным изменениям во многих сферах человеческой деятельности: в материаловедении, энергетике, электронике, информатике, машиностроении, медицине, сельском хозяйстве, экологии. Наряду с компьютерно-информационными технологиями и биотехнологиями, нанотехнологии являются фундаментом научно-технической революции в XXI веке [33].

Наноматериалы имеют ряд структурных особенностей, которые обусловлены наличием параметров, которые могут относиться к структуре как в целом, так и к ее отдельным элементам. В свою очередь, структурные особенности наноматериалов находят свое отражение в необычном проявлении их свойств. Поскольку наноматериалы лежат в основе создания наносистем, то свойства наносистем в значительной степени зависят от свойств наноматериалов.

Существуют различные виды наноматериалов, каждый из которых характеризуется присущей ему спецификой структуры, и как следствие, свойств. Основные категории классификаций наноматериалов можно проиллюстрировать на рисунке 1.1.

 

Рисунок 1.1 – Классификация наноматериалов

Первая категория включает материалы в виде твердых тел, размеры которых в одном, двух или трех пространственных координатах не превышают 100 нм. К таким материалам можно отнести наноразмерные частицы (нанопорошки), нанопроволоки и нановолокна., очень тонкие пленки (толщиной менее 100 нм), нанотрубки и т.п... Такие материалы могут содержать от одного структурного элемента или кристаллита (для частиц порошка) до нескольких их слоев (для пленки). В связи с этим первую категорию можно классифицировать как наноматериалы с малым числом структурных элементов или наноматериалы в виде наноизделий

Вторая категория включает в себя материалы в виде малоразмерных изделий с характеризующим размером в примерном диапазоне 1 мкм…1 мм. Обычно это проволоки, ленты, фольги. Такие материалы содержат уже значительное число структурных элементов и их можно классифицировать как наноматериалов с большим числом структурных элементов (кристаллитов) или наноматериалы в виде микроизделий.

Третья категория представляет собой массивные (или иначе объемные) наноматериалы с размерами изделий из них в макродиапазоне (более нескольких мм). Такие материалы состоят из очень большого числа наноразмерных элементов (кристаллитов) и фактически являются поликристаллическими материалами с размером зерна от 1 до 100 нм. В свою очередь третью категорию наноматериалов можно разделить на два класса.

В первый класс входят однофазные материалы (в соответствие с терминологией [34] микроструктурно однородные материалы), структура и/или химический состав которых изменяется по объему материала только на атомном уровне. Их структура, как правило, находится в состоянии далеком от равновесия. К таким материалам относятся, например, стекла, гели, пересыщенные твердые растворы. Ко второму классу можно отнести микроструктурные неоднородные материалы, которые состоят из наноразмерных элементов (кристаллитов, блоков) с различной структурой и/или составом. Это многофазные материалы, например, на основе сложных металлических сплавов. Вторая и третья категории наноматериалов подпадают под более узкие определения нанокристаллических или нанофазных материалов.

К четвертой категории относятся композиционные материалы, содержащие в своем составе компоненты из наноматериалов. При этом в качестве компонентов могут выступать наноматериалы, отнесенные к первой категории (композиты с наночастицами и/или нановолокнами, изделия с измененным ионной имплантацией поверхностным слоем или тонкой пленкой) и второй категории (например, композиты упрочненные волокнами и/или частицами с наноструктурой, материалы с модифицированным наноструктурным поверхностным слоем или покрытием). Можно выделить также композиционные материалы со сложным использованием нанокомпонентов [35].

Свойства наноматериалов в значительной степени определяются характером распределения, формой и химическим составом кристаллитов (наноразмерных элементов), из которых они состоят.

· Наиболее характерными особенностями наноматериалов являются:

· появление нетрадиционных видов симметрии структуры и особых видов сопряжения границ раздела фаз;

· ведущая роль процессов самоорганизации в структурообразовании, доминирующих над процессами искусственного упорядочения;

· высокая полевая активность и каталитическая избирательность поверхности наночастиц и их ансамблей;

· особый характер протекания процессов передачи энергии, заряда и конформационных изменений, отличающихся низким энергопотреблением, высокой скоростью и наличием синергетических признаков.

К числу основных причин проявления вышеуказанных особенностей наноматериалов и наносистем относятся: высокая удельная поверхность и связанная с ней высокая энергетическая активность наночастиц; повышенная роль размерных эффектов, которая проявляется как в индивидуальных наночастицах, так и в их ансамблях – из-за значительной площади границ раздела. Все это находит свое отражение в механизмах упорядочения наночастиц, свойствах наночастиц и их ансамблей, в закономерностях различных процессов.

Наноматериалы подразделяются по степени структурной сложности на наночастицы и наноструктурные материалы что представлено на рисунке 1.2. Наночастицы представляют собой наноразмерные комплексы определенным образом взаимосвязанных атомов или молекул.

 

Рисунок 1.2 – Классификация наноматериалов по структурным свойствам

К наночастицам относятся:

· нанокластеры, среди которых различают упорядоченные нанокластеры, характеризующиеся наличием определенного порядка в расположении атомов или молекул и сильными химическими связями, и неупорядоченные нанокластеры, характеризующиеся, соответственно, отсутствием порядка в расположении атомов или молекул и слабыми химическими связями;

· нанокристаллы (кристаллические наночастицы), характеризующиеся упорядоченным расположением атомов или молекул и сильными химическими связями – подобно массивным кристаллам (макрокристаллам);

· фуллерены, состоящие из атомов углерода (или других элементов), об-разующих структуру в виде сфероподобного каркаса;

· нанотрубки, состоящие из атомов углерода (или других элементов), образующих структуру в виде цилиндрического каркаса, закрытого с торцов каркасными куполами;

· супермолекулы, состоящие из «молекулы-хозяина» с пространственной структурой, в полости которого содержится «молекула-гость»;

· биомолекулы, представляющие собой сложные молекулы биологической природы, характеризующиеся полимерным строением (ДНК, белки);

· мицеллы, состоящие из молекул поверхностно-активных веществ, образующих сфероподобную структуру;

· липосомы, состоящие из молекул особых органических соединений – фосфолипидов, образующих сфероподобную структуру.

