Изотопное фракционирование железа в процессе его биоконцентрирования растениями

Метод широко применяют для элементного анализа твердых неорганических веществ и материалов. Важным аспектом аналитической масс-спектрометрии является молекулярный анализ неорганических газов. В частности, с помощью масс-спектрометрии измерен нейтральный и ионный состав верхней атмосферы Земли, Марса и Венеры Масс-спектрометрия начинает применяться как экспрессный метод газового анализа в медицине для изучения продуктов жизнедеятельности организмов.

Наиболее важное применение получила масс-спектрометрия для идентификации и установления структуры органических соединений. Молекулярный анализ сложных смесей органических соединений целесообразно проводить после их хроматографического разделения.

Существуют различные способы ионизации атомови молекул, специфичные для конкретной цели анализа.



Несмотря на развитие всех способов ионизации, наибольшее число исследований, особенно в органическом структурном анализе, проводят с использованием ионизации электронным ударом.

Ионизованные молекулы и атомы по их массам разделяют в масс-спектрометре, схема основных узлов которого приведена ниже.

Он состоит из устройства для ввода пробы 1, в которое газы вводят непосредственно, а жидкости испаряют заранее или в приборе. Задача системы напуска заключается во вводе такого количества газообразной пробы, чтобы обеспечить давление 10-5--10-4 мм рт.ст. в ионном источнике 2, где молекулы ионизируются. При ионизации электронным ударом электроны испускаются раскаленным катодом, соударяются по пути к аноду с молекулами введенного вещества и часть этих молекул электроны ионизуют. Образующиеся ионы выводятся из зоны ионизации, ускоряются электрическим полем и одновременно фокусируются в пучок (узел ускорения и фокусировки ионов 3). Нейтральные молекулы удаляются вакуумным насосом. Все узлы прибора находятся под высоким вакуумом, который необходим, чтобы ионы по пути к детектору практически не претерпевали столкновений, иначе они будут исчезать.

Поток ускоренных ионов попадает в систему магнитной сепарации, в масс-анализатор 4- в котором под действием магнитного поля происходит разделение ионов по величине их отношения т/е (m -- масса иона, е -- заряд иона). Разделенные пучки ионов попадают в приемник 5, где ионный ток преобразуется в электрический сигнал, который усиливается усилителем 6 и регистрируется детектором 7.

Процессы ускорения ионов в электрическом поле и разделения ионов в магнитном могут быть описаны количественно. В ионном источнике ионы приобретают энергию Е = eU, где e -- заряд иона, а U -- приложенное напряжение. С Другой стороны, энергия Е равна кинетической энергии ионов, выходящих из источника, ? mv2, где m -- масса иона, v -- его скорость. Отсюда

eU = ? mv2 и

Таким образом, в узле ускорения ионов их скорость при постоянном напряжении определяется отношением их заряда к массе. Так как скорость ионов неодинакова, то и время пролета t через анализатор

Длиной определяется при постоянных L и V отношением т/е. На этом основана времяпролетная масс-спектрометрия.

Для разделения ионов в масс-анализаторе чаще всего используют однородное магнитное поле. Заряженные ионы, ускоренные и сформированные в пучок, попадая в масс-анализатор через входную диафрагму S1, скачала расходятся, а затем, описав полуокружность с радиусом г. фокусируются на щель S2. При этом на ион действует Центростремительная намагничивающая сила , где Н - напряженность магнитного поля, и центробежная сила

Поскольку центробежная и центростремительная силы равны

то имеем

Таким образом, в магнитном поле с постоянными Н и U ионы, имеющие разные отношения m/е, будут иметь разные радиусы кривизны траектории и разделяться на пучки ионов, а для всех частиц с одним и тем же отношением т/е радиус одинаков. Именно поэтому ионы с кратными массами и зарядами, такие как

12C+2 и 48Ti2+, 144Sm2+ и 144Nd2+, 56Fe2+ и 28Si+4, фокусируются вместе.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Использованные реактивы и материалы

Оксид железа «хч»

соляная кислота «хч»

плавиковая кислота «хч»

