4.1 KARAKTERIZACIJA TiO2 V NANO IN STANDARDNI KEMIJSKI OBLIKI 4.1.1 Prevodnost
Pri obeh oblikah TiO2 smo s pomočjo konduktometra (Seven Multi, Mettler Toledo) izmerili prevodnost raztopin s katerimi smo foliarno tretirali stare liste rastlin. Predvidevali smo, da bo imela nano kemijska oblika TiO2 večjo prevodnost, saj vsebuje večje število ionov.
Tabela 1: Izmerjena prevodnost pri kontroli, standardni in nano kemijski obliki TiO2
Tretma Prevodnost (µS/cm)
Kontrola (bidestilirana voda) 2,97
Standardna oblika TiO2 4,01
Nano oblika TiO2 67,6
4.1.2 Nečistoče
Obe kemijski obliki TiO2, ki smo ju uporabili za poskus, na svojih embalažah nista imeli zabeleženih nečistoč. Slednje smo določili s pomočjo rentgensko fluorescenčne spektroskopije, pri čemer smo vzorce vzbujali z radioizotopskimi izvori Cd-109, Fe-55 in Am-241. S pomočjo Fe-55 smo določali elemente, ki imajo energijo K oz L črt pri 1-5,9 keV, Cd-109 pri 2-20 keV, ter Am-241 pri 10-50 keV.
Pri obeh spojinah so bile opazne sledi K, Nb, Cd, Ba in Zr. Nano oblika TiO2 pa je vsebovala še sledove Cu in Br (Tabela 2, slika 4).
Osterman, P. Vpliv listnega tretiranja z nanodelci titanovega dioksida na rast in razvoj sončnice.
Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. 16
Tabela 2: Koncentracije nečistoč v standardni in nano kemijski obliki TiO2 Nečistoče Koncentracija (ppm) pri
standardni kemijski obliki TiO2 kemijski obliki z radioizotopskim izvorom Cd-109.
Osterman, P. Vpliv listnega tretiranja z nanodelci titanovega dioksida na rast in razvoj sončnice.
Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. 17
4.2 NASTAVITEV POSKUSA
Semena sončnic smo posadili v zemlji Terra Brill, saj je ta po predhodnih meritvah s TXRF metodo, v primerjavi z zemljo Humko, vsebovala manjše koncentracije Ti. Večja prisotnost Ti bi potencialno lahko vplivala na končno vsebnost oz. koncentracijo Ti v rastlinah.
V vsakega izmed 15 plastičnih lončkov smo posadili po 3 semena. Rastline smo gojili v rastnih komorah pri temperaturi 26°C in 60 % relativni zračni vlagi. Po treh tednih smo od 15 rastlin 10 rastlin foliarno tretirali, in sicer 5 rastlin s standardno obliko TiO2 (slika 5), ter 5 rastlin z nano-anatazno obliko TiO2 (slika 6a, 6b). Preostalih 5 rastlin pa ni bilo tretiranih, ker so služile kot kontrola. Foliarni tretma smo izvedli le na starih listih, preostali deli rastline, torej mladi poganjki, pa so ostali netretirani. Koncentracija TiO2 s katero smo tretirali liste je znašala 5000 mg/l. Po opravljenem nanosusmo rastline gojili še nadaljnjih 20 dni.
Slika 5: Sončnice v rastni komori
Osterman, P. Vpliv listnega tretiranja z nanodelci titanovega dioksida na rast in razvoj sončnice.
Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. 18
4.3 PRIPRAVA TRETMAJEV, TER FOLIARNI NANOS NANO IN STANDARDNE KEMIJSKE OBLIKE TiO2
V 2 čaši smo nalili po 50 ml destilirane vode, ter dodali po 250 mg TiO2 v nano oz.
standardni kemijski obliki. Vse skupaj smo 5 minut mešali na magnetnem mešalniku, da je suspenzija postala homogena. Slednjo smo s čopičem nanašali po starih listih. Pazili smo, da je bila suspenzija po celotni listni ploskvi enakomerno nanesena. Opravili smo tri nanose.