Наноструктурные материалы представляют собой ансамбли наночастиц. В таких материалах наночастицы играют роль структурных элементов. Наноструктурные материалы подразделяются по характеру взаимосвязи наночастиц наа консолидированные наноматериалы и нанодисперсии. Консолидированные наноматериалы – это компактные твердофазные материалы, состоящие из наночастиц, которые имеют фиксированное пространственное положение в объеме материала и жестко связаны непосредственно друг с другом.

К консолидированным наноматериалам относятся:

· нанокристаллические материалы, состоящие из нанокристаллов, которые обычно называют нанозернами, или нанокристаллитами;

· фуллериты, состоящие из фуллеренов[36];

· фотонные кристаллы, состоящие из пространственно упорядоченных элементов, которые сравнимы по размеру в одном, двух или трех направлениях с полудлиной световой волны;

· слоистые нанокомпозиты (сверхрешетки), состоящие из слоев различных материалов наноразмерной толщины, матричные нанокомпозиты, состоящие из твердофазной основы – матрицы, в объеме которой распределены наночастицы (или нанопроволоки);

· нанопористые материалы, характеризующиеся наличием нанопор;

· наноаэрогели, содержащие прослойки наноразмерной толщины, разделяющие поры.

Нанодисперсии представляют собой дисперсные системы с наноразмерной дисперсной фазой. К нанодисперсиям относятся указанные выше матричные нанокомпози-ты и нанопористые материалы, а также:

· нанопорошки, состоящие из соприкасающихся друг с другом наноча-стиц;

· наносуспензии, состоящие из наночастиц, свободно распределенных в объеме жидкости;

· наноэмульсии, состоящие из нанокапель жидкости, свободно распределенных в объеме другой жидкости;

· наноаэрозоли, состоящие из наночастиц или нанокапель, свободно рас-пределенных в объеме газообразной среды.

Особой разновидностью наноструктурных материалов являются биомолекулярные комплексы, которые, так же как и биомолекулы, имеют биологическую природу [31].

1.2.2 Методы получения наночастиц

Известны различные способы получения нанопорошков металлов и их химических соединений, которые могут быть сведены к двум процессам: формированию малых частиц из атомов, молекул, кластеров и диспергированию массивных тел [37].

Наиболее перспективными направлениями для получения нанопорошков являются:

· Плазмохимический синтез

· Электрический взрыв проводников

· Метод вакуумного импульсно-дугового испарения

· Левитационно-струйный метод

· Метод газофазных реакций

· Разложение нестабильных соединений

· Метод осаждения из растворов

· Механосинтез

· Микроэмульсионный метод

· Ударно-волновой синтез

· Методы воздействия различными излучениями

· Технология конверсионного распыления [38]

В последнее время интенсивно развивается электровзрывная технология получения нанопорошков, базирующаяся на явлении электрического взрыва проводников. По своей природе электрический взрыв проводников как метод получения нанопорошков сочетает в себе признаки диспергационных методов (проводник разрушается под действием электрического тока) и методов испарения-конденсации – значительная часть материала проводника в процессе электровзрыва переходит в газообразное соятояние. Причем доля металла, перешедшего в пар, зависит от величины введенной в проводник энергии.

Под электрическим взрывом проводников понимается резкое изменение физического состояния металла в результате интенсивного выделения в нем энергии при пропускании импульсного тока большой плотности (j ≥ 10⁶А/см²), приводящее к нарушению металлической электропроводности и сопровождающееся разлетом продуктов диспергирования, генерацией ударных волн и электромагнитного излучения. В процессе электровзрыва материал проводника находится в экстремально неравновесных условиях, связанных с быстрым нагревом металла проводника и последующим быстрым охлаждением продуктов диспергирования, с воздействием электрического и магнитного полей, интенсивным тепло - и массопереносом, ионизацией, дифуззией, благодаря чему электровзрывные нанопорошки обладают ядом необычных свойств в сравнении с нанопорошками, полученными другими способами. Такие нанопорошки имеют:

· Сферическую форму частиц;

· Устойчивы к окислению и спеканию при комнатной температуре;

· Характеризуются высокой диффузионной активностью при нагревании; Особые теплофизические свойства;

· Необычный химизм процессов;

· Продукты диспергирования проводника вступают в химическое взаимодействие со средой на определенной стадии их разлета и охлаждения.

Электроврыз проводников как метод диспергирования металлов характеризуется следующими особенностями:

· Время взрыва составляет 10^-5 – 10^-8с;

· Величина развиваемой мощности превышает 10¹³ Вт/кг;

· Температура в момент взрыва может достигать значения 10⁴ К и выше, давление – 10⁹ Па;

· Частицы формируются как за счет конденсации паровой фазы, так и за счет диспергирования жидкого металла;

· Одной из важнейших характеристик электровзрыва проводника является введенная в проводник энергия;

Мощность определяется по формуле 1.1

N(t) = U(t)I(t). (1.1)

Достоинством электровзрывной технологии является ее универсальность – возможность получения нанопорошков металлов, сплавов, интерметаллидов и химических соединений с неметаллами на одном и том же оборудовании.

Принципиальная схема установки для производства нанопорошков методом электровзрыва проводников в газовых средах показана на рисунке 1.3.

Установка работает следующим образом. От высоковольтного источника питания (1) заряжается емкостной накопитель энергии (2). Механизм подачи проволоки (3) обеспечивает автоматическую подачу взрывного отрезка проволоки (4) в межэлектродный промежуток. При достижении проволокой высоковольтного электрода (5) срабатывает коммутатор (6), происходит разряд накопителя на этот отрезок проволоки – и он взрывается. Образовавшийся порошок собирается в накопителе (7). Очищенный от порошка газ с помощью вентилятора (8) подается обратно в камеру. Объем камеры (9) перед работой вакуумируется, а затем заполняется требуемой газовой атмосферой. Эти функции выполняет система газового снабжения (10).

 

Рисунок 1.3 – Принципиальная схема установки для производства нанопорошков методом электровзрыва проводников

Для получения порошков соединений металлов с неметаллами (оксидов, нитридов, карбидов и др.) взрывная камера заполняется химически активным газом. Выход химических соединений регулируется в широком диапазоне концентраций, что дает возможность получать композиционныенанопорошки со сложным составом отдельных частиц [39].