р-р едкого натра 10%

бициклопентадиен «хч»

диэтиламин «хч»

этиловый спирт «хч»

фарфоровые чашки для прокаливания

тефлоновые бюксы

химическая посуда

Муфельная печь 300-900 оС

Электроплитка

2.2 Пробоподготовка растений

В качестве растительного материала был выбран тростник произрастающий в районе Петергофа. Растения (стебли и листья) высушивались на воздухе в течение 3 суток [15-21]. Далее их измельчали и помещали в стеклянные стаканы. Стаканы сушились 2 часа при температуре 105 оС. Далее, высушенные и измельченные образцы растительного материала помещались в открытые фарфоровые чашки. Сжигание осуществляли в муфельной печи в течение 2 часов при температуре 700оС. Остывшую золу растворяли 10% раствором HCl. Раствор перемешивали стеклянной палочкой, отфильтровывали в стакан.

Также в лабораторных условиях была выращена осока, которую в течении 3 летних месяцев питали сильно разбавленным раствором FeCl3. Был проведен анализ почвы, на которой произрастало растение.

Почва была очищена от крупных растительных остатков и мусора. После она была гомогенизирована, отсеяна через сито и усреднена методом квартования. Полученную таким образом пробу почвы растворяли в концентрированной соляной кислоте и отфильтровывали в колбу емкостью 1л.

2.3 Высотное распределение железа в растениях

Изучение высотного распределения железа в растениях первоначально имело целью уточнение динамической модели биоконцентрирования. Однако с практической точки зрения эти данные необходимы и для прогноза последствий биоконцентирования тяжелых металлов культурными растениями.

Для изучения высотного распределения необходимо, чтобы растение обладало достаточно большой длиной. Это требование вполне удовлетворяла осока. Также мы изучили высотное распределение железа в хвоще и крапиве. Пробы осоки и хвоща отбирали в разных местах - это канал, питающий фонтаны Петергофа и ручей вдоль улицы Озерковая, соответственно.

В таблицах 4 и 5 приведены данные анализа высотного распределения хвоща и осоки соответственно. D- оптическая плотность растворов при растворении пробы в колбе на 50 мл.

Табл. 4 Высотное распределение Fe в хвоще [4].

участок, см	mнавески, г	D	C, мг/л	q, мг	%
корни	0,499	0,27	8,77	0,44	0,88
0-10	0,531	0,275	8,93	0,45	0,84
10-20	0,545	0,27	8,77	0,44	0,80
20-30	0,545	0,28	9,09	0,45	0,83
30-40	0,536	0,12	3,90	0,19	0,36
40-50	0,506	0,11	4,29	0,21	0,42
50-60	0,48	0,36	2,34	0,12	0,24
60-70	0,542	0,1	3,25	0,16	0,30
70-80	0,545	0,11	3,57	0,18	0,33
80-100	0,46	0,13	4,22	0,21	0,46

Табл. 5 Высотное распределение Fe в осоке [4].

участок, см	mнавески, г	D	C, мг/л	q, мг	%
корни	0,6	0,34	11,04	0,55	0,92
0-10	0,531	0,34	11,04	0,55	1,04
10-20	0,584	0,31	10,06	0,50	0,86
20-30	0,573	0,23	7,47	0,37	0,65
30-40	0,556	0,16	5,19	0,26	0,47
40-50	0,531	0,3	1,95	0,10	0,18
50-60	0,489	0,33	2,14	0,11	0,22
60-70	0,515	0,29	1,88	0,09	0,18
70-90	0,513	0,26	1,69	0,08	0,16

Табл. 6 Высотное распределение Fe в крапиве [4].

