3. Analizy pierwiastkowe – przykłady badań w Zakładzie Spektroskopii Stosowanej IFJ PAN

Filtr UV w kosmetykach

     W ostatnich latach szeroko rozpowszechniły się kremy „z filtrem”, które mają chronić naszą skórę przed szkodliwym działaniem promieniowania UV. Czy mamy pewność, że są to kosmetyki bezpieczne dla naszego zdrowia? Barierą chroniącą skórę przed promieniowaniem UV są zawarte w tych kosmetykach nanocząstki TiO2. Równocześnie pełnią funkcję fotokatalizatora, stając się niestety dodatkowo źródłem wolnych rodników. Nagromadzenie wolnych rodników może spowodować uszkodzenia komórek i w konsekwencji rozpocząć patologiczne zmiany w skórze.

     Powyższym problemem zajmował się zespół naukowców realizujący europejski program NANODERM. Zadaniem Zakładu Spektroskopii Stosowanej w tym projekcie było wykonanie pomiarów zawartości tytanu, fosforu i siarki w zewnętrznych warstwach skóry. Zastosowaliśmy do tego celu metodę µPIXE i otrzymaliśmy bardzo dokładne rozkłady głębokościowe badanych pierwiastków oraz znaczne stężenie tytanu w obszarze kanalika włosowego w skórze. Przykłady naszych wyników przedstawione są na Zdjęciu 4. Więcej szczegółów na temat projektu NANODERM można znaleźć na stronie: http://www.uni-leipzig.de/~nanoderm/

Zdjęcie 4. Przekrój przez zewnętrzną warstwę skóry: obraz mikroskopowy (pierwsze górne zdjęcie) oraz widziany w pełnym widmie promieniowania X (pierwsze dolne zdjęcie) i zmierzone rozkłady głębokościowe fosforu, siarki i tytanu. Zaobserwowano znaczną koncentrację tytanu w obszarze kanalika włosowego

Wiek geologiczny

     Jednym z bardzo ważnych problemów, przed którym stają geolodzy jest określanie wieku skał. Bardzo długo żyjące pierwiastki promieniotwórcze, takie jak uran i tor, mogą służyć jako mierniki wieku skały, w której są zawarte. Wszystkie trzy naturalne szeregi uranu i toru kończą się na trwałych izotopach ołowiu. Oznaczenie zawartości uranu i toru w minerale w stosunku do ilości ołowiu umożliwia określenie wieku minerału. W eksperymencie tego typu metodą PIXE określa się zawartość uranu, toru i ołowiu w próbkach skał. Natomiast za pomocą metody R(E)BS można uzyskać informacje o składzie próbki, co ma kluczowe znaczenie dla obliczeń ilościowych. Rejestracja wstecznie rozproszonych jonów, która jest podstawą metody R(E)BS pozwala oszacować straty energii protonów w materiale, a co za tym idzie obliczyć wydajność produkcji charakterystycznego promieniowania X, która zmienia się wraz z głębokością penetracji w próbce. Pozwala również zmierzyć efekt osłabienia promieniowania X powstałego w głębi próbki. W ten sposób m.in. oszacowano wiek monacytów, które były składnikami piaskowców z okolic wąwozu Gródek w Kwaczale (Górnośląskie Zagłębie Węglowe). Na podstawie uzyskanych wyników piastowce te zostały określone jako mieszanina dwóch frakcji wiekowych – młodszej, o wieku rzędu 320 mln lat i starszej, ok. 550 mln lat. Informacja ta pozwoliła na identyfikację procesów geologicznych w okresie powstawania tych skał.

Zdjęcie 5. Obraz mikroskopowy kryształków monacytów, fragment widma PIXE zawierający piki uranu, toru i ołowiu oraz komplementarne widmo RB(E)S. Ostatni rysunek obrazuje przykładowy, zmierzony rozkład wieku monacytów (środek rozkładu: 330 mln lat)

Zanieczyszczenie podbiegunowych porostów

     Antarktyka i Arktyka należą do tych obszarów świata, gdzie z jednej strony wpływ działalności człowieka jest silnie ograniczony, z drugiej jednak strony - żyjąca w tych trudnych warunkach klimatycznych organizmy są wyjątkowo wrażliwe na zanieczyszczenia środowiska. Do takich organizmów należą porosty, które ze względu na brak mechanizmów ochronnych, wyjątkowo łatwo wchłaniają zanieczyszczenia (np. w postaci ciężkich metali). Niestety, zanieczyszczenia środowiska powodują pogorszenie ich wzrostu i zamieranie. Zdolność do kumulacji pierwiastków ciężkich czyni porosty tzw. bioindykatorami antropopresji, czyli biologicznymi wskaźnikami zanieczyszczeń spowodowanych działalnością człowieka. W ramach ochrony środowiska naturalnego powinniśmy te porosty chronić przed zanieczyszczeniami.

     Wspólnie z Zakładem Lichenologii, Instytutu Botaniki UJ badaliśmy metodą PIXE stężenia różnych pierwiastków np.: ołowiu, tytanu, manganu w plechach porostów Usnea antarctica i Usnea aurantiaco-atra rosnących m.in. w pobliżu polskiej bazy antarktycznej im. Henryka Arctowskiego na King Georgie Island. Niestety, stwierdziliśmy podwyższone stężenia ołowiu w próbkach pochodzących z obszaru bazy w stosunku do próbek porostów pobranych z terenów oddalonych od niej.

Zdjęcie 6. Porosty Usnea antarctica oraz Usnea aurantiaco-atra zostały wybrane jako wskaźniki zanieczyszczeń pierwiastkami śladowymi (głównie ołowiem). Materiał doświadczalny został pobrany w pobliżu baz arktycznych, m.in. polskiej bazy antarktycznej im. Henryka Arctowskiego