Так же наиболее перспективным направлением для получения нанопорошкаявляются вакуумные методы испарения и конденсации, которые имеют определенные преимущества по сравнению с наиболее распространенными газофазными и плазмохимическими способами синтеза нанопорошка. Это связано с тем, что:

· эти способы являются экологически вредными, так как обычно используемые прекурсоры являются вредными газами либо в результате технологического процесса образуются вредные выбросы;

· порошок, получаемый этими способами, характеризуется высоким содержанием примеси;

· для получения порошка нового вещества необходима разработка нового технологического процесса, в ряде случаев весьма трудоемкая и без гарантии успеха.

В вакуумных технологиях для испарения материала используются различные методы нагрева: лазерный, электронно-лучевой, резистивный и др. Хотя эти методы являются достаточно высокопроизводительными и экономичными, они оказываются в ряде случаев малоэффективными вследствие изотропного разлета паров и трудности управления основными параметрами потока испаренного вещества (в том числе химическим, фазовым и фракционным составом), а также являются технически сложными. Этих недостатков в значительной мере лишен выбранный нами метод вакуумного импульсно-дугового испарения, который характеризуется простотой конструкции и легкостью управления дуговыми источниками.

Для проведения исследований создана экспериментальная вакуумная установка РАЗРЯД (на базе установки ВУП-1), позволяющая получать нанопорошки металлов и их соединений импульсно-дуговым методом с использованием импульсно-дугового испарителя.

Установка РАЗРЯД состоит из вакуумного поста, содержащего вакуумную камеру, внутри которой расположены укрепленные на штативах импульсно-дугового испарителя и подложкодержатель, и системы электропитания импульсно-дугового испарителя. Вакуумная камера имеет объем около 14 л. Высоковакуумная откачка осуществляется диффузионным насосом Н-100/350 со скоростью откачки 260 л/с, предельное остаточное давление 6,5×10^-5 Па. Отметим, что при работе импульсно-дугового испарителя в качестве генератора порошка вакуум ухудшается до значений, характерных для форвакуума, что обусловлено наличием плазменно-паровой фазы, образующейся при импульсно-дуговом разряде, и остаточных газов, выделяющихся из материала катода.

На рисунке 1.4 схематически показана конструкция используемого в работе импульсно-дугового испарителя, состоящего из следующих основных деталей: цилиндрического катода из испаряемого материала (1), который припаивается к медной катодной ножке (2), осесимметричного с катодом трубчатого анода (6), который припаивается к керамическому изолятору (5), к другой части изолятора припаивается днище, на котором устанавливается катодная ножка (2). Узел поджига располагается в центральном отверстии катодной ножки и катода. Внутрь отверстия зажимается винтами керамическая трубка (3), в которой размещается стальной поджигающий электрод (4) с грибковой головкой.

 

Рисунок 1.4 – Импульсно-дуговой испаритель

При проведении работ в качестве испарителя выбирают торцевой холловский плазменный ускоритель с интегрально-холодным катодом, его вакуумная электрическая дуга представляет собой низковольтный разряд между холодным катодом и анодом, горящий в парах эродирующего катода с образованием катодных пятен. Катодное пятно характеризуется плотностью тока до 10^-8А/см², давлением до 20 ГПа и температурой до 15 000 К. В таких условиях все процессы, связанные с эрозией материала катода, носят взрывной характер. Продуктами взрыва являются плазменные потоки, содержащие электроны, ионы, нейтральные атомы и капельную фракцию, которая представляет собой заряженные и нейтральные частицы, состоящие из атомов материала катода и имеющие размер от 10 до 1500 нм.

Система электропитания, изображенная на рисунке 1.5, содержит следующие основные узлы и системы: конденсаторную батарею, зарядное устройство, систему поджига, задающий генератор ГИ-1.

 

Рисунок 1.5 – Электрическая схема электропитания импульсно-дугового испарителя

Среднюю потребляемую мощность источника питания разряда можно рассчитать по формуле 1.2.

. (1.2)

Система питания может обеспечить мощность до 5 кВт.

Предлагаемый метод имеет следующие преимущества (в том числе и перед другими вакуумными методами, например, испарение стационарной дугой или магнетронное распыление):

· в качестве испаряемого катода можно использовать любые проводящие вещества, в результате появляется возможность получения порошка из проводящих материалов практически любого состава. Учитывая, что катод имеет простую форму (шайба), его можно изготовить, например, методами порошковой металлургии из любых труднообрабатываемых материалов, включая карбиды, нитриды, бориды и др.;

· простая форма катода также обеспечивает его работу без разрушения, что особенно важно для хрупких металлокерамических материалов. Отметим, что катоды магнетронов и стационарных дуговых испарителей имеют большие габариты(при той же производительности), их изготовление оказывается дорогим, и в случае хрупких материалов они разрушаются во время работы;

· меньшие габариты импульсно-дугового испарителя (по сравнению со стационарными дуговыми испарителями и магнетронами) позволяют установить в вакуумной камере большее число таких испарителей и тем самым увеличить производительность установки;

· предлагаемый метод дает простую возможность получения смеси порошков за счет одновременной работы нескольких испарителей с катодами из различных материалов;

· смена вида (состава) порошка осуществляется заменой материала катода и ограничивается лишь возможностью изготовления такого катода [40].

Основой механосинтеза является механическая обработка твердых смесей, при которой происходит измельчение и пластическая деформация веществ. Механическое воздействие при измельчении материалов является импульсным, поэтому возникновение поля напряжений и его последующая релаксация происходит не в течение всего времени пребывания в реакторе, а только в момент соударения частиц. Механическое истирание является наиболее производительным способом получения больших количеств нанокристаллических порошков различных материалов: металлов, сплавов, интерметаллидов, которые затем используются для изготовления керамики и различных композитов.

 

Рисунок 1.6 – Схемы мельниц: а – барабанной, б – роликовой, в – кольцевой, г – бегуны, д – молотковой, е – пальцевой дезинтегратор, ж – вибрационной, з – струйной

Для размола и механохимического синтеза применяют планетарные, шаровые и вибрационные мельницы, изображенные на рисунке 1.6. При этом средний размер частиц получаемых порошков варьируется от 5 до 200 нм [41].