Высота, см	Концентрация в крапиве, мг/г
5	0.0125
15	0.00687
25	0.00373
35	0.00262
45	0.00253
55	0.00225
65	0.00222
75	0.00155
90	0.00145
110	0.000839
130	0.00488
150	0.00735

На примере трех растительных видов (осока, хвощ, крапива) обнаружены два типа распределения железа по высоте. Первый тип характеризуется наличием минимума концентрации железа в средней части стебля. Для второго типа характерно постепенное уменьшение содержания железа в направлении от корня к вершине. Мы предполагаем, что эти различия обусловлены разной зависимостью площади зеленой части растений от высоты. Осока имеет стреловидное строение, площадь поверхности уменьшается к вершине растения. У хвоща и крапивы наоборот, верхушка имеет развитую поверхность. Следовательно, испарение вводы и соответственно доставка необходимого количества жидкости в верхнюю часть осоки будет уменьшаться с высотой, а у хвоща и крапивы увеличиваться. Соответственно и количество железа дошедшего до верха растения изменяется симбатно этой зависимости. Как показали наши результаты, чем больше влаги и ниже температура, тем вероятнее второй тип распределения.

Логично предположить, что типов неравномерностей в ходе биоконцентрирования может быть гораздо больше.

2.4 Синтез ферроцена

В раствор FeCl3 полученный после предыдущего этапа добавляли р-р NaOH до выпадения бурого осадка Fe(OH)3.

FeCl3 + NaOH = Fe(OH)3 + H2O

Далее осадок отфильтровывали помещали в кварцевую пробирку и прокаливали в печке при 500 оС. До получения Fe2O3.

Fe(OH)3 = Fe2O3 + H2O

После при температуре 500 оС проводили восстановление водородом.

Fe2O3 + H2 = Fe + H2O

Таким образом, полученное металлическое железо растворяли в HCl и упаривали с добавлением этанола в качестве восстановителя и инертной среды для предотвращения окисления в Fe3+.

Fe + 2HCl = FeCl2

Полученный безводный FeCl2 переносили в пенициллиновый флакон и сразу же добавляли 3мл свежеперегнанного циклопентадиена и 1мл диэтиламина.

FeCl2 + 2C5H6 + (C2H5)2NH = Fe(C5H5)2 + (C2H5)2NH*HCl

Реакцию проводили в течении 12 часов при комнатной температуре и перемешивании. После отфильтровывали от непрореагировавшего остатка, упаривали до образования темно-оранжевых кристаллов ферроцена.

2.5 Хромато-масс-спектрометрия синтезированных образцов ферроцена

Измерения проводились на газовом хроматографе

ЦВЕТ 500 М

и хроматомасспектрометре

LKB 2091

Была снята хроматограмма полученного стандартного образца ферроцена, которая приведена на рис. 13. Был определен индекс удерживания ферроцена, который составил 1349.



Рис. 13. Хроматограмма стандартного образца ферроцена на фоне н-алканов С6 - С14, пик №19 -ферроцен.

На рисунке 14, показан масс-спектр ферроцена из спектроскопической базы данных NIST. На рисунках 15 и 16 приведены масс-спектры стандартного образца ферроцена и синтезированного из природных объектов соответственно.



Рис. 14. Масс-спектр ферроцена из базы NIST.

Таблица 7. Массы и интенсивности пиков масс-спектра ферроцена из базы NIST.

Пики, соответствующие массам:	I, мВ
119	26
121	420
122	31
184	83
186	999
187	132

Нетрудно заметить, что изотопные соотношения в стандартном и биогенном образцах различаются. Для количественной оценки эффекта изотопного фракционирования была выбрана группа пиков с массами 119, 121, 122, соответствующая следующим частям молекулы ферроцена: С5Н554Fe, С5Н556Fe, С5Н557Fe.

Для определения % соотношения изотопов железа в образце были использованы следующие формулы:

Iст119/Iпр119 = %ст119/%пр119

Iст120/Iпр120 = %ст120/%пр120

Iст121/Iпр121 = %ст121/%пр121

Где Iст i - интенсивность i-го пика стандартного образца

Где Iпр i - интенсивность i-го пика пробы

%ст I - процентное содержание i-го изотопа в природе

%ст I - процентное содержание i-го изотопа в пробе

Учитывая, что

%119 + %ст119 + %ст119 = 99,67

Данные для расчета изотопного соотношения представлены в табл.8

	Iст, мВ	Iпр, мВ	%ст	%пр
54Fe(119 пик)	0,41	0,69	5,82	6,87
56Fe(121 пик)	6,42	8,90	91,66	90,70
57Fe(122 пик)	0,46	0,63	2,19	2,15

Таблица 8. Значения интенсивностей и процентного содержания изотопов железа.

