Оптимизация условий проведения элементного анализа биологических объектов методами дуговой и пламенной атомно-эмиссионной спектрометрии
ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………5
Глава 1 Элементный анализ в медицине……………………………………………………………………………….10
1.1 Биоэлементология – новое научное направление …………………………………………………………..10
1.2 Биологическая роль химических элементов ……………………………………………………………………13
1.3 Современное состояние аналитического контроля исследуемых объектов ………………….15
Глава 2 Объекты и методы исследования …………………………………………………………….20
2.1 Объекты исследований …………………………………………………………………………………………………….20
2.1.1 Биосубстраты (волосы)………………………………………………………………………………………………….20
2.1.2 Лекарственные растения (Agrimonia pilosa) …………………………………………………………………21
2.1.3 Подопытные животные …………………………………………………………………………………………………23
2.2 Методы исследования ………………………………………………………………………………………………………24
2.2.1 Дуговая атомно-эмиссионная спектрометрия с многоканальным анализатором
эмиссионных спектров …………………………………………………………………………………………………………..24
2.2.2 Метод пламенной фотометрии ……………………………………………………………………………………..28
2.2.3 Метод атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС) ………………………………………………..30
2.2.4 Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой………………………………………………31
2.2.5 ИК-спектроскопия …………………………………………………………………………………………………………33
2.2.6 Рентгенофазовый анализ (РФА) ……………………………………………………………………………………34
2.2.7 Растровая электронная микроскопия с применением энергодисперсионного
микроанализа ………………………………………………………………………………………………………………………….37
2.2.8 Дифференциально-термический анализ ……………………………………………………………………….39
Глава 3 Разработка методики выполнения измерений элементного состава волос методом
дуговой атомно-эмиссионной спектроскопии с многоканальным анализатором
эмиссионных спектров …………………………………………………………….41
3.1 Пробоотбор и пробоподготовка волос для метода ДАЭС с МАЭС ………………………………41
3.2 Скрининг элементного состава зольного остатка волос…………………………………………………42
3.3 Полуколичественное определение основных (матричных) элементов зольного остатка
волос ……………………………………………………………………………………………………………………………………….42
3.4 Определение молекулярного и фазового состава зольного остатка волос ……………………43
3.5 Оптимизация условий количественного определения макроэлементов в зольном
остатке волос методом ДАЭС с МАЭС…………………………………………………………………………………48
3.5.1 Выбор степени разбавления зольного остатка волос …………………………………………………..48
3.5.2 Предварительное оценивание погрешности определения матричных элементов ……..51
3.6 Оптимизация условий количественного определения микроэлементов в зольном
остатке волос методом ДАЭС с МАЭС…………………………………………………………………………………52
3.7 Способы устранения матричных влияний при спектральном анализе зольного остатка
волос ……………………………………………………………………………………………………………………………………….61
3.8 Расчетные формулы для представления результатов анализа волос ……………………………..65
3.8.1 Расчетная формула для представления результатов анализа макроэлементов,
лежащих в диапазоне 10–200 мкг/г и более ………………………………………………………………………….65
3.8.2 Расчетная формула для представления результатов анализа микроэлементов,
лежащих в диапазоне 1-10 мкг/г и менее ………………………………………………………………………………65
3.9 Предварительная оценка правильности результатов количественного спектрального
анализа макро– и микроэлементов в сравнении с другими методами ………………………………..66
3.10 Показатели качества измерений после метрологической аттестации методики …………67
3.11 Расчет пределов повторяемости и внутрилабораторной прецизионности ………………….69
Глава 4 Аналитическое сопровождение создания лекарственных препаратов для
преодоления экстремальных нагрузок …………………………………………………………….71
4.1 Модельная схема создания лекарственного препарата…………………………………………………..71
4.1.1 Спектральный анализ растений и водных вытяжек …………………………………………………….73
4.1.2 Спектральный анализ биологически активных веществ (БАВ) ………………………………….76
4.1.3 Спектральный анализ подопытных животных …………………………………………………………….79
Глава 5 Практические применения разработанных методик и аналитических подходов ….83
5.1 Оценка биологической роли химических элементов в формировании элементного
статуса человека и в диагностике заболеваний …………………………………………………………………….83
5.2 Элементный анализ волос в неврологии и психиатрии …………………………………………………96
5.3 Взаимосвязи элементного состава волос и психологических особенностей человека …98
5.4 Элементный портрет человека как один из маркеров интеллектуальных способностей
……………………………………………………………………………………………………………………………………………….101
5.5 Оценка эффективности действия лекарственного препарата для преодоления
экстремальных нагрузок ………………………………………………………………………………………………………104
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………..107
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………………………..108
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 …………………………………………………………..116
ДАЭС – дуговая атомно-эмиссионная спектрометрия
МАЭС – многоканальный анализатор эмиссионных спектров
ПФ – пламенная фотометрия
ААС – атомно-абсорбционная спектрометрия
ИСП-АЭС – атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой
ИСП-МС – масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой
РФА – рентгенофазовый анализ
РЭМ – растровая электронная микроскопия
ДТА – дифференциально-термический анализ
СФ – спектрофотометрический метод
БАД – биологически активные вещества
ЖКТ – желудочно-кишечный тракт
ЦНС – центральная нервная система
ГСО (СО) – государственные стандартные образцы
ВРПС – водорастворимые полисахариды
ДВ – дубильные вещества
МВИ – методика выполнения измерений
ЦВП – цереброваскулярная патология
ТДР – тревожно депрессивные расстройства
ПИКН – пост инсультные когнитивные нарушения
ССЗ – сердечно-сосудистые заболевания
Актуальность работы. Стабильность химического состава организма человека
является одним из важнейших и обязательных условий его нормального функционирования.
