Введение к работе
Актуальность проблемы.
Биологический аэрозоль – дисперсная система, состоящая из взвешенных в газовой фазе частиц, имеющих биологическое происхождение. В естественных условиях такой аэрозоль может содержать аллергены, токсины и патогены, что представляет угрозу здоровью и жизни людей. Широко распространены нозокомиальные (внутребольничные) инфекции, где основным механизмом заражения является аэрозольное инфицирование. Известно, что наиболее эффективным способом применения биологического оружия является распыление бактерий, вирусов и токсинов в воздухе. Таким образом, разработка методов анализа биологических аэрозолей представляет собой актуальную проблему.
В дальнейшем мы будем использовать термин аэрозоли в широком смысле, и называть микронным аэрозолем аэрозоли с размером частиц более 1 микрона, субмикронным аэрозолем - с размером частиц в диапазоне 0.1-1 микрон, а аэрозоли меньшего размера - наноаэрозолем. В современных тест-системах на наличие патогенных микроорганизмов в воздухе используют инерционные средства сбора – импакторы и циклоны. Принцип работы таких устройств заключается в инерционном осаждении частиц на поверхность с последующим смыванием водой или буферным раствором. Циклоны и импакторы не могут улавливать частицы диаметром менее 300 нм и имеют низкую эффективность сбора микронного аэрозоля при высокой энергозатратности.
Использование более эффективных средств сбора – волокнистых аэрозольных аналитических фильтров (АФА) или стекловолокнистых фильтров (HEPA) - имеет существенный недостаток. Эти фильтры нерастворимы в воде, а смывание с них биологического материала неизбежно влечет за собой его потерю. Такие фильтры используют для анализа бактериальных аэрозолей в сочетании с культуральными методами – фильтр с собранным материалом помещают в чашки Петри с необходимой питательной средой. Изучение вирусов, токсинов и аллергенов таким способом невозможно.
В лаборатории наноструктур и нанотехнологий ИТЭБ РАН был предложен метод сбора субмикронных и наноаэрозолей с помощью водорастворимых нанофильтров. Нанофильтры представляет собой мембраны из ультратонких волокон водорастворимого полимера (типа поливинилпирролидона или поливинилового спирта), которая формуется методом электропрядения с нейтрализацией нановолокон в газовой фазе противоионами, полученными при электрораспылении летучих растворителей. Такие водорастворимые нанофильтры позволяют с высокой эффективностью собирать аэрозоли всех размеров и концентрировать собранный материал в малом объеме буферного раствора. Полимерный материал фильтра достаточно инертен и не создает помех на всех этапах последующего анализа. В отличие от инерционных устройств, которые работают только с микронным аэрозолем, нанофильтры способны эффективно собирать и наноаэрозоли. Это позволяет использовать их для обнаружения вирусов и наноаэрозольных загрязнений техногенного характера, таких как: углеродные наночастицы, образующиеся при работе двигателей, углеродные нанотрубки и
другие продукты нанотехнологии. Отмеченные преимущества водорастворимых нанофильтров делают их разработку весьма актуальной задачей как для анализа биологических аэрозолей, так и для анализа техногенных загрязнений воздушной среды.
Цель и задачи исследования.
Целью работы являлась разработка технологии производства водорастворимых нанофильтров и методов сбора и анализа аэрозолей биологического и техногенного происхождения с использованием таких нанофильтров.
Основные задачи исследования:
-
Изучить особенности электроформования водорастворимых нанофильтров из растворов поливинилпирролидона в смесях различных растворителей с целью контроля толщины волокон.
-
Изучить влияние толщины волокон и плотности их упаковки на фильтрующие свойства изготовленных из них нанофильтров.
-
Исследовать механические свойства нанофильтров и определить эксплуатационные условия и границы их применимости.
-
Продемонстрировать возможности использования нанофильтров для сбора и анализа биологических аэрозолей.
Научная новизна.
Изучено влияние добавок растворителей на толщину волокон, образующихся при электроформовании из 6.5% растворов поливинилпирролидона в спирте.
Установлено, что изменение диаметра волокон ПВП при одинаковой концентрации полимера в изученных смесях растворителей не является следствием изменения в зацеплении полимерных молекул.
Впервые изучено поведение нанофильтров при сборе аэрозолей при высоких (до 13 м/с) линейных скоростях потока воздуха. Показано, что эффективность фильтрования микронного и субмикронного аэрозолей слабо меняется при увеличении скорости, а сбор наноаэрозолей значительно улучшается при увеличении скорости потока выше 5 м/сек. Это позволяет использовать аналитические нанофильтры для эффективного сбора наноаэрозолей при высоких линейных скоростях потока и собирать аэрозоли из большого объема воздуха за короткое время с использованием минимального количества полимерного материала фильтра.
Продемонстрирована возможность применения водорастворимых нанофильтров для анализа искусственных аэрозолей и детекции патогенов в воздухе.
Практическая значимость работы. Разработанный в данной работе метод сбора аэрозолей с помощью нанофильтров позволяет за несколько минут с минимальными затратами энергии собирать в виде жидкой пробы как наноаэрозоли,
так и аэрозоли микронных размеров с концентрированием собираемого материала из воздуха более чем в 100 000 000 раз. Это позволяет вести быстрый мониторинг загрязнения воздуха следовыми количествами опасных патогенов без использования дорогостоящего и энергоемкого оборудования.
Преимуществом разработанных фильтров является возможность их растворения в воде и химическая инертность материала, из которого они изготовлены, что позволяет анализировать собранные пробы для выявления патогенов с использованием методов, работающих с водными растворами: ПЦР, иммунохимических и культуральных методов. В настоящее время уже продемонстрировано успешное использование нанофильтров для анализа нозокомиальных инфекций в стационаре клиники НИИ фтизиопульмонологии ММА им. Сеченова, где фильтры применяются для сбора ДНК, с последующей детекцией методом ПЦР (Vladimirsky M.A. et al., 44th Union World Conference on Lung Health, Paris, 2013). Нанофильтры были также использованы для гигиенического контроля содержания наночастиц в воздухе рабочей зоны при производстве силицидов металлов (О. П. Яворовський и др, “Журнал НАМН України”, 2012, 18, 1).
Водорастворимые нанофильтры из поливинилпирролидона и поливинилового спирта широко используются в дозиметрии наноаэрозолей, исследуемых в лаборатории наноструктур и нанотехнологий ИТЭБ РАН (Morozov V.N. et al, J Aerosol Sci, 2013).
Апробация диссертации. Результаты диссертации были представлены на 4 научных конференциях: The 44th Union World Conference on Lung Health, 2013; Nanomaterials: Application & Properties, 2013; VII Московский международный конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития», 2013; 16-я Международная Пущинская школа-конференция молодых ученых, 2012.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 83 страницах, с использованием 36 рисунков и 2 таблиц. Работа включает в себя: введение, обзор литературы, экспериментальную часть, обсуждение полученных результатов, заключение и выводы.