Новый метод получения наночастиц с помощью ультрафиолетовой фотодиссоциации газообразных прекурсоров в результате которой образуется пересыщенный пар атомов. Далее происходит гомогенная конденсация образовавшегося пересыщенного атомного пара информирование наночастиц в газовой фазе. Метод ультрафиолетового синтеза характеризуется низкими энергетическими затратами за счет селективного вклада энергии в разрушение отдельных связей молекул прекурсора, а также широким спектром и высокой контролируемостью параметров процесса. Управление процессом синтеза наночастиц производится при помощи изменения концентрации молекул прекурсора, давления газа-разбавителя, рода газа разбавителя, и энергии лазерного излучения. Возможность получения этим методом углеродных, металлических и металлоуглеродных наночастиц была впервые продемонстрирована в работе. В настоящее время данный способ синтеза наночастиц защищен Патентом РФ № 2305065.

Одним из современных методов диагностики наночастиц является метод лазерно-индуцированной инкандесценции, основанный на нагреве наночастиц коротким лазерным импульсом до температур 2000-4000 К при которых может быть зарегистрировано термическое излучение в видимом диапазоне спектра (инкандесценция). Время-разрешенный сигнал лазерно-индуцированной инкандесценции быстро растет во время действия лазерного импульса (10-20 нс), а затем спадает в течение нескольких сотен наносекунд вследствие охлаждения наночастиц при взаимодействии с окружающим газом. Время спада сигнала инкандесценции зависит от размера наночастиц. Достоинства метода лазерно-индуцированной инкандесценции заключаются в мгновенном получении информации (сотни наносекунд) о наночастицах в процессе их роста. Возможна диагностика очень малых наночастиц с размерами от 2-3 нм [42].

1.2.3 Основные методы исследования наноматериалов

Для исследования наноматериалов в принципе могут применяться практически те же методы, что и для исследования обычных кристаллических материалов. Однако у наноматериалов существует особая специфика, которая заключается в предъявлении повышенных требований к разрешающей способности методов, а именно возможность исследовать участки поверхности образцов с размерами менее 100-200 нм. Таким образом, можно выделить ряд методов структурного и химического анализа, применение которых позволяет учесть специфику наноматериалов. Ниже представлены основные из таких методов.

Просвечивающая электронная микроскопия

Просвечивающая электронная микроскопия дает возможность получить в одном эксперименте изображения с высоким разрешением и микродифракционные картины одного и того же участка образца. Современные просвечивающие электронные микроскопы обеспечивают разрешение до 0,1 нм и размер участка, с которого снимается микродифракционная картина - до 50 нм. В связи с этим стали иногда употреблять термин «просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения». По полученному изображению можно судить о строении материала, а по дифракционной картине – о типе кристаллической решетки.

Принципиальная схема просвечивающего электронного микроскопа показана на рисунке 1.7. Он состоит из электронной пушки и системы электромагнитных линз, заключенных в вертикально расположенную колонну, в которой поддерживается вакуум 10^–2-10^-3 Па. Осветительная система микроскопа включает электронную пушку и двухлинзовый конденсатор. Электронная пушка состоит из катода (нагретая нить из W или LaB₆), эмитирующего электроны, фокусирующих электродов (на них подается больший отрицательный потенциал) и анода в виде пластинки с отверстием. Между катодом и анодом создается мощное электрическое поле с ускоряющим напряжением (в современных микроскопах 500-3500кВ). С увеличением скорости происходит уменьшение длины волны и изменение массы электрона, расчеты можно произвести с помощью формул 1.3.

 (1.3)

С уменьшением длины волны возрастает разрешающая способность оптической системы просвечивающего электронного микроскопа. Рост ускоряющего напряжения также приводит к возрастанию проникающей способности электронов. На микроскопах с напряжением 1000 и более кВ возможно изучение образцов толщиной до 5-10 мкм. Проходя через отверстие анода пучок электронов, попадает в конденсоры и корректор юстировки, где происходит окончательное наведение электронного луча на изучаемый образец. После прохождения объекта электроны рассеиваются. Их фокусировка и получение первичного изображения на экране осуществляется с помощью системы линз (объективной, промежуточной и т.п.). Аппретурная диафрагма позволяет выбирать из всех электронов, прошедших через образец, либо только сильно рассеянные электроны, либо нерассеянные или слаборассеянные электроны.

 

1 - катод; 2 - фокусирующий электрод; 3 - анод; 4 - первый конденсор; 5 - диафрагма первого конденсора; 6 - второй конденсор; 7 - диафрагма второго конденсора; 8 - стигматор второго конденсора; 9 - корректор юстировки; 10 - объект исследования; 11 - столик для объектов; 12 - объективная линза; 13 - апертурная диафрагма; 14 - стигматор объективной линзы; 15 - секторная диафрагма; 16 - стигматор промежуточной линзы; 17 - промежуточная линза; 18 - диафрагма поля зрения; 19 - проекционная линза; 20 - экран для наблюдения

Рисунок 1.7 – Схема просвечивающего электронного микроскопа

Существует три разновидности метода просвечивающей электронной микроскопии: прямой, полупрямой и косвенный.

Прямой метод дает наиболее полную информацию о структуре объекта, которым служит тонкая металлическая пленка (фольга) прозрачная или полупрозрачная для электронов. При исследованиях по этому методу удается различать отдельные дислокации и их скопления так же можно проводить и микродифракционный анализ. В зависимости от состава материала в зоне изучения получают диаграммы в виде точек (монокристаллы, или поликристаллы с зерном больше зоны исследования), сплошные или состоящие из отдельных рефлексов (очень мелкие кристаллики в зернах или несколько малых зерен). С помощью микродифракционного анализа можно также определять ориентировки кристаллов и раз ориентировки зерен и субзерен.

Косвенный метод связан с исследованием не самого материала, а тонких реплик, получаемых с поверхности образца. В методическом плане он наиболее простой, так как изготовление фольг является сложным и достаточно длительным процессом. Изготовление реплик значительно проще. Его проводят либо путем напыления в вакууме на поверхность образца пленки углерода, кварца, титана или др. веществ, которую можно потом отделить от образца, либо используют легко отделяемые оксидные пленки (например, для меди), получаемые оксидированием поверхности. Для косвенного метода не требуется дорогостоящие высоковольтные микроскопы. Однако, косвенный метод значительно уступает в разрешении прямому. Разрешение лимитируется точностью самой реплики и достигает в лучшем случае (углеродные реплики) несколько нм. Кроме того возможно появление различных искажений и артефактов в процессе изготовления самой реплики. Поэтому этот метод применяется в настоящее время достаточно редко.

