Спори грибка пухли Lycoperdon pyriforme як еталонний стандарт стабільного монодисперсного аерозолю для калібрування оптичних приладів

Ролі Формальний аналіз, програмне забезпечення

Інститут проблем хімічних та енергетичних технологій СО РАН, м. Бійськ, Росія

Ролі Візуалізація, написання - оригінальний проект, написання - огляд та редагування

Центр науки про життя Московського фізико-технічного інституту, місто Долгопрудний, Росія

Методологія ролей, перевірка

Поточна адреса: 659322, ІПЦЕТ СО РАН, м. Бійськ, Алтайський край, Росія

Інститут проблем хімічних та енергетичних технологій СО РАН, Бійськ, Росія, Національний дослідницький Томський державний університет, Томськ, Росія

Афілійований інститут проблем хімічних та енергетичних технологій СО РАН, м. Бійськ, Росія

Ролі Адміністрація проекту, Ресурси

Афілійований інститут проблем хімічних та енергетичних технологій СО РАН, м. Бійськ, Росія

Анатолій Олександрович Жирнов,
Ніна Миколаївна Кудряшова,
Кудряшова Ольга Б.,
Коровіна Наталія Василівна,
Павленко Анатолій Олександрович,
Тітов Сергій Сергійович

Цифри

Анотація

Цитування: Жирнов А.А., Кудряшова Н.Н., Кудряшова О.Б., Коровіна Н.В., Павленко А.А., Тітов С.С. (2019) Спори грибка пухнастого Lycoperdon pyriforme як еталонний стандарт стабільного монодисперсного аерозолю для калібрування оптичних приладів. PLoS ONE 14 (1): e0210754. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0210754

Редактор: Амітава Мукерджі, університет VIT, ІНДІЯ

Отримано: 31 серпня 2018 р .; Прийнято: 1 січня 2019 р .; Опубліковано: 30 січня 2019 р

Наявність даних: Усі відповідні дані знаходяться в рукописі та в допоміжних файлах.

Фінансування: Робота AAZ, OBK, NVK, AAP та SST була підтримана грантом Міністерства освіти і науки Російської Федерації (mon.gov.ru) (державне завдання) № 0385-2018-0011. Фінансист не брав участі у розробці досліджень, зборі та аналізі даних, прийнятті рішення про публікацію чи підготовці рукопису. NNK не отримав конкретного фінансування для цієї роботи.

Конкуруючі інтереси: Автори заявили, що не існує конкуруючих інтересів.

Вступ

Забруднення повітря є одним з основних факторів ризику для здоров'я населення. Однією із складових забруднення повітря як на вулиці, так і всередині приміщення є дрібні тверді частинки (ТМ). Частинки розміром мікрометра є особливо небезпечними, оскільки вони можуть проникати в біологічні тканини легенів і судин, що призводить до серцево-судинних захворювань [1, 2], респіраторних захворювань [2, 3] і навіть раку [4]. Мікрочастинки, як правило, поділяються на дві групи: РМ10 (частинки 10 мкм і менше) та РМ2,5 (2,5 мкм і менше). Міжнародне агентство з досліджень раку (IARC) Всесвітньої організації охорони здоров'я (ВООЗ) класифікує цих чудових ПМ як канцероген групи 1 [5], і ВООЗ, таким чином, заохочує зменшення вмісту дрібних частинок в атмосфері.

Таким чином, розробка нових оптичних приладів та вдосконалення існуючих для вимірювання твердих і рідких твердих частинок в аерозольному стані покладаються на їх калібрування [17]. Для цього, як правило, застосовуються еталонні стандарти з певним розподілом розміру частинок. Такі стандартні зразки можуть мати широкий розподіл за розмірами (полідисперсні), наприклад, пил для тестування в Арізоні (ISO 12103-1: 2016), що використовується в США, або порошок оксиду алюмінію [18], рекомендований органом стандартизації в Росії. В іншому випадку такі зразки можуть містити лише один тип частинок із фіксованим розміром, тобто сильно монодисперсні аерозолі. Мікросфери з полістиролового латексу (PSL) найбільш широко використовуються для отримання таких монодисперсних калібрувальних зразків [19]. Монодисперсні зразки також часто потрібні для базових досліджень аерозолів [20]. У практичному застосуванні вони також допомагають уникнути багатьох труднощів і неправильного тлумачення результатів, які могли бути спричинені, наприклад, заломленням світла на частинках різного розміру. Таким чином, монодисперсні аерозолі полегшують процес калібрування та забезпечують кращу точність калібрування оптичних приладів [19, 21].

