Nano v ponuke - práca; viac
Nanomateriály
Technicky vyrobené nanomateriály si našli cestu do našich potravín a spotrebného tovaru. Nano-oxid kremičitý sa používa na tekutosť kečupu alebo ako prísada do solí a korenín, nano-oxid titaničitý dodáva čokoláde trvalý lesk, strieborné nanočastice slúžia na zlepšenie trvanlivosti rôznych potravín a ich obalov. Nanočastice môžu vzniknúť neúmyselne v konvenčných výrobných procesoch alebo môžu byť špeciálne vyrobené a pridané. Kde však možno nájsť nanočastice?
Kde však možno nájsť nanočastice?
Boli zdravotné riziká a šírenie v životnom prostredí už primerane popísané? A netreba to zanedbávať: čo sú to nanočastice? Pri zodpovedaní týchto otázok sa nemožno zaobísť bez spoľahlivých analytických metód. Inštitút pre chémiu potravín na univerzite v Bonne sa zaoberá priamou analýzou nanočastíc v potravinách pomocou jednočasticovej ICP-MS.
Čo sú to vlastne nanočastice?
O tejto otázke sa intenzívne diskutuje v Európskej únii - v súčasnosti neexistuje definitívna definícia [1,2]. Častice s veľkosťou od 1 do 100 100 Nm (jedna miliardtina metra) majú nové, niekedy veľmi zaujímavé vlastnosti v porovnaní s „sypkým materiálom“, na ktorom je založené množstvo inovatívnych priemyselných procesov a výrobkov každodennej potreby. Veľkosť týchto častíc zhruba súvisí s veľkosťou futbalovej lopty, pretože veľkosť futbalu súvisí s priemerom Zeme. Mnoho príkladov aplikácií popísaných na začiatku ukazuje, že nanopriemysel zažíva rozmach.
Právna situácia a ochrana spotrebiteľa
Avšak o dopadoch týchto materiálov na životné prostredie a ľudské zdravie sa neuskutočnil dostatočný výskum. Súčasná situácia v štúdii nevylučuje nepriaznivý vplyv na zdravie. Kozmetika s prísadami nanočastíc musí byť zodpovedajúcim spôsobom notifikovaná a označená v súlade s nariadením EÚ o kozmetike, ktoré vstúpilo do platnosti v roku 2013. Podľa nového nariadenia EÚ o informáciách o potravinách 1169/2011 (LMIV) [3] sa použitie nanočastíc v potravinách vyžaduje od zoznamu prísad až od decembra 2014, zatiaľ však nie je obmedzené z hľadiska nariadenia o nanotechnológiách. Na kontrolu označenia a toxikologického významu je nevyhnutná analýza nanočastíc vo potravinách, ako aj vo vzorkách životného prostredia a tkanív. Metódy analýzy nanočastíc ešte nie sú úplne vyvinuté. V súčasnosti neexistujú žiadne štandardné postupy na analýzu nanočastíc, ale všadeprítomný výskyt nanočastíc je možné zistiť už pri existujúcich metódach analýzy.
Pri analýze nanočastíc je potrebné brať do úvahy nasledujúce parametre: elementárne zloženie, veľkosť častíc, distribúciu veľkostí a počet častíc (koncentrácia). Konvenciou je určiť obsah nanočastíc na základe kvantifikácie prvku. Musí sa vedieť, o ktoré nanočastice ide. Ďalej sa predpokladá, že určovaným prvkom je výlučne nanočastica.
Veľkosť častíc vo vodných roztokoch sa zvyčajne určuje pomocou DLS (dynamický rozptyl svetla). Existujú aj analýzy rozptylu röntgenových lúčov, ako je napríklad analýza malého uhla rozptylu (SAXS). Poskytujú dôležité informácie o trojrozmernej štruktúre nekryštalických systémov z čistených roztokov nanočastíc, a preto sa s výhodou používajú na charakterizáciu technických nanočastíc. V porovnaní s tým poskytuje DLS rýchlejšie výsledky, zatiaľ čo metódy založené na röntgenových lúčoch sa vyznačujú vysokou citlivosťou a špecifickosťou. Ďalšou možnosťou sú zobrazovacie metódy, napr. Mikroskopia transmisného elektrónu alebo atómovej sily. Tieto metódy sú však obmedzené z hľadiska špecifikácie cieľovej častice a vyžadujú vzorky s vysokým počtom častíc, ktoré je možné fixovať na doštičku so vzorkou. Distribúcie veľkosti sa dajú navyše určiť mikroskopicky iba v obmedzenej miere. [4]
Ďalšou možnosťou je predchádzajúca separácia a obohatenie nanočastíc. Pretože porovnateľne nízky náboj nanočastíc môže viesť k nešpecifickým interakciám alebo dokonca ireverzibilnej väzbe molekúl na stacionárne fázy, sú vhodnejšie metódy bez stacionárnej fázy, ako je napríklad frakčná frakcia v teréne (FFF) a kapilárna elektroforéza, pričom sa používajú citlivé detektory musí [5]. Kvôli väčšiemu možnému objemu vzorky má frakcionácia s tokom poľa výhodu oproti kapilárnej elektroforéze. Elektroforetické procesy sa tiež separujú podľa hydrodynamického polomeru a náboja, čo robí separáciu zložitejšou [4].