Исходя из расчета мы наблюдаем обогащение изотопом 54Fe.

2.6 Мессбауэровская спектроскопия

Пробоподготовка для ЯГР спектроскопии Fe в растительных образцах.

В предыдущей дипломной работе Яроцкого В.А. был исследован ряд кристаллических железосодержащих фаз, с точки зрения их пригодности для использования ЯГР спектроскопии растительных образцов. Было показано, что наилучший, близкий к синглетному сигнал получается от FeF3*3H2O. В настоящей работе мы использовали именно это соединение. Для его получения растительную пробы сжигали, растворяли золу в соляной кислоте, слегка разбавляли водой и фильтровали от нерастворимых остатков. Далее количество сжигаемой пробы выбиралось таким образом, чтобы она содержала 50-100 мг железа. Что соответствует 50-100г пробы. Содержание железа в фильтрате уточняли фотокалориметрическим методом. Из фильтрата отбирали аликвоты, содержащие 15-20 мг железа и ставили упариваться на плитку в тефлоновую чашку. После удаления большей части воды выпадал осадок хлоридов щелочных и щелочно-земельных металлов а раствор приобретал заметную желтую окраску вызванную присутствием FeCl3. Начиная с этого момента упаривание продолжали добавляя несколько капель концентрированной HF. По мере добавления HF желтая окраска осадка исчезала вследствие протекания реакции:

FeCl3 + 3HF=FeF3+3HCl

Пары HCl как и избыток паров HF удалялись вместе с парами воды. При перемешивании тефлоновой палочкой осадок высушивали до воздушно-сухого состояния при 150оC и оставляли на воздухе до образования FeF3*3H2O. Перед анализом образец тщательно растирали в ступке и навеску массой 0.1 г помещали в специальную кювету для измерения. Как показала практика, при таком способе приготовления пробы массовая доля железа составляет 1-8 % , что вполне достаточно для получения ЯГР спектра. Приготовленные таким образом пробы имеют то преимущество, что могут храниться в пластмассовых контейнерах неограниченное время без изменения своего состава.

Поскольку для изучения изотопных эффектов нам надо было измерять абсолютное количество 57Fe в пробе, мы попытались построить градуировочную зависимость площади ЯГР сигнала FeF3*3H2O от содержания 57Fe. Образцы фторида готовились по вышеописанной методике с добавлением известного количества 57Fe. Результаты представлены на рис 17



Рис. 17 Зависимость ЯГР сигнала (площади пика) FeF3*3H2O от добавки 57Fe в образце

Из рисунка 17 видно что, зависимость ЯГР сигнала от количества добавленного 57Fe не является строго линейной. Следовательно, это приведет к неизбежным ошибкам при анализе. К тому же, как мы уже установили в предыдущих работах, что в процессе биоконцентрирования происходит обеднение пробы тяжелыми изотопами железа. Поэтому данный градуировочный график плохо пригоден для анализа таких объектов, поскольку методом добавок невозможно приготовить смеси, обедненные по сравнению с природной. Есть еще один недостаток предложенного способа анализа, который заключался в том, что мы вынуждены полагаться на непроверяемую нами информацию о чистоте добавляемого 57Fe. Как показала практика, этого делать не стоит.

Наши навески содержали 80 мг железа. Продолжая градуировочную кривую до пересечения с осью абсцисс, находим, что массовое содержание 57Fe в пробе без добавки равно 0.5%. При массе пробы в 1 г. это дает 5 мг 57Fe в пробе. Тогда процентное содержание 57Fe в пробе равно 5/80*100=6.25%. Эта величина почти в 3 раза больше, чем содержание 57Fe в природном железе(2.2%). Такой результат вызван тем, что использованный нами в качестве стандартной добавки препарат 57Fe содержал около 30% 57Fe, то есть не был чистым препаратом. Без независимого метода проверки изотопной чистоты препарата метод добавок использовать нельзя. Таким образом, в силу вышеперечисленных причин мы отказались от дальнейшего применения метода добавок в анализе растительных проб. Для устранения указанных недостатков мы в дальнейшем использовали метод внутреннего стандарта. Схема метода показана на рис 18.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

рис. 18 Определение 57Fe в пробе методом внутреннего стандарта.