Полупрямой метод иногда применяют при исследовании гетерофазных сплавов. В этом случае основную фазу (матрицу) изучают с помощью реплик (косвенный метод), а частицы, извлеченные из матрицы в реплику, исследуют прямым методом, в т.ч. и с помощью микродифракции. При этом методе реплика перед отделением разрезается на мелкие квадратики, а затем образец протравливают по режиму, обеспечивающему растворение материала матрицы и сохранение частиц других фаз. Особенно удобен метод при изучении мелкодисперсных фаз в матрице при малой объемной их доле.

К спектральным методам обычно относят методы исследования поверхности твердых тел, основанные на анализе энергетических спектров отраженных излучений, возникающих при облучении изучаемого материала электронами, ионами и фотонами. Таких методов в настоящее время известно несколько десятков. Однако не все из этих методов имеют преимущественное или особенное применение в области исследования наноматериалов.

Электронная Оже-спектроскопия (AES)

Этот метод основан на энергетическом анализе вторичных Оже-электронов. Эффект Оже назван по имени французского физика, открывшего его в 1925 г. Падающий электрон выбивает электрон внутренней оболочки атома. В результате возбуждения атомов на поверхности образца наблюдается эмиссия вторичных электронов. Малая доля покидает образец в результате межарбитальных переходов без одновременного испускания фотонов (квантов рентгеновского излучения). Такие электроны называются Оже-электронами. Кинетическая энергия Оже-электрона определяется разницей энергий внутренней оболочки, с которой электрон был выбит, и энергией более высоколежащего энергетического уровня, откуда на образовавшуюся вакансию переходит электрон с выбросом Оже-электрона. По энергии Оже-электронов можно судить о свойствах атомов, которые их испустили. Таким образом, анализ энергетических спектров Оже-электронов позволяет судить о химическом составе поверхностного слоя исследуемого вещества, а в ряде случаев также дает сведения о химических связях атомов в нем. Разрешение по поверхности определяется диаметром первичного пучка электронов и составляет до 50 нм.

Сканирующая туннельная микроскопия (STM)

В этом методе в качестве зонда используется электропроводящее острие, что показано на рисунке 1.8. Между зондом и образцом создается электрическое напряжение порядка 0,1-10 В. В зазоре возникает туннельный ток величиной около 1-10 нÅ, который зависит от свойств и конфигурации атомов на исследуемой поверхности материала. Этот ток регистрируется приборами. Туннельным этот метод называется в связи с тем, что ток возникает вследствие туннельного эффекта, а именно квантового перехода электрона через область, запрещенную классической механикой. Этой областью и является зазор величиной 2-10 Å между кончиком иглы и ближайшей точкой поверхности исследуемого материала. Энергия туннелирующих электронов составляет порядка 1 эВ. В современных приборах реализуют режим, при котором величина туннельного тока поддерживается постоянной за счет приборной реализации обратной связи, меняющей величину зазора (перемещением зонда по оси Z). В наиболее благоприятных условиях метод сканирующей туннельной микроскопии обеспечивает разрешение по плоскости (координаты x и y) до 1 Å, а по высоте (координата z) – до 0,01 Å. Имеется много вариантов модернизации и дополнения этого метода. Так сканирующая туннельная спектроскопия основана на анализе вольтамперных характеристик в разных точках поверхности или получении изображений поверхности при разных напряжениях. В первом случае можно по величине второй производной туннельного тока определять тип атома, над которым остановилась игла, а во втором случае – определять параметры зонной структуры для полупроводников и сверхпроводников.

 

1 - зонд, 2 - исследуемый образец, I_t – туннельный ток в зазоре величиной d , E_F - уровень Ферми, U - напряжение, приложенное между зондом и образцом, W – энергия, e – заряд электрона, Z - ось координат по высоте

Рисунок 1.8 – Принципиальная схема действия сканирующего туннельного микроскопа

Ограничениями метода сканирующей туннельной микроскопии являются обязательность электропроводности материала исследуемого образца и необходимость высокого или сверхвысокого вакуума и низких температур до 50-100 К для получения высоких разрешений. В то же время для разрешения в диапазоне порядка 1 нм эти требования необязательны.

Атомно-силовая микроскопия (AFM)

В этом методе регистрируют изменение силы взаимодействия кончика зонда (иглы) с исследуемой поверхностью. Игла располагается на конце консольной балки с известной жесткостью, способной изгибаться под действием небольших сил, возникающих между поверхностью образца и вершиной острия, обратим на это внимание, просмотрев рисунок 1.9. Эти силы в ряде вариантов метода могут быть Ван-дер-Ваальсовскими (молекулярными), электростатическими или магнитными. Балка с иглой носит название кантилевера.

 

а – контактная мода, б – квазиконтактная мода: 1 - лазер, 2 - игла, 3 - система измерения прогиба или колебаний кантилевера, 4 - система регистрации усилий, действующих на иглу

Рисунок 1.9 – Схемы двух мод метода атомно-силовая микроскопии

Деформация кантилевера измеряется по отклонению лазерного луча, падающего на его тыльную поверхность, или с помощью пьезорезистивного эффекта, возникающего в материале кантилевера при изгибе.

Имеются две моды варианта метода атомно-силовая микроскопии. При контактной моде кончик иглы (алмазной, фулеритовой или кремниевой с упрочняющим покрытием) в рабочем режиме непрерывно находится в контакте с исследуемой поверхностью. При простоте реализации этой моды имеется и недостаток – возможность повреждения исследуемого материала или иглы. При «квазиконтактном» или «неконтактном» режиме проводится измерение параметров собственных колебаний кантилевера (резонансные частоты, затухания колебаний, сдвиг фаз между воздействующей силой и смещением). Игла кантилевера находится в этом случае на некотором расстоянии от поверхности образца 10-500 Å и взаимодействует с ней посредством относительно дальнодействующих сил Ван-дер-Ваальса.

В ряде современных приборов существует возможность измерения усилий трения иглы, снятие карт упругости изучаемых участков материала, электрического импеданса, проведения испытаний нанотвердости методом царапанья, а при использовании полупроводниковых алмазных игл – емкость поверхности образца, проводимость приповерхностного слоя, определение концентрации примесей по величине изменения емкости. Разрешение по плоскости (координаты x и y) составляет порядка 1 нм, а по высоте (координата z) – до 0,1 нм. Узким местом метода является стойкость материала иглы. Однако для большинства исследуемых материалов твердости алмазной илифуллеритовой иглы вполне хватает [32].

