Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В РАСТЕНИЯХ

Изобретение относится к области экологии, в частности, к оценке территории, загрязненной тяжелыми металлами (ТМ) и может найти применение при мониторинге окружающей среды

Известен способ, при котором определяют ТМ по растениям-индикаторам полыни (Artemisiaaustriaca), произрастающей на загрязненной территории (патент №2257597, опубликован 27.07.2005 г).

Однако в известном способе содержание ТМ определяют атомно-абсорбционным спектрофотометром, что повышает затраты на различные химические реактивы и реализацию технического решения.

Известен также способ, где определяют содержание ТМ путем анализа экстракта хлорофилла из высушенных растений в аликвоте фотометрически в пучке света с длиной волны 600 нм и при определении аномалии полей ТМ в почве и растении определяют наличие зон различной степени деградации участков окружающей среды с последующим построением карт экологического состояния окружающей среды исследуемой территории (патент №2264636, опубликован 20.11.2005 г, Бюл. №32, МПК: G01V 9/00).

Известное техническое решение достаточно сложное, поскольку предусматривает проведение кислотной вытяжки, подготовки проб для определения хлорофилла, его экстракция этанолом и обработка образцов в пучке света, определение оптической плотности, по которой определяют содержание хлорофилла.

Наиболее близким техническим решением является способ определения концентрации ионов свинца в монокристаллических ферритах-гранатах, в которых используют метод мессбауэровскую спектроскопию (патент №2206143, опубликован 10.06.2003 г, Бюл. №16, МПК: H01L 21/66).

Недостаток способа-прототипа заключается в том, что в результате известного технического решения определяется только один элемент - свинец в монокристаллических ферритах-гранатах, что недостаточно для полной характеристики состояния окружающей среды и выявления растений-индикаторов.

Технический результат - выявление растений-индикаторов для оценки состояния окружающей среды, упрощения способа и снижение затрат.

Техническое решение заявленного объекта заключается в том, что для анализа подвергаются растения загрязненной территории в воздушно сухом состоянии и каждое растение наносится слоем 10-15 мкм на атомно-гладкую поверхность кристалла меди, нагреваются при температуре 120°С в течение 5 мин для полного удаления влаги, затем помещается в вакуумную камеру с давлением остаточных газов на уровне 10^-8-10^-9 мбар, с последующим наведением на объект исследований электронного луча диаметром 2-3 мм с энергией 3 кэВ и по образовавшейся эмиссии Оже-электронов, регистрируемым спектрометром, определяют количество и качество химического элемента.

Способ осуществляется следующим образом:

Медь является хорошим электрическим проводником и при толщине слоя образца растения на ее поверхности (10-15 мкм) облучающие образец электроны, проходят через слой растения и попадают на медь, тем самым замыкая электрическую цепь спектрометра. Медь имеет кристаллографическую ориентацию 111. Это соответствует наиболее плотной атомной упаковке, что существенно для достижения большей адгезии и равномерности наносимого слоя образца растения, а также удобно для проведения Оже-измерений. Обоснование выбранных параметров толщины слоя растений на поверхности медной пластины объясняется тем, что при меньшей толщине, в силу особенностей электронной Оже-спектроскопии (ЭОС), снижается чувствительность к регистрации разных химических элементов. При большей толщине слоя будет происходить электрическая зарядка образца, поскольку растение (в данном случае высушенное) является не достаточно хорошим проводником электрического тока. А поскольку в методе электронной спектроскопии образец облучается электронным лучом, на плохо проводящей поверхности скапливается электрический заряд неконтролируемой величины, что существенно снижает достоверность измерений. Эти параметры являются оптимальными и определены экспериментальным путем. Сам метод Оже-спектроскопии основан на эффекте Оже, открытым в 1925 г. французским ученым Пьером Оже и назван в его честь.

Растения, обладающие биоиндикационными свойствами (в данном случае бобовые травы и масличные культуры) на исследуемом участке, отбирают для анализа, высушивают до влажности 20-22%.

Образец растения объемом 1 см помещают в муфельную печь при температуре 120°С, выдерживают в течение 5 минут. После охлаждения до 25°С образец с помощью очищенной фарфоровой палочки помещают на поверхность кристалла меди (111) в виде слоя толщиной 5 мкм. Подготовленный образец помещают в предварительную камеру электронного Оже-спектрометра и после ее откачивания до давления остаточных газов на уровне 10-6 мбар через шлюз перемещают в измерительную часть спектрометра с давлением остаточных газов на уровне 10^-8-10^-9 мбар. С помощью перемещающего штока образец перемещают на держатель, после чего устанавливают в фокус электронного спектрометра. При воздействии первичным электронным лучом с энергией 3 кэВ и силой тока 0,1 мкА, происходит возбуждение Оже-электронов и регистрация Оже-спектров соответствующих элементам: Cd, Fe, Pb, Hg, Cu, Ni, Zn, Co в концентрациях от 1 до 10 мг/кг. Количество килоэлектроновольта в дозе 3 объясняется тем, что в системе СИ энергия привычно измеряется в Джоулях или калориях. Но для величин на уровне атомов или молекул один Джоуль - это огромная величина в объеме миллиардов электроновольт. Поэтому энергия в данном варианте предлагается измерять в килоэлектроновольтах.

ПРИМЕР. Образец растений объемом 5 см помещали в муфельную печь, нагревали до температуры 120°С, выдерживали при этой температуре в течение 5 мин, после чего нагрев отключается. После охлаждения образца до 25°С, он с помощью очищенной в ультразвуковой ванне фарфоровой палочки наносится на поверхность кристалла Си (111) в виде слоя толщиной 5 мкм. Подготовленный таким образом образец помещали в предварительную камеру электронного Оже-спектрометра и после ее откачивания до давления остаточных газов на уровне 10^-6 мбар через шлюз перемещали в измерительную часть спектрометра с давлением остаточных газов на уровне 10^-8-10^-9 мбар. С помощью перемещающего штока образец помещали на держатель, после чего происходит его установка в фокус электронного спектрометра. Путем воздействия на образец первичным электронным лучом с энергией 3 кэВ и силой тока 0,1 мкА, происходит возбуждение Оже-электронов и регистрация Оже-спектров в интервале энергий 25-2000 эВ, что позволяет определить наличие всех элементов с порядковыми номерами от 3 атомных единиц массы (литий) до 94 атомных единиц массы (плутоний) в концентрациях от 1 до 10 мг/кг. Способ позволяет зарегистрировать наличие всех элементов от лития до плутония в одном измерении с точностью, по содержанию в пределах 0,01-0,02%. Способ не требует наличия реперных образцов или образцов сравнения по каждому химическому элементу. Поскольку измерение проводится в сверхвысоком вакууме, внешние факторы неконтролируемого воздействия окружающей среды на результат измерения сведены к минимуму. Результаты опыта сведены в таблицу.

Из приведенных в таблице данных следует, что бобовые травы (виды клевера) и масличные культуры (гвизоция и рыжик озимый) имеют превышение допустимых концентраций по никелю и меди. Растения масличных культур больше сорбируют свинец и кадмий и, следовательно, могут служить растениями-индикаторами при оценке загрязненной территории. Предлагаемый способ позволяет надежно провести мониторинг исследуемой территории по загрязнению тяжелыми металлами. По видам растений можно определить их сорбционную способность и выявить биоиндикаторы, накапливающие тяжелые металлы выше допустимых пределов.