Slika 6: a) Foliarno tretirana rastlina in b) povečava lista foliarno tretirane rastline.
4.4 PRIPRAVA RASTLIN ZA MORFOLOŠKE MERITVE
Po končanem poskusu je najprej sledil popis morfoloških sprememb (barva, oblika in dolžina rastlinskih organov). Nato smo s korenin previdno odstranili substrat, ter jih oprali z navadno, ter destilirano vodo. Rastline smo ločili na posamezne organe (listi, steblo, korenine), jih zavili v aluminijasto folijo, ter zamrznili v tekočem dušiku. Sledilo je sušenje, ki je potekalo v liofilizatorju (Christ alpha 2-4). Po končanem liofiliziranju smo
a) b)
Osterman, P. Vpliv listnega tretiranja z nanodelci titanovega dioksida na rast in razvoj sončnice.
Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. 19
določili suho biomaso rastlinskih organov, te pa s pomočjo terilnice in tekočega dušika uprašili.
4.5 PRIPRAVA VZORCEV ZA MERJENJE FOTOSINTEZNIH PIGMENTOV
Vsebnost fotosinteznih barvil v listih smo določili tako, da smo v epruvete zatehtali po 30 mg vzorcev, ter vanje dolili po 5 ml 80 % acetona. Vsako epruveto posebej smo premešali z vorteksiranjem, da se je raztopina homogenizirala. Po končani homogenizaciji, smo epruvete pokrili z aluminijasto folijo in vse skupaj čez noč pustili v hladilniku. Naslednji dan smo epruvete z vzorci ponovno premešali in jih 3 minute centrifugirali na 2500 obratih. Sledilo je merjenje absorpcije na spektrofotometru 8452A (HP-Hewlett Packard) pri valovnih dolžinah 647 nm, 664 nm in 470 nm. Za umeritev spektrofotometra smo uporabili slepi vzorec oz. aceton (Lichtenthaler, 1987).
4.6 DOLOČANJE KONCENTRACIJ ELEMENTOV V RASTLINSKIH ORGANIH SONČNICE
Meritve koncentracije posameznih elementov v rastlinskih organih sončnic so bile opravljene na Institutu Jožef Stefan na Oddelku za fiziko nizkih in srednjih energij (F2) s pomočjo rentgensko fluorescenčne spektrometrije s popolnim odbojem (TXRF).
4.6.1 Razklop rastlinskega materiala in priprava vzorcev za meritve z metodo rentgensko fluorescenčne spektroskopije s popolnim odbojem
Razklop smo opravili s pomočjo mikrovalovne pečice CEM MARS 5 (Matthews, ZDA). V teflonske epruvete smo zatehtali po 100 mg vzorca, dolili 3 ml HNO3 in jih zatesnili s pokrovčki. Tako pripravljene epruvete smo namestili v stojalo (rotor) in vse skupaj postavili v mikrovalovko.
Razklop je potekal 1 uro. Prvih 20 minut je temperatura postopoma naraščala do 180°C.
Nadaljnjih 30 minut je pri 180°C potekal razklop, zadnjih 10 minut pa je bilo namenjeno
Osterman, P. Vpliv listnega tretiranja z nanodelci titanovega dioksida na rast in razvoj sončnice.
Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. 20
postopnemu ohlajanju. Razklopljene vzorce smo čez noč pustili stati, naslednji dan pa smo vsebino teflonskih epruvet prelili v plastične epruvete. Slednjim smo dolili destilirano vodo, tako da smo dobili 10 ml raztopine, ter vanjo odpipetirali 100 μl Ga. Galij je predstavljal interni standard. S pomočjo znane koncentracije Ga, smo lahko izračunali koncentracije preostalih elementov. Iz tako pripravljenih vzorcev smo odpipetirali po 10 μl mešanice in jo nanesli na sredino kvarčnih stekelc. Slednje smo čez noč pustili v eksikatorju, z namenom, da se vzorci na površini stekelc dobro posušijo.