Существует много методов и материалов для исследования сложной структуры наноматериалов, которые с годами все более и более усовершенствуются.

1.2.4 Биологическая роль и влияние нанометаллов на живой организм

Благодаря своим свойствам наноматериалы находят широкое практическое применение. В машиностроении используются конструкционные, инструментальные и триботехнические наноматериалы. Некоторые виды наноматериалов показали высокую эффективность в ядерной и водородной энергетике. В химической промышленности находят применение нанокатализаторы, нанофильтры, газовые нанодатчики. В сельском хозяйстве получили распространение генное модифицирование растений, животных, продуктов питания, наносредства обработки почвы. В охране окружающей среды применяются наноанализаторы газов и жидкостей, наноочистители воздуха и воды, наносредства переработки отходов. Наноматериалы и наносистемы находят широкое использование в аэрокосмической промышленности, где требования к миниатюризации аппаратуры являются особенно жесткими.

Значительные перспективы применения наноматериалов связаны с развитием наноэлектроники. Электронные наносистемы выполняют, как правило, информационно-управляющие функции, т.е. осуществляют обработку, хранение и передачу информации в виде электрических сигналов, а также оказывают управляющие воздействия на управляемые процессы. В основе действия устройств наноэлектроники лежат квантовые эффекты, определяющие поведение подвижных носителей заряда (как электронов, так и дырок) в наноструктурах.

В медицину нанотехнологии приносят огромный вклад, материалы с наноструктурированной поверхностью могут использоваться для замены тех или иных тканей. Клетки организма опознают такие материалы как «свои» и прикрепляются к их поверхности. В настоящее время достигнуты успехи в изготовлении наноматериала, имитирующего естественную костную ткань. Так, ученые из Северо-западного университета (США) Jeffrey D. Hartgerink, Samuel I. Stupp и другие использовали трехмернуюсамосборку волокон около 8 нм диаметром, имитирующих естественные волокна коллагена, с последующей минерализацией и образованием нанокристаллов гидроксиапатита, ориентированных вдоль волокон [43]. К полученному материалу хорошо прикреплялись собственные костные клетки, что позволяет использовать его как «клей» или «шпатлевку» для костной ткани.

Важной областью применения чистых наноструктурных материалов, в частности Ti, является использование их в медицинских целях – как имплантантов, протезов и в травматологических аппаратах. Причиной является сочетание высоких механических свойств (на уровне сложнолегированных сплавов) с высокой биологической совместимостью чистого металла. Наноструктурные пленки углерода и композиционные нанопленки на основе углерода и Si, SiO_x, SiN_x обладают хорошей биосовместимостью, химической, термической и механической стойкостью и поэтому их перспективно использовать для узлов биосенсоров, протезов и имплантантов. Нанопорошки лекарственных препаратов используются в медикаментах быстрого усвоения и действия для экстремальных условий (ранения при катастрофах и боевых действиях) [32].

Представляет интерес и разработка материалов, которые, наоборот, не позволяют клеткам прикрепляться к поверхности. Одним из возможных применений таких материалов могло бы стать изготовление биореакторов для выращивания стволовых клеток. Дело в том, что, прикрепившись к поверхности, стволовая клетка стремится дифференцироваться, образуя те или иные специализированные клетки. Использование материалов с наноразмерной структурой поверхности для управления процессами пролиферации и дифференциации стволовых клеток представляет собой огромное поле для исследований.

Мембраны с нанопорами могут быть использованы в микрокапсулах для доставки лекарственных средств и для других целей. Так, они могут применяться для фильтрации жидкостей организма от вредных веществ и вирусов. Мембраны могут защищать нанодатчики и другие вживляемые устройства от альбумина и подобных обволакивающих веществ.

Большие надежды в применении нанотехнологий обнаруживаются и в агропромышленном комплексе. Увеличение производства и качества переработки сельскохозяйственного сырья, увеличение ресурса работы спецтехники, повышения сроков хранения, получение высококачественной пищевой продукции и кормов – все эти задачи агробизнеса могут решить нанотехнологии [44].

1.2.5 Ультрадисперсные порошки как альтернативные источники микроэлементов

Современный этап развития сельскохозяйственного производства характеризуется прогрессирующими технологиями возделывания сельскохозяйственных культур, причем ведущее место отводится освоению и рациональному использованию экологически безопасных и экономически рентабельных материальных и энергетических ресурсов, активно воздействующих на рост и развитие растений.

Особое место при определении качества лекарственных и кормовых культур отводится содержанию биологически активных соединений (БАС). Увеличение содержания БАС в растениях можно добиться различными способами, одним из которых является применение удобрений или обработка растений растворами микроэлементов. Существенным в механизмах действия всех микроэлементов является их способность давать комплексные соединения с различными органическими веществами, в том числе с белками и в подавляющем большинстве активизировать определенные ферментативные системы. Это осуществляется различными путями - непосредственным участием в составе молекул ферментов или их активацией. Но использование солей металлов и их хелатных (внутрикомплексных) соединений ограничено, с одной стороны, существованием предельно-допустимой дозы для растений, а с другой - опасностью загрязнения окружающей среды ионами металлов. В связи с этим возникает необходимость не только замены солей металлов (удобрений) такой формой состояния, которая будет оказывать меньшее загрязняющее влияние на окружающую среду и обеспечит минимальные требования к концентрации, используемой для обработки растений и семян, но и даст программирование динамики развития биомассы растения. К таким формам относятся продукты, нанотехнологий - ультрадисперсные порошки металлов (УДПМ).

К ультрадисперсным порошкам относят металлы в электронейтральной форме, которые получают методом вакуумной конденсации из металлов. Профессор Е.В. Бурлакова сообщила, что при введении высокодисперсных порошков в организм животных, они могут выполнять роль депо, из которого, в течение длительного времени, элемент поступает в организм [45].

Нанокристаллические металлы, обладая уникальными свойствами, могут использоваться как биопрепараты нового поколения, к тому же они экономически выгодны и влияют на повышение продуктивности сельскохозяйственных растений и животных. Отличительной особенностью УДПМ является их малая токсичность по сравнению с солями металлов и способность при очень малых дозах активизировать физиологические и биохимические процессы. Частицы металла (УДП) обладают пролонгированным действием, что выражается в продолжительном их влиянии на регуляцию минерального питания, углеводного обмена, синтез аминокислот, реакции фотосинтеза и дыхание клеток.

