ИСТИНА

Цель — достижение синергического эффекта от сочетания методов лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии (ЛИЭС) и рентгенофлуоресцентного спектрального анализа (РФА) в экологическом мониторинге за счет расширения круга определяемых биоэлементов (Zn, Cu, Sr, Ca, B; As, Cl) в живых организмах водной экосистемы и улучшение метрологических характеристик их определения.

A number of chemical elements (so-called bio-elements) are actively involved in many physiological processes and are necessary for the normal growth and development of living organisms. Determination of bio-elements in biological samples is necessary in various fields, such as agriculture, scientific research (biology, oceanology, biogeochemistry), as well as for environmental monitoring. One of the priorities of environmental monitoring is also the determination of heavy metals (HMs; particularly, Zn, Cu, Sr). It is known that HMs accumulate in food chains, causing disruption of vital functions and threatening human safety. In this connection, it is necessary to control the content of bio-elements and HMs in living organisms, including those in the aquatic ecosystem (fish, zooplankton, aquatic plants). Inductively coupled plasma-based techniques are currently most often used for elemental analysis, which imply the dissolution of solid sample. Rapid direct analysis of biological samples is also performed by X-ray fluorescence spectroscopy (XRF), but the determination of light elements with this technique is difficult or impossible. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is free from this drawback, but is inefficient for the determination of non-metals (for example, S, Cl, As). Therefore, the combined use of LIBS and XRF is of great interest, because it will increase the number of measurable elements and provide more reliable results. The goal of this work is to achieve a synergistic effect from the combination of LIBS and XRF in the determination of bio-elementакутs (Zn, Cu, Sr, Ca, B, As, Cl) in tissues of aquatic living organisms. The project will involve computer modeling of plasma spectra, selecting conditions of the interaction of laser and X-ray radiation with biological samples and evaluation of the parameters of laser-induced plasma. Based on these data, analytical wavelengths/energies and spectra acquisition parameters will be selected. As a result, a strategy for direct analysis of biosamples using the combination of LIBS and XRF will be proposed.

1. Аналитические линии для диагностики лазерно-индуцированной плазмы изучаемых образцов, свободные от спектральных наложений и самопоглощения; температура, электронная плотность и характеристики временного развития плазмы биологических образцов. Параметры лазерного излучения, обеспечивающие оптимальный характер абляции и характеристики сигнала на эмиссионных линиях биоэлементов (Zn, Sr, Ca и др.). 2. Лазерно-искровые спектры реальных образцов рыбы, водных растений, зоопланктона, стандартных образцов животных и растительных тканей (БОк-2, ЭК-1, Тр-1, ЛБ-1, IAEA-407, IAEA-336). 3. Оптимальные условия регистрации спектров рентгеновской флуоресценции биологических образцов (ток, напряжение, материал анода, длительность экспозиции). Аналитические линии рентгеновской флуоресценции микроэлементов (Zn, Cu, Sr, Ca, B, As, Cl), свободные от спектральных наложений. 4. Спектры рентгеновской флуоресценции исследуемых образцов. 5. Элементный состав образцов, определённый методами ЛИЭС (как с использованием традиционной градуировки, так и без образцов сравнения) и РФС, метрологические характеристики анализа. Результаты сопоставления полученных результатов между собой и с данными независимого анализа. 6. Результаты одноклассовой классификации биологических образцов по их атомно-эмиссионным и рентгенофлуоресцентным спектрам с применением различных алгоритмов хемометрики. Выбор алгоритма, дающего наиболее точные результаты. Полученные результаты позволят впервые оценить возможности комбинации прямых методов ЛИЭС и РФС для расширения круга определяемых биоэлементов и повышения надёжности анализа рыбы, водных растений и зоопланктона в условиях малопредсказуемых матричных эффектов. Применение хемометрических алгоритмов классификации образцов на основании их атомно-эмиссионных и рентгенофлуоресцентных спектров позволит проводить быструю идентификацию техногенного загрязнения. Будет сформирован банк данных по содержанию биоэлементов в водорослях, рыбе и зоопланктоне, а также создан и зарегистрирован соответствующий информационный ресурс в сети Интернет. На основе полученных данных могут быть установлены закономерности в накоплении элементов живыми организмами. Учитывая наличие нескольких коммерчески доступных портативных приборов для анализа методами РФС и ЛИЭС, использование полученных результатов представляет несомненный практический интерес для экологического мониторинга, а также применения непосредственно в ходе морских экспедиций.

Руководитель Проекта с российской стороны имеет опыт работы в области анализа биологических образцов методом ЛИЭС. Этому был посвящён грант РФФИ № 18-33-01297 «Применение лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии для определения лёгких элементов в зоопланктоне без использования образцов сравнения», в рамках которого была разработана методика определения Li, B, C, Na, Mg, Si, P, K и других элементов в лиофилизированных ракообразных и высушенных растениях без образцов сравнения (calibration-free LIBS). С марта по июль 2019 г. руководитель Проекта проходил стажировку в Университете г. Сегеда (Венгрия) в группе проф. Габора Галбача (Gábor Galbács). Работа была посвящена анализу морского зоопланктона методами ЛИЭС в широком спектральном диапазоне (длины волн 186—1049 нм), спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) и ИСП-МС с лазерной абляцией (ЛА-ИСП-МС) с целью изучения взаимосвязей между молекулярным и элементным составом зоопланктона. Полученные данные обработаны методами хемометрики (методы главных компонент и неотрицательного разложения матрицы, анализ общих компонент и удельных весов (ComDim), иерархическая кластеризация). Математические процедуры осуществляли в программных пакетах GNU Octave и MATLAB. Все использованные методы показывают существование значимой положительной корреляции между содержанием лития и сигналом триптофана с спектрах КР. Одна из тематик научного коллектива, к которому принадлежит руководитель Проекта — изучение штарковских параметров спектральных переходов. Результаты таких исследований востребованы в экспериментальной спектроскопии (для диагностики лабораторных плазменных источников) и в астрофизике (для определения химического состава звёзд). При непосредственном участии руководителя Проекта было выполнено измерение параметров штарковского уширения и сдвига для трёх эмиссионных линий меди. При этом были впервые учтены изотопные сдвиги и сверхтонкое расщепление. Результаты работы опубликованы в высокорейтинговом журнале MNRAS.

Полученные результаты позволят впервые оценить возможности комбинации прямых методов ЛИЭС и РФС для расширения круга определяемых биоэлементов и повышения надёжности анализа рыбы, водных растений и зоопланктона в условиях малопредсказуемых матричных эффектов. Применение хемометрических алгоритмов классификации образцов на основании их атомно-эмиссионных и рентгенофлуоресцентных спектров позволит проводить быструю идентификацию техногенного загрязнения. Будет сформирован банк данных по содержанию биоэлементов в водорослях, рыбе и зоопланктоне, а также создан и зарегистрирован соответствующий информационный ресурс в сети Интернет. На основе полученных данных могут быть установлены закономерности в накоплении элементов живыми организмами. Учитывая наличие нескольких коммерчески доступных портативных приборов для анализа методами РФС и ЛИЭС, использование полученных результатов представляет несомненный практический интерес для экологического мониторинга, а также применения непосредственно в ходе морских экспедиций.