Вместе с анализируемой пробой на пути излучения помещали железную фольгу из природного железа толщиной 50 мкм. Детектор в этом случае в этом случае регистрировал спектр двух фаз: секстет принадлежащий металлическому железу и тесный дублет от FeF3. Эффекты рассеивания и поглощения сигнала в этом случае были одинаковы для обеих фаз. Относя площадь пика дублета к площади секстета, мы получали отношение интенсивности ЯГР сигнала от FeF3 к сигналу от постоянного количества металлического железа. Таким образом, зная общее содержание железа в пробе, мы могли рассчитать % 57Fe . Расчеты производились по формуле

|

Здесь S(x) и S(ст) площади дублетов исследуемой пробы и стандартной пробы, отнесенные к единице площади металлического железа, а С(х) и С(ст.) - концентрации общего железа в исследуемой пробе и стандарте соответственно. Такой метод количественного анализа широко используется в хроматографии, а его применение в ЯГР спектроскопии до настоящего времени весьма ограниченно. Следует отметить, что процент 57Fe мы принимаем равным 2.2 % в соответствии с его табличным значением. Если по каким то причинам данная величина для нашей пробы имеет другое значение то результаты нашего анализа тоже изменятся. Однако соотношение концентраций изотопа для двух разных проб останется неизменным. Такой подход широко используется в изотопном углеродном анализе, когда все измерения проводятся относительно стандартного образца, который затем сравнивается с универсальным стандартом (чикагский стандарт) и в результаты анализа вносятся соответствующие поправки [10].

На рисунке 19 и таблицах 6 и 7 представлены типичные параметры ЯГР сигналов от пробы FeF3*3H2O с пленкой металлического железа.



Рис. 10 ЯГР спектр металлического железа и FeF3*3H2O

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Табл. 6 Параметры ЯГР сигналов от пробы FeF3*3H2O.

Табл. 6 Параметры ЯГР сигналов пленки металлического железа.

Секстет
A1 (отн.ед.)	A2 (отн.ед.)	A3 (отн.ед)	Г1 (mm/с)	Г2 (mm/с)	Г3 (mm/с)	IS (mm/с)	QS (mm/с)	Heff (T)	%
-0.110 +/- 0.001	-0.087 +/- 0.001	-0.048 +/- 0.002	0.275 +/ -0.005	0.261 +/- 0.006	0.214 +/- 0.010	0.003 +/- 0.001	0.003 +/- 0.002	32.981 +/- 0.009	72 +/- 1

При анализе изотопного эффекта необходимо иметь в виду, что изотопный состав природного железа не является строго постоянным. Следовательно исследуя отдельные части растения можно обнаружить обеднение или обогащения растения 57Fe вызванное не биоконцентрированием, а чисто геологическими причинами. Поэтому для исследования мы брали все растения и сравнивали содержание изотопа 57Fe в различных частях растения. На рисунке 11 представлена схема изотопного распределения 57Fe по длине растения.

И термодинамический и кинетический изотопные эффекты предсказывают обеднение смеси, поглощенной растением, тяжелыми изотопами. Как оказалось для осоки, содержание 57Fe в корнях составило 1.9% а в верхней части растений - 1.3%. Это очень большой эффект, если учесть что среднее содержание указанного изотопа в Земной коре 2.2%.

Обеднение зеленой части растения изотопом 57Fe связано с наличием мембран на корнях растений, слабо пропускающих более тяжелый изотоп в верхнюю часть растения. Дальнейшее обеднение изотопом 57Fe верхней части растения, скорее всего связанно с различной скоростью перемещения по капиллярам 57Fe по сравнению с 56Fe и различающимися константами процессов сорбции-десорбции изотопов на функциональных группах в стебле растения.

