Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования «Ярославская государственная медицинская академия федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию»
Кафедра клинической лабораторной диагностики с курсом ФПДО
Методические рекомендации
для курсантов к практическим занятиям теме:
«Роль элементов в биохимических процессах»
В организме человека в настоящее время обнаружено более 80 элементов периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.
Элементы-органогены (C, H, O, N, P, S) составляют более 97% от массы тела. Содержание таких ионов, как Ca2+, Mg2+, Na+, Cl– превышает 10–2 %. Вышеназванные элементы относятся к макроэлементам.
Содержание микроэлементов колеблется на уровне 10–5 – 10–2 %. Если содержание элемента в организме ниже 10–5 %, он относится к ультрамикроэлементам.
|
Массовая доля, % |
Химические элементы, (массовая доля, %) |
|
10 и более |
O (62), C (21), H (10) |
|
1 - 10 |
N (3), Ca (2), P (1) |
|
0,01 - 1 |
K (0,23), S (0,16), Cl (0,1), Na (0,08), Mg (0,027) |
|
10-3 - 10-2 |
Fe (0.01) |
|
10 -4 - 10 -3 |
Zn, Sr |
|
10 -5 - 10 -3 |
Cu, Co, Br, Cs, Si |
|
10 -5 - 10 -4 |
I |
|
10 -6 - 10-3 |
Mn, V, B, Cr, Al, Ba |
|
10 -7 - 10-4 |
Mo, Pb, Ti |
|
10 -6- 10 -5 |
Be, Ag |
|
10 -7- 10 -5 |
Ni, Ga, Ge, As, Hg, Bi |
|
10 -7 - 10 -6 |
Th |
|
10 -12 - 10-4 |
Ru |
Элементы с неизвестной биологической ролью, но постоянно присутствующие в организме, называют примесными. Уровень примесных элементов может колебаться в пределах нескольких порядков. Для этих элементов, как правило, достоверно установлена токсичность.
Катионы щелочных металлов, а также анионы Cl–, SO42-, HCO3–, фосфаты и др. играют важнейшую роль в осмотическом балансе, поддержании кислотно-щелочного равновесия, действуют как переносчики заряда при передаче нервного импульса, участвуют в активации множества ферментов, стабилизации структуры нуклеиновых кислот.
Ионы Ca2+ инициируют сокращение мышц, секрецию гормонов, участвуют в свёртывании крови и других процессах.
Для d-элементов важнейшим свойством является способность к взаимодействию с белками. В соответствии с этим выделяют металлопротеины, в которых ион металла настолько прочно связан с молекулой белка, что его можно рассматривать как составную часть белковой структуры. Извлечь такой ион металла можно лишь сильным химическим воздействием, при этом металлопротеины теряют свою активность. Потеря активности происходит и при замене исходного металла на другой.
Вторая группа – белки, активизируемые металлами. Сюда относятся соединения, в которых ион металла связан с белком обратимо. Связь металл–белок в таких системах гораздо слабее, чем в металлопротеинах, однако именно она определяет механизм реакций, идущих с их участием.
Различные химические формы необходимых и токсичных металлов в клетке носят название «металлом». Расшифровка металлома позволяет по-новому взглянуть на роль элементов в норме и при патологии.
Каждый микроэлемент имеет диапазон безопасных концентраций, в котором находится оптимум концентраций, обеспечивающий нормальную жизнедеятельность организма.
В настоящее время не вызывает сомнения грандиозная роль металлов в многообразных функциях организма и каждой клетки в отдельности.
Механизмы действия металлов:
Поступление металлов в организм
Химические элементы поступают в организм с аэрозолями через органы дыхания и кожу, а также с пищей и водой через желудочно-кишечный тракт.
Контакт химических соединений с кожей, эпителием дыхательных путей и слизистой оболочкой желудочно-кишечного тракта приводит к их всасыванию в кровь и лимфу. Завершив цикл прохождения через печень, соединения некоторых элементов могут реабсорбироваться из желудочно-кишечного тракта. После попадания в системный кровоток элементы распределяются по органам и тканям.
Как правило, ионные формы неорганических соединений плохо всасываются из желудка, поэтому основным источником поступления элементов в кровь и лимфу является кишечник. Большая доля тяжелых металлов всасывается в двенадцатиперстной кишке и в средней части тонкой кишки, рН содержимого которых не превышает рК равновесных процессов образования основных солей и гидроксидов. В толстой кишке (рН~8,0) образуются малорастворимые гидроксиды и основные соли, всасывание которых затруднено; они подвергаются кишечной экскреции.
Основными механизмами переноса различных химических форм элементов через слой эпителиальных клеток кишечника – энтероцитов являются диффузия и активный транспорт. В качестве регуляторов транспорта и переносчиков выступают различные белки.
Неорганические соединения могут поступать в организм через дыхательные пути в молекулярной (летучие карбонилы Ni(CO)4 и оксиды SeО2, ОsО4, Тl2О) или атомарной (пары металлов Hg, Zn, Pb) форме. Микрочастицы размером от 5 нм до 50 мкм малорастворимых оксидов, солей, гидроксидов поступают в