У цій роботі ми пропонуємо використовувати спори грибка пухлини Lycoperdon pyriforme як еталонний стандарт монодисперсних частинок для калібрування оптичних приладів, які вимірюють розміри аерозольних частинок. Ми досліджуємо різні монодисперсні аерозолі і демонструємо, що спори грибів перевершують існуючі штучно виготовлені зразки в наступних аспектах: агломерація не відбувається під час тривалого зберігання; в аерозольному стані коагуляція не відбувається; форма куляста; розподіл розміру частинок у вузькому (майже монодисперсному); коефіцієнт світлопоглинання високий; і, нарешті, вони широко доступні та дешеві. Раціональний ключ до цих чудових властивостей грибкового аерозолю полягає у стратегії розмноження грибів, яка сприяє та відбирає організми, що виробляють аерозолі з тривалим часом седиментації [29]. Таким чином, це дослідження демонструє, як спори L. pyriforme можуть бути використані в лабораторній практиці для базових досліджень аерозолів, а також для практичних вимірювань характеристик аерозолю.

Матеріали і методи

Розмір частинок і морфологія

Розподіл розмірів та форму суперечка пухлини вимірювали в мікроскопі OLYMPUS OMEC DC130. Спори грибів пилили безпосередньо з плодового тіла гриба на предметне скло мікроскопа і закріплювали покривним ковзанням. Al2O3 осаджували на предметне скло і закріплювали подібним чином, тоді як латексні мікросфери розміщували на накладці покриття у водяній суспензії. Зображення частинок отримували з роздільною здатністю до 0,7 мкм. Дані аналізували за допомогою програмного забезпечення OLYMPUS Particle Image Processor (PIP 9.0). Розподіл первинних розмірів частинок характеризувався наступним набором параметрів:

середній масовий діаметр частинок D (4, 3);
середньоарифметичний діаметр частинок D (1, 0);
серединний діаметр D50;
найменший діаметр частинок D10;
найбільший діаметр частинок D90;
питома площа поверхні (S.S.A) [м 2/см 3]

Діапазон вимірювань становив від 0,5 до 3000 мкм.

Скануюча електронна мікроскопія (SEM)

Спори пухирців у сухому стані пилили безпосередньо з плодового тіла гриба на клейову вуглецеву вкладку (AGAR Scientific, Великобританія). Латексні мікросфери залишалися у водяній суспензії та осідали ультразвуком. Потім частинки розпилювали сріблом 50 Å і досліджували в скануючому електронному мікроскопі (SEM; JSM-840, JEON, Японія) з прискорювальною напругою 10 кВ.

Розмір частинок змінюється з часом

Часовий профіль розподілу аерозольних часток вивчали за допомогою аналізатора розміру частинок Spraytec (Malvern Instruments, Великобританія https://www.malvernpanalytical.com/en/products/product-range/spraytec). Вимірювальна система Spraytec спирається на лазерну дифракцію. Записану картину розсіювання аналізували за допомогою відповідної оптичної моделі, яку вибирали залежно від розподілу за розмірами частинок та концентрації. Такі моделі базуються на теорії Мі [30] та наближенні Фраунгофера [31] із запатентованою множинною корекцією розсіювання [32]. Spraytec має максимальну швидкість збору даних 10 кГц, при діапазоні розмірів від 0,1 до 2000 мкм.

Генерація аерозолю

В експериментах з еталонним зразком Al2O3 для виробництва аерозолів використовували пістолет-розпилювач Craton SBG-01 (Китай). У контрольних експериментах спори витягували з грибка пуффла і зважували, щоб задокументувати загальну масу порошку, що розпилюється в тестовій камері.

Спори L. pyriforme обприскували, як описано вище, або плодовим тілом гриба. Грибки-пухлини - це природні «обприскувачі» (рис. 1), які виробляють аерозоль, розпилюючи спори через невеликий отвір на верхівці плодового тіла при стисненні. Кадри цього процесу обприскування містяться у додаткових матеріалах S1 Video.