V tejto súvislosti treba tiež spomenúť, že nanočastice nie sú v roztoku takmer nikdy v termodynamickej rovnováhe; zloženie nanočasticových systémov sa veľmi líši v závislosti od hodnoty pH, iónovej sily alebo vplyvov teploty/svetla. Chromatografická separácia predstavuje riziko zmeny zloženia nanočastíc.
Pomocou ICP-MS s jednou časticou (sp-ICP-MS) možno určiť koncentráciu častíc, ako aj distribúciu veľkostí týchto častíc vo vzorke súčasne a pre konkrétny prvok. Okrem toho je možné zreteľne rozlišovať medzi nanočasticovými a iónovými analytmi. Metóda siaha až k Degueldreovi [6] a v posledných rokoch sa ďalej rozvíjala. [7,8] Pomocou ICP-MS (hmotnostná spektrometria s indukčne viazanou plazmou) sa vzorka najskôr rozprašuje argónovým plynom v komore rozprašovača. Aerosól sa prevedie do argónovej plazmy, kde sa analyty sušia, atomizujú a ionizujú. Kladne nabité ióny sa urýchľujú, sústreďujú pomocou systému kužeľov a potom sa dostanú k hmotnostnému analyzátoru a nakoniec k detektoru. Na obrázku 1 sa sp-ICP-MS porovnáva s klasickým hodnotením ICP-MS. Rozpustené ióny sa dostávajú k detektoru ako stály prúd iónov, zatiaľ čo analyty vyrobené z nanočastíc sa k detektoru dostávajú vo forme iónových mrakov.
Klasicky sa skenuje široký rozsah hmotnosti v priebehu doby skenovania, aby bolo možné detegovať rôzne prvky. Časy merania sa označujú ako „doba zotrvania“, ktoré sú prerušené „dobou ustálenia“, v ktorej sa štvorpólové nastavenia vrátia do pôvodného stavu.
Pri analýze jednej častice sa merania uskutočňujú bez času usadzovania a generuje sa kvázi spojitý signál. Signál generovaný detektorom sa zaznamenáva v priebehu času, takže každý objavený vrchol zodpovedá nanočastici zo vzorky. Intenzita píku koreluje s veľkosťou nanočastice. Princíp merania tiež ukazuje, že najmenšia určiteľná veľkosť nanočastíc je tá, pri ktorej signál len vyčnieva z okolitého šumu (vrátane rozpustených iónov). Obmedzenie veľkosti častíc v dolnom rozmedzí (približne 20 nm) je najväčším obmedzením sp-ICP-MS. Táto dolná hranica veľkosti je ovplyvnená citlivosťou zariadenia (všetky parametre zariadenia), stechiometrickým zložením nanočastíc a koncentračným pomerom rozpustených iónov a nanočastíc [4].
Veľkou výhodou sp-ICP-MS je nízky detekčný limit. Nanočastice je možné merať hlboko pod detekčným limitom rozpustených iónov, pretože na detektore sa znižuje iba frekvencia signálov, nie však intenzita signálu. Zatiaľ čo DLS sa používa hlavne v koncentráciách častíc nad 1 mg/l, na nanočasticiach na univerzite v Bonne v koncentráciách ng/L vo vzorkách obohatenej šťavy (pomarančový džús, jablkový džús) už bolo možné analyzovať priamo bez prípravy vzorky pomocou sp-ICP-MS. Obrázky 2 a 3 ukazujú histogramy vzorky jablkovej šťavy, ktorá bola obohatená nanočasticami zlata a striebra. Je jasne vidieť rôzne distribúcie veľkosti častíc.
Vďaka vysokej špecifickosti, veľmi nízkym detekčným limitom a nízkej citlivosti matice je táto metóda veľmi vhodná na analýzu nanočastíc vo vzorkách životného prostredia alebo potravín, v ktorých sa očakávajú iba veľmi nízke koncentrácie nanočastíc.
Rýchly rozvoj nanopriemyslu, nedostatok toxikologických štúdií a nové požiadavky na označovanie vedú k silnej potrebe spoľahlivej metódy analýzy nanočastíc, najmä v rozmedzí nízkych koncentrácií. Najsľubnejšie metódy sú v súčasnosti založené na ICP-MS - a to ako v kombinácii s frakcionáciou pomocou poľného toku, tak aj priamo s použitím jednočasticovej ICP-MS. Predchádzajúce publikácie však neukazujú žiadne realistické použitie v potravinách. Na Inštitúte pre chémiu potravín na univerzite v Bonne je potrebné nadviazať na prvé experimenty a vyvinúť validovanú metódu na analýzu skutočných vzoriek potravín pomocou sp-ICP-MS.