Высокая эффективность УДПМ в качестве стимуляторов роста показана на развитии сельскохозяйственных растений. Одной из интереснейших областей применения УДП железа является использование их в виде ультрадисперсных микроэлементов, обладающих свойствами стимулятора роста растений [46]. Изучая стимулирующий эффект УДП железа, установили, что предпосевная обработка семян огурцов водной суспензией железа в дозе 2-10ˉ⁴ г обеспечила усиление начальных ростовых процессов, что выражалось в увеличении длины ростка. В тех же исследованиях на семенах зерновых культур отмечалось увеличение всхожести до 7,5% [47]. В опытах В.Н. Селиванова, С.Д. Полищук (2001,2000) предпосевная обработка клубней картофеля и лука УДП железа и меди в различных дозах способствовала ускорению прорастания на трое суток клубней картофеля и луковиц. Предпосевная обработка семян кукурузы водной суспензией УДП железа оказывает значимое влияние на урожайность зеленой массы и сбор сухого вещества. Урожайность зеленой массы кукурузы превышает контроль на 142,3 ц/га или на 27,3%, а сбор сухого вещества – на 30 ц/га или на 28,3%. Однако исследования А. Н. Сармосовой показали, что при обработки семян капусты водными суспензиями железа и меди в дозах 5 и 75 мг/кг замедляет прорастание семян, причем четкой зависимости от нормы расхода не прослеживается. В то же время УДП – меди стимулировали всхожесть, а при использовании УДП железа более низкая концентрация давала более высокие показатели - 55,3%.

Позже было установлено, что действие УДПМ на семена при предпосевной обработке, начинается с процесса дыхания и прорастания, при котором на первый план выступает водород и молекулярный кислород, а у УДПМ являются дополнительными источниками свободных активных электронов, активизируя этим самым все обменные процессы.

Таким образом, отличительной особенностью УДПМ является их малая токсичность по сравнению с солями металлов и способность активизировать физиологический и биохимический процессы. Кроме этого, за счет высокой диффузной подвижности частиц, ненасыщенных валентностей металла и образования большого набора хелатных соединений применение УДПМ обеспечивает в растениеводстве, животноводстве, птицеводстве, рыбоводстве и кормопроизводстве высокую биологическую и хозяйственную эффективность [48].

Результаты всех приведенных исследований свидетельствуют о том, что применение ультрадисперсных препаратов нового поколения позволяет, не только более полно использовать биологически потенциал, заложенный в семенах и клубнях сельскохозяйственных культур, но и повысить качество сырья, а так же решить проблему дефицита удобрений [49]. Следовательно, использование УДПМ может рассматриваться как альтернатива дорогостоящим солям микроэлементов. Кроме того, в отличие от солей микроэлементов, УДПМ характеризуются высокой экологической чистотой и экономической эффективностью.

По мнению учёных, применение нанотехнологий в сельском хозяйстве (при выращивании зерна, овощей, растений и животных) и на пищевых производствах (при переработке и упаковке) приведёт к рождению совершенно нового класса пищевых продуктов – «нанопродуктов», которые со временем вытеснят с рынка генномодифицированные продукты. К примеру, такое мнение высказывается экспертами международной исследовательской организации ЕТС Group [50].

2 Материалы и методы исследования
2.1 Объект исследования

В качестве объекта исследований взяты семена засухоустойчивой твердой пшеницы Triticum Аestivum.

Пшеница – род одно- и двулетних трав семейства злаков, одна из важнейших зерновых культур. Получаемая из зерен мука идет на выпечку белого хлеба и производство других пищевых продуктов; отходы мукомольного производства служат кормом скоту и домашней птице, а в последнее время все шире используются и как сырье для промышленности. Пшеница твердая - яровая, от летней и карликовой она отличается острыми гребнями по всей длине колосковых чешуй и обычно остистыми нижними цветковыми чешуями с остью длиной 10–20 см. Соломина неполая. Пшеница твердая выделяется своим внешним видом. Ее колос крупный – длиной 15–18 см и шириной 2 см и более. Колосковые чешуи длинные, тонкие, бумажистые, а зерна часто достигают в длину 13 мм и очень твердые.

2.2 Подготовка к исследованиям и измерение

Семена проращивали при температуре 18–20ºC; через четверо суток с момента постановки эксперимента подсчитывали число проросших семян и измеряли длину корня проростка.

Суспензию нанопорошков получали методом диспергирования навески порошка 20мг в воде 10мл в ультразвуковой ванне модели ПСБ – Галс ТЧ-02 в течение 35 мин с частотой колебаний 35кГц.

Перед посевом семена дезинфицировали слаборозовым раствором перманганата калия в течение 30 минут и после промывки кипяченной дистиллированной водой помещали на фильтровальную бумагу в стерильные чашки Петри, содержавшие в контроле дистиллированную воду, в опытных вариантах – суспензию коллоидных частиц железа, меди и оксида железа в концентрациях 2г/л.

В течение вегетационного периода растения ежедневно опрыскивали дистиллированной водой. В четвертый, седьмой и четырнадцатый день прорастания замеряли длину побегов с помощью линейки и сравнивали ее с контрольным измерением. Также определялась масса побега и масса корневой системы.

 

Рисунок 2.1 – Посаженные образцы пшеницы в первый день экспериментального исследования

 

Рисунок 2.2 – Проросшие образцы пшеницы на четырнадцатый день с начала вегетативного роста

Статистическая обработка данных проведена с помощью пакета прикладных программ Microlocal OriginPro 7.5.

2.3 Измерения на атомно-силовом микроскопе

Микроскопическое исследование препаратов проводилось на атомно-силовом микроскопе ССМ–2000 (производитель OAO ПРОТОН – МИЭТ, Россия) в контактном режиме в воздушной среде.

Микроскопы сканирующие зондовые ССМ-2000 предназначены для измерений геометрических и физических параметров топографии поверхности образцов с нанометровым пространственным разрешением без их вакуумирования.

Действие микроскопов сканирующих зондовых СММ-2000 основано на подводе к исследуемой поверхности зонда с иглой до регистрации определенного уровня сигналов взаимодействия зонда с поверхностью и далее сканировании поверхности с регистрацией и поддержанием сигналов взаимодействия зонда с поверхностью на заданном оператором уровне за счет подвода или отвода зонда от поверхности с компьютерной записью и дальнейшей визуализацией положений зонда и уровней сигналов взаимодействия зонда с поверхностью при сканировании, отражающих геометрические и физические параметры топографии поверхности образцов с нанометровым пространственным разрешением. Фото микроскопа представлено на рисунке 2.3.