Полученные данные открывают возможность использования эффекта биоконцентрирования для получения обогащенных по 57Fe смесей.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 20 Распределение 57Fe в осоке (разделение по границе стебель - корни).

ВЫВОДЫ

• Найдена и синтезирована аналитическая форма железа для масс-спектроскопического исследования изотопного фракционирования железа растениями - ферроцен.

• Получены масс-спектры феррроцена, синтезированного из растительных материалов. И дана первичная количественная оценка изотопного эффекта.

• Методом ЯГР-спектроскопии подтверждено почти двукратное обеднение растений по изотопу 57Fe в верхней части «гиперболических» растений.

Список литературы

1. В.А. Исидоров Экологическая химия, Химиздат, СПб, 2001 г, 304 с.

2. П.Н. Линник, Б.И. Набиванец. Формы миграции металлов в пресных поверхностных водах. Л., Гидрометеоиздат, 1986, 270 с.

3. Поваров В.Г., Соколова О.Б., Шигапова К.А., Павлова Н.С. Биоконцентрирование тяжелых металлов водными и прибрежными растениями. // Вестн.СПбГУ, 2007, Сер.4., Вып.3., С.88-99.

4. Поваров В.Г., Соколова О.Б., Павлова Н.С., Володин В.С., Шарков Д.Е., Дмитриева Т.Г. Закономерности сезонного, высотного и изотопного распределения железа в растениях. Докл. на конф. 85 летия хим. ф-та СПбГУ, СПб.,2009.

5. Гигевич Г. С. Использование высших водных растений для оценки и контроля за состоянием водной среды: Метод. рекомендации. -Мн.: БГУ, 2002. - 84 с.

6. Будников Г.К. Тяжелые металлы в экологическом мониторинге водных систем. Соросовский образовательный журнал, №5, 1998 . С. 23-29.

7. Кузнецов В.В. Химические основы экологического мониторинга. Соросовский образовательный журнал №1, 1999, с. 35-40.

8. Р.Сониасси Анализ объектов окружающей среды: Инструментальные методы. - М.: Мир, 1993. - 80 с., ил.

9. Фор, Гюнтер Основы изотопной геологии М.:Мир, 1989.

10. Галимов Э.М. Изотопный состав углерода газов земной коры. Журнал Геохимия(Академия наук СССР) №5, М., Наука, 1968.

11. Галимов Э.М. Геохимия стабильных изотопов углерода. М., Недра, 1968.

12. Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики. М., Высшая школа, 1984.

13. Физическая химия. Под ред. Б.П. Никольского, Л., 1986.

14. Иркаев С.М., Кузьмин Р.Н., Опаленко А.А. Ядерный гамма-резонанс.- М., МГУ, 1970.

15. Т.В.Гусева и др. Гидрохимические показатели состояния окружающей среды, Эколайн, 2000 г.

16. Г.Т. Фрумин, О.А. Черных, И.В. Бовыкин, Ю.А. Трапезников, А.О. Румянцев и А.С. Григорьев Оценка экологически допустимых уровней содержания металлов в Ладожском озере. Экологическая химия 1998, 7(1): 13-19

17. Другов Ю.С. Экологическая аналитическая химия. - М.: 2000. - 432 с.

18. Владимиров А.М., Ляхин Ю.И., Матвеев Л.Т, Орлов В.Г. Охрана окружающей среды - Ленинград, Гидрометеоиздат, 1991 - 423 с.

19. Алесковский В.Б. Физико-химические методы анализа. Ленинград «Химия», 1988.

20. М. Отто. Современные методы аналитической химии. Москва: Техносфера, 2003, том 1,2 .

21. Шарло Г. Методы аналитической химии. Количественный анализ.T.2 М., Химия, 1969, 1206с.

22. Войткевич Г.В. Справочник по геохимии. М., Недра, 1990, 480с.

23. Беус А.А. Геохимия окружающей среды. М., Недра, 1976, 248 с.

24. Алексеенко В.А. Основные факторы накопления химических элементов организмами. Соросовский образовательный журнал, т.7, №8, 2001.

Размещено на Allbest.ru