4.7 RENTGENSKO FLUORESCENČNA SPEKTROSKOPIJA S POPOLNIM
ODBOJEM
Rentgensko fluorescenčna spektroskopija s popolnim odbojem (TXRF) je multielementna analizna tehnika, ki se uporablja za detekcijo elementov v sledeh pri različnih vzorcih.
Na optično gladki podlagi oz. kvarčnem stekelcu se s fokusiranim žarkom rentgenske svetlobe vzbuja zelo majhno količino vzorca pod kotom, ki je manjši od kritičnega kota za totalni odboj (α ≤ 1,8 mrad oz. α ˂ 0,1°), (Klockenkämper, 2001). Če je vpadni kot presega vrednost kritičnega kota, potem pogoj totalnega odboja ni več izpolnjen (slika 7).
Slika 7: Shematski prikaz principa delovanja TXRF metode (povzeto po Klockenkämper, 2001)
Osterman, P. Vpliv listnega tretiranja z nanodelci titanovega dioksida na rast in razvoj sončnice.
Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. 21
4.7.1 Osnovni princip delovanja metode z rentgensko fluorescenčno spektroskopijo s popolnim odbojem
Osnova metode temelji na vzbujanju oz. ionizaciji atomov v K in L orbitalah. Atome se vzbuja s pomočjo fotonov, katerih energija je enaka oz. večja od vezavne energije elektronov v atomu. Vzbujenemu stanju sledi relaksacija atoma (Nečemer, 1995), pri čemer prihaja do fotoefekta oz. interakcije med fotonom in vezanim elektronom v atomu.
Torej, ko foton iz atoma izbije elektron (fotoelektron), le ta postane nestabilen, saj mu na eni izmed atomskih orbital manjka elektron. Nastala praznina se nadomesti z elektronom iz višje orbitale, presežek energije pa izseva kot karakteristični foton (slika 8). Pojav imenujemo rentgenska fluorescenca in služi za določanje tako kvalitativne kot tudi kvantitativne sestave vzorcev (Gangl, 1997).
Slika 8: Shematski prikaz fotoefekta (povzeto po Gangl, 1997)
Osterman, P. Vpliv listnega tretiranja z nanodelci titanovega dioksida na rast in razvoj sončnice.
Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. 22
4.7.2 Sestavni deli rentgensko fluorescenčnega spektrometra
Rentgensko fluorescenčni spektrometer sestavljajo naslednje komponente:
- rentgenska cev z Mo anodo (AEG, Nemčija); napetost 30 kV, tok 30 mA - totalno-refleksijski modul (fokusni sistem in monokromator)
- visokoločljivostni rentgenski spektrometer s Si(Li) detektorjem (Princeton Gamma Tech Co, ZDA, FWHM)
Elektronski sistem detektorja sestavljajo visoko napetostni vir, ojačevalnik, analogno-digitalni pretvornik (ADC) in večkanalni analizator. Vse enote so združene v integriranem signalnem procesorju M 1520 in MCA računalniška kartica S 100 (Canberra, ZDA), (Nečemer in sod. 2008, Pongrac, 2004).
4.8 STATISTIČNA ANALIZA
Podatke smo analizirali s standardnimi statističnimi metodami. Pri tem smo uporabili MS Excel 2010 z nadgradnjo ANOVA in programski komplet Statistica 7.0 (StatSoft). Za izračun statistično značilnih razlik, smo uporabili Duncanov test (p<0,05). Pri izračun faktorske analize variance pa smo si pomagali s programom Faktorska ANOVA (p<0,05).
Med posameznimi izmerjenimi parametri smo določali tudi korelacijske povezave, pri čemer smo uporabili Spearmanov korelacijski koeficient (p<0,05).
Osterman, P. Vpliv listnega tretiranja z nanodelci titanovega dioksida na rast in razvoj sončnice.
Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. 23