 

Рисунок 2.3 – Фотография микроскопа сканирующего зондового MSCT-AUNM

При микроскопии использовались зонды для контактной атомно-силовой микроскопии MSCT-AUNM (Veeco, США), с жесткостью балки 0,33 Н/м и радиусом кривизны зонда 10 нм. Количественный морфометрический анализ проводился с использованием штатного программного обеспечения микроскопа.

Для приготовления образцов сухая масса исходного вещества в количестве 1,5 г помещалась в стеклянные флаконы, куда так же вносили по 10 мл дистиллированной воды. После чего в течение 30 минут производилась обработка образцов ультразвуком частотой 35 кГц в источнике ванного типа (ЗАОПКФ «Сапфир», Россия). После ультразвуковой обработки, полученная суспензия помещалась в центрифугу (ListonC2204 Classic), где при 4000 оборотах в течение 75 секунд. Крупнодисперсная фракция осаждалась, а полученный супернатант в объеме 15 мкл наносился на поверхность свежесколотой слюды.

Микроскопы сканирующие зондовые СММ-2000 работают в режиме атомно-силового микроскопа, если регистрируемым и поддерживаемым на заданном уровне сигналом является сигнал отгиба или амплитуды колебаний зонда-кантилевера, выполненного в виде упругой балки с иглой.

2.4 Спектрофлуориметрическое исследование

Спектрофлуориметр – прибор для измерения спектров люминесценции. Обычно содержит два независимо работающих монохроматора. Первый из них выделяет из сплошного спектра излучения источника спектральные интервалы, обеспечивающие возбуждение фотолюминесценции исследуемого образца. Люминесценция наблюдается в направлении, перпендикулярному освещению, и её спектр измеряется с помощью второго монохроматора и соответствующего приёмника («измерительный» канал). Часть выделенного первым монохроматором возбуждающего излучения направляется светоделителем в «опорный» канал со своим приёмником. В блоке регистрации осуществляется фотометрирование– измеряется отношение сигналов в измерительном и опорном каналах.

В работе была использована установка для измерения флуоресценции на базе ЦЛИБФ, изображенная на рисунке 2.4.

 

Рисунок 2.4 – Спектрофлуориметр на базе монохроматора МДР – 206

Источником зондирующего излучения служил твердотельный импульсный лазер на YAG :Nd³⁺LQ-529B. Энергия возбуждающего импульса 10 мДж, длительность импульса 12нс. Мы использовали излучение длиной волны 355 нм (УФ). Сигнал из образцов регистрировался посредством ФЭУ–86 через монохроматор МДР-206. Обработка данных осуществлялась с помощью персонального компьютера в программе «Monochromator».

Перед началом эксперимента побеги растений разрезали на фрагменты весом по 2,5 мг и помещали их в вегетационные сосуды объемом 10мл, содержащие этанол в объеме 5мл. После чего в течение 30 минут производилась обработка образцов ультразвуком частотой 35 кГц в источнике ванного типа (ЗАОПКФ «Сапфир», Россия). После ультразвуковой обработки полученная суспензия помещалась в центрифугу (Liston C2204 Classic), где выдерживалась при 2000 оборотах в течение 90 секунд. Крупнодисперсная фракция осаждалась, а полученный супернатант помещали в кварцевую кювету; затем производилось измерение спектров испускания.

2.5 Спектрофотометрическое исследование

Спектрофотометром называют прибор, который служит для исследования излучений электромагнитных волн от различных источников, анализируя при этом длины волн таких излучений, взаимодействующих с какими-либо предметами. Спектрофотометр определяет спектральные параметры источников излучений, что позволяет его применять в фотометрических анализах.

Принцип действия этого прибора основан на сравнении потока излучений, попадающих на какой-либо предмет, с отражаемым от этого предмета потоком излучений. Также излучения могут поглощаться, либо рассеиваться, что тоже учитывается при проведении исследований. Результаты измерений, которые проводят спектрофотометры, будут зависеть от свойств поверхности предмета, его формы, а также от длин волн потока излучения. Кроме этого, при различных условиях, в которых проводятся исследования, их результаты также будут отличаться. Поэтому во время обследования нужно учитывать направление освещения на предмет, его поляризацию и температуру окружающей среды.

Таким образом, спектрофотометр применяется при необходимости измерения концентрации какого-либо раствора, его оптической плотности, а также позволяет проводить кинетические измерения. При этом современные спектрофотометры обладают возможностью выводить результаты исследований в форме отчета на свой дисплей или монитор ПК.

В работе была использована установка для измерения спектров поглощения на базе ЦЛИБФ, изображенная на рисунке 2.5. экспериментальные образцы готовили аналогичным образом, как описывалось выше.

 

Рисунок 2.5 – Спектрофотометр Т70

	Fe	Fe3O4	Cu	Вода
Концентрация поливочного раствора, г/л	2	2	2
Масса побега, мг	0,0137±0,0024	0,0048±0,0007	0,0262±0,0017	0,0311±0,0041
Длина побега, см	4,67±1,05	7,22±0,57	2,86±0,14	3,88±0,27
Масса корневой системы, мг	0,0073±0,0012	0,0047±0,0008	0,0119±0,0017	0,0112±0,0041

	Fe	Fe3O4	Cu	Вода
Концентрация поливочного раствора, г/л	2	2	2
Масса побега, мг	0,0613±0,0061	0,0586±0,0034	0,0375±0,0061	0,0316±0,0017
Длина побега, см	12,52±1,28	8,15±0,55	6,22±0,94	5,71±1,02
Масса корневой системы, мг	0,0281±0,0047	0,0326±0,0028	0,0178±0,0037	0,0157±0,0023

	Fe	Fe3O4	Cu	Вода
Концентрация поливочного раствора, г/л	2	2	2
Масса побега, мг	0,0608±0,0095	0,0541±0,0134	0,0213±0,0033	0,0509±0,0030
Длина побега, см	17,89±2,94	11,35±1,02	9,61±1,32	10,29±0,77
Масса корневой системы, мг	0,0171±0,0025	0,0163±0,0008	0,063±0,0009	0,0160±0,0016