Соответственно, отклонения в содержании химических элементов, вызванные
экологическими и климатогеографическими факторами, могут приводить к широкому спектру
патологических состояний здоровья человека, в свою очередь заболевания могут являться
причиной изменения элементного статуса человека. В отличие от органических веществ,
химические элементы не синтезируются в организме: мы получаем их с пищей, водой,
вдыхаемым воздухом, а потому не всегда можем самостоятельно проконтролировать их
количество.
В современной практике диагностики макро- и микроэлементов в организме человека
существуют методы их определения в цельной крови, моче, волосах, слюне, зубном дентине
и костной ткани. Волосы, как объект исследования, более предпочтительны среди других
биологических субстратов. Их химический состав постоянен благодаря кератиновой
наружной оболочке, препятствующей как потере внутренних компонентов, так и
проникновению внешних загрязнений. Волосы как наиболее благоприятный материал для
исследований имеют ряд преимуществ: простота и неинвазивность пробоотбора, не требуют
для хранения специального оборудования, не портятся и не имеют ограничения по сроку
хранения. Имеющиеся данные говорят о том, что содержание микроэлементов в волосе
человека отражает микроэлементный баланс организма в общем, является интегральным
показателем минерального обмена и позволяет точно описать метаболического состояния
организма. Волосы используются как предпочтительный тест-объект Агентством по Защите
Окружающей Среды США (АЗОС) для определения полученной дозы тяжёлых металлов и с
целью биологического мониторинга экологических антропогенных загрязнений окружающей
среды. Использование волос в криминалистической практике позволяет ответить на
некоторые вопросы, касающиеся установления морфологических признаков, таких как их
принадлежность человеку, разделение по половому признаку, выяснения способа отделения
волос и места их произрастания.
Лучшими природными источниками макро- и микроэлементов являются растения. В
них элементы образуют комплексные и металлорганические соединения, что обуславливает
их функциональную активность, помогает лучшей усвояемости организмом человека.
Химические элементы играют существенную роль в биогенезе большинства биологически
активных веществ. Элементный состав необходимо рассматривать как важную составную
часть лекарственных средств, получаемых из растительного сырья и широко применяющихся
повсеместно. Также с помощью растений удается восстанавливать элементный баланс
организма.
Еще одним объектом исследования в работе были подопытные крысы, геном которых
имеет сходство с геномом человека. Лабораторные крысы использовались для тестирования
при создании лекарственных препаратов ритмомоделирующего действия.
Выбранные объекты представляют особый интерес для аналитической химии, так как
требуют индивидуального подхода при разработке методик анализа методами атомной
спектроскопии.
Поскольку минимальное содержание регламентируемых элементов в пробах волос,
растений и подопытных крыс, как правило, более чем 0,1 мкг/г, целесообразно для проведения
анализа использовать метод дуговой атомно-эмиссионной спектрометрии с многоканальным
анализатором эмиссионных спектров (ДАЭС с МАЭС). Многоканальный анализатор
эмиссионных спектров с использованием фотодиодной линейки в качестве детектора
позволяет автоматизировать многочисленные процедуры проведения спектрального анализа,
снизить пределы обнаружения по ряду элементов и существенно улучшить метрологические
характеристики. В настоящее время отсутствуют метрологически аттестованные методики
количественного анализа методом ДАЭС с МАЭС, что существенно тормозит его применение
и использование в аккредитованных лабораториях. Применяемые в настоящее время для
анализа биосубстратов человека и растений методы атомно-эмиссионной и масс-
спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой обладают более низкими пределами
обнаружения, однако это их достоинство не востребовано для проведения текущих
лабораторных анализов. Кроме того, предъявляются высокие требования, например, массовая
доля кислот не должна превышать 5%, а массовая доля солей не выше 0,1% в анализируемых
растворах, также высоки требования к чистоте применяемых реактивов. При использовании
метода МС-ИСП появляются проблемы, связанные с интерференциями при определении
легких элементов.
Работа выполнена в аккредитованном Томском региональном центре коллективного
пользования, в лаборатории мониторинга окружающей среды (аттестат аккредитации №
РОСС RU.0001.517686) Федерального государственного автономного образовательного
учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский
государственный университет». Исследования выполнялись в рамках федеральной целевой
программы (ФЦП РФ) Субсидия 14.594.21.0001 от 15 августа 2014 г. «Развитие Томского
регионального центра коллективного пользования научным оборудованием для реализации
перспективных междисциплинарных исследовательских проектов по направлению клеточная
и регенеративная медицина».
Цель работы:
1. Разработка методик количественного определения макро- и микроэлементов состава
ряда биологических объектов методом дуговой и пламенной спектрометрии.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
1. С помощью физико-химических методов изучить элементный, молекулярный и фазовый
состав зольного остатка волос, используемого для концентрирования примесей на стадии
пробоподготовки при атомно-эмиссионном спектральном анализе.
2. Разработать способы пробоподготовки, позволяющие учесть матричные влияния и
проводить количественное определение в волосах макроэлементов на уровне
концентраций 100–2000 мкг/г и микроэлементов на уровне концентраций 1–10 мкг/г с
удовлетворительными метрологическими характеристиками.
3. Разработать и аттестовать методику определения элементного состава волос человека
методом ДАЭС с МАЭС для проведения клинико-лабораторных исследований пациентов
в аккредитованных лабораториях.
4. Разработать алгоритм химико-спектрального сопровождения процесса создания
лекарственных препаратов на основе растений Agrimonia pilosa для преодоления
экстремальных нагрузок.
5. Провести практическую апробацию новой методики и предлагаемых подходов в
соответствии с алгоритмом аналитического сопровождения в клинико-лабораторных
условиях.
Научная новизна выполненной работы состоит в следующем:
1. Впервые подробно изучены элементный, молекулярный и фазовый состав зольного
остатка волос – концентратора примесей с целью оптимизации условий проведения
дугового атомно-эмиссионного спектрального анализа.
2. Изучены закономерности матричных влияний при спектральном анализе волос и
предложены эффективные способы их устранения путем введения корректирующих
коэффициентов и добавок.
3. Разработан алгоритм аналитического сопровождения процесса создания лекарственных
препаратов на основе растений Agrimonia pilosa, включающий подходы к анализу
растений, вытяжек из них биологически активных веществ и мозговой ткани подопытных
животных с учетом матричных влияний на содержание регламентирующих элементов.
Практическая значимость работы. Разработана, аттестована и передана для внесения
в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений методика МУ 08-
47/380 «Методика (метод) измерений массовой концентрации элементов в пробах волос
методом атомно-эмиссионного анализа с дуговым возбуждением спектра». Разработанная
методика ДАЭС с МАЭС определения элементного состава волос используется в
аккредитованной лаборатории мониторинга окружающей среды Томского регионального
центра коллективного пользования Федерального государственного автономного
образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский
Томский государственный университет». В течение пяти последних лет совместно с
факультетскими клиниками Сибирского государственного медицинского университета
(СибГМУ) выполнено более 500 анализов волос пациентов различного пола, возраста,
социального статуса, здоровых и имеющих патологии, проживающих на территории Томской
области. Разработанная методика определения элементного состава волос может быть
использована в контролирующих лабораториях медико-диагностического профиля. На
основании предложенного алгоритма аналитического сопровождения доказана перспективная
возможность использования растений Agrimonia pilosa для создания препаратов,
позволяющих снижать экстремальные нагрузки.
1. Впервые проведены исследования по установлению молекулярного, фазового и
элементного состава зольного остатка волос с целью оптимизации дугового атомно-
эмиссионного спектрального анализа. Определены матричные основные компоненты
(CaSO4 и CaCO3), влияющие на формирование аналитического сигнала примесей и
предложены способы их устранения.
2. Оптимизированы способы проведения спектрального анализа основных компонентов,
находящихся в волосах, на уровне концентраций в диапазоне 10–200 мкг/г и более, и
примесей на уровне концентраций 1-10 мкг/г и менее.
3. Разработана и метрологически аттестована методика МУ 08-47/380 «Методика (метод)
измерений массовой концентрации элементов в пробах волос методом атомно-
эмиссионного анализа с дуговым возбуждением спектра». Методика предназначена для
использования в научно-исследовательской лаборатории мониторинга окружающей
среды (НИЛ МОС) входящей в состав аккредитованного Томского регионального центра
коллективного пользования Томского государственного университета.
4. Создана структурно-модельная схема аналитического сопровождения разработки
лекарственных препаратов, обладающих ритмомоделирующим эффектом,
заключающиеся в выборе вариантов пробоподготовок и соответствующих методов
анализа. Подобраны оптимальные условия контроля лития и сопутствующих его
элементов, оказывающих мешающее матричное влияние.
5. Разработаны соответствующие подходы к анализу растений, водных вытяжек, фракций
биологически активных веществ (БАВ) и мозговой ткани подопытных крыс.
6. Представлен широкий спектр практического применения разработанных методик к
анализу биологических объектов.
Читать «Оптимизация условий проведения элементного анализа биологических объектов методами дуговой и пламенной атомно-эмиссионной спектрометрии»
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.9 (522 отзыва)
4.6 (71 отзыв)
4.5 (80 отзывов)
4.6 (92 отзыва)
4.8 (2878 отзывов)
4.5 (330 отзывов)
5 (145 отзывов)
5 (154 отзыва)
5 (9 отзывов)
