CC BY
1
СПЕКТРОМЕТРИЯ ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННОЙ ПЛАЗМЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАНОЧАСТИЦ SE НА ОБЪЕКТАХ РАСТИТЕЛЬНОГО
ПРОИСХОЖДЕНИЯ
П.А. Сдвиженский, канд. техн. наук, науч. сотр.
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (Россия, г. Москва)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-9-5-46-50
Аннотация. Селен является важным микроэлементом, играя важную роль в физиологических и метаболических процессах живых организмов и растений. В последние годы увеличивается количество исследований, посвященных использованию селеновых наноча-стиц в сельском хозяйстве и пищевой промышленности для управления уровнем селена в виде удобрений и улучшения биологических свойств растений. Однако токсичность селена может приводить к нежелательным последствиям вследствие выбора неправильной дозировки, поэтому важно иметь техники, позволяющие количественно оценивать содержание этого элемента в объектах растительного происхождения. В данной работе продемонстрирована возможность применения метода спектрометрии лазерно-индуцированной плазмы (СЛИП) для количественного определения наночастиц селена в растениях.
Ключевые слова: наночастицы селена, спектроскопия лазерно-индуцированной плазмы, спектральный анализ.
Селен (Se) является важным микроэлементом для различных организмов, включая млекопитающих, бактерий и растений. Данный химический элемент играет важную роль в многочисленных физиологических и метаболических процессах у млекопитающих [1]. Исторически он считался токсичным элементом, вызывающим различные заболевания и недуги [2]. Однако, в недавних исследованиях были продемонстрированы положительные аспекты селена, особенно как компонента селенопроте-инов [3]. Селен играет важную роль в поддержании здоровья людей и животных. Однако, разница между дефицитом селена, его оптимальным потреблением и токсичностью очень мала. Организму человека требуется 0,060-0,070 мг селена в день, но дозировка более 1,2 мг уже является токсичной и приводит к селенозу [4]. Уровень селена в организме зависит от его концентрации и биодоступности в почве, так как человек получает этот микроэлемент с пищей, в том числе и растительной. Селен присутствует в окружающей среде как в неорганических, так и в органических соединениях [5]. Однако, при введении в качестве удобрений, неорганические соеди-
нения селена вымываются дождями в нижние бесплодные горизонты почвы, а органические соединения селена разлагаются [6]. Высокие содержания неорганического селена в почве приводят к токсичности для растений, но малые концентрации могут оказывать положительное влияние, вызывая биостимуляцию роста, модуляцию стресса и антиоксидантное действие [7].
В последние годы появляется больше исследований, в которых авторы рассматривают перспективы использования селеновых наночастиц в сельском хозяйстве и пищевой промышленности. Так, применение наночастиц позволяет управлять уровнем селена. Таким образом можно минимизировать негативные эффекты, токсичность, и в то же время увеличить биологические свойства растений [5].
Поскольку существует тонкая грань между необходимыми и токсичными уровнями селена для организма, важным этапом является контроль содержания селена в растениях. Так как наночастицы селена могут проникать и накапливаться в отдельных частях растения, то интересным является возможность применения метода
химического элементного анализа, позволяющего проводить локальные измерения с целью идентификации участков с увеличенным содержанием селена в растениях.
Метод спектрометрии лазерно-индуцированной плазмы (СЛИП) представляет собой разновидность атомно-эмиссионного анализа [8]. В основе метода - формирование плазмы под воздействием мощного импульсного лазерного излучения на поверхности объекта. В лазерной плазме происходит атомизация материала образца, и по спектру свечения можно провести анализ химического состава мишени. Возможность фокусирования лазерного пучка для создания плазмы в определенном месте на поверхности образца позволяет реализовать локальный анализ и картирование распределения элементного состава образца [9]. В этой работе оценивается возможность применения метода спектрометрии лазерно-индуцированной
плазмы для количественного определения наночастиц селена в растениях.
Экспериментальная часть
Для оценки потенциала применения метода СЛИП для количественного определения содержания селеновых наночастиц в органическом материале была разработана и собрана экспериментальная установка. Основой данной установки являлся твердотельный Nd:YAG лазер (НПО «Полюс», модель ЛТИ-408, 1064 нм). Лазерный импульс направляли на образец с помощью зеркала и линзы с фокусным расстоянием 110 мм. Излучение, образовавшейся лазерной плазмы, собирали с помощью кварцевой линзы и направляли на входную щель спектрометра Shamrock 303i (Andor), оснащенного ПЗС камерой с усилителем яркости (Andor iStar). Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Экспериментальная установка, реализующая метод спектрометрии лазерно-индуцированной плазмы, для определения селена на органических образцах
Для исследования перспективы использования метода СЛИП для количественного определения селена на органическом объекте получили водный раствор наноча-стиц Se. Наночастицы были получены при лазерной абляции мишени Se c последующей лазерной фрагментации для уменьшения размера частиц в объеме воды [10]. Содержание наночастиц было оценено, как 104 частиц на мл.
Результаты и обсуждение Для количественного определения селена на органическом образце необходимо было выбрать спектральный диапазон, в котором бы присутствовали спектральные
линии селена. Чтобы идентифицировать спектральные линии селена произвели концентрирование наночастиц Se на стеклянной подложке. Для этого полученный раствор наночастиц Se осаждали по 50 мкл в одно и то же место на стеклянной подложке. После каждой капли высушивали подложку на воздухе и повторяли процедуру для получения области с высоким содержанием наночастиц Se. После этого произвели локальный лазерный пробоот-бор в данной области и зарегистрировали спектр лазерной плазмы. Был выбран спектральный диапазон от 199 до 209 нм, в котором присутствуют спектральные ли-
нии селена. Данный участок спектра с идентифицированными линиями селена представлен на рисунке 2а. Аналогичную процедуру с концентрированием наноча-стиц селена произвели для образца органического происхождения. Для этого на лист кукурузы (лат. Zea mays) нанесли три капли раствора наночастиц Se. После этого зарегистрировали спектр лазерной плазмы области листа с наночастицами Se и обла-
сти без наночастиц. Сравнение спектров представлено на рисунке 2б. Для оценки возможностей метода СЛИП для определения селена на органической матрице была выбрана линия Бе I 203.98. В качестве аналитического сигнала для оценки возможностей количественного определения селена приняли интеграл вышеупомянутой спектральной линии.
Рис. 2. а) Спектр лазерной плазмы концентрированного раствора наночастиц селена на стеклянной подложке; б) сравнение спектров лазерной плазмы области листа без наноча-
стиц и области с наночастицами селена
Для оценки возможностей количественного определения наночастиц Бе на образцах растительного происхождения была построена градуировочная зависимость. Для этого на различные участки листа кукурузы нанесли разное количество капель по 50 мкл раствора наночастиц Бе. Таким образом получили зоны с различным коли-
чеством осажденных наночастиц от 104 до 105 ед./мл. Полученные области проанализировали методом СЛИП и получили зависимость аналитического сигнала (интеграл спектральной линии Бе I 203.98) от содержания наночастиц в зонах с осадком от капель раствора. Полученная зависимость представлена на рисунке 3.
Рис. 3. Градуировочная зависимость наночастиц селена на поверхности листа кукурузы
Заключение токсичным для растений и организмов. За
Продемонстрирована возможность ме- счет возможности метода СЛИП проведе-тода СЛИП для количественного опреде- ния локального анализа, перспективным ления содержания наночастиц селена на направлением является исследование рас-образце кукурузного листа. Метод может пределения наночастиц селена в отдель-быть применен для контроля содержания ных частях растений. селена, которое может быть опасным и
Библиографический список
1. Rayman M.P. Selenium intake, status, and health: a complex relationship // Hormones. -2020. - Vol. 19, № 1. - P. 9-14.
2. Bodnar M., Konieczka P., Namiesnik J. The Properties, Functions, and Use of Selenium Compounds in Living Organisms // J. Environ. Sci. Health Part C. Taylor & Francis. - 2012. -Vol. 30, № 3. - P. 225-252.
3. Bisht N., Phalswal P., K. Khanna P. Selenium nanoparticles: a review on synthesis and biomedical applications // Mater. Adv. Royal Society of Chemistry. - 2022. - Vol. 3, № 3. -P. 1415-1431.
4. Kipp A.P. et al. Revised reference values for selenium intake // J. Trace Elem. Med. Biol. -2015. - Vol. 32. - P. 195-199.
5. Garza-García J.J.O. et al. The Role of Selenium Nanoparticles in Agriculture and Food Technology // Biol. Trace Elem. Res. - 2022. - Vol. 200, № 5. - P. 2528-2548.
6. Gudkov S.V. et al. Production and Use of Selenium Nanoparticles as Fertilizers // ACS Omega. American Chemical Society. - 2020. - Vol. 5, № 28. - P. 17767-17774.
7. Ikram M. et al. Biomedical Potential of Plant-Based Selenium Nanoparticles: A Comprehensive Review on Therapeutic and Mechanistic Aspects // Int. J. Nanomedicine. Dove Medical Press. - 2021. - Vol. 16. - P. 249-268.
8. Cremers D. a, Radziemski L.J. Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy. 2006. - 313 p.
9. Lednev V.N. et al. Laser-induced breakdown spectroscopy for three-dimensional elemental mapping of composite materials synthesized by additive technologies // Appl. Opt. - 2017. -Vol. 56, № 35. - P. 9698-9705.
10. Gudkov S. et al. Production and application of selenium nanoparticles to prevent ionizing radiation-induced oxidative stress // IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci. IOP Publishing. - 2019. -Vol. 390, № 1. - P. 012031.
LASER-INDUCED BREAKDOWN SPECTROMETRY FOR THE SE NANOPARTICLES DETERMINATION IN PLANTS
P.A. Sdvizhenskii, Candidate of Technical Sciences, Researcher Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences (Russia, Moscow)
Abstract. Selenium is an essential trace element which plays a crucial role in the physiological and metabolic processes of living organisms and plants. In recent years, there has been an increase in research focused on the use of selenium nanoparticles in agriculture and the food industry to manage selenium levels as fertilizers and to enhance the biological properties of plants. However, selenium toxicity can lead to undesirable consequences due to incorrect dosage selection, making it important to have techniques that allow for the quantitative assessment of this element in plant-based objects. This study demonstrates the potential application of laser-induced plasma spectroscopy (LIPS) for the quantitative determination of selenium nanoparti-cles in plants.
Keywords: selenium nanoparticles, laser-induced breakdown spectroscopy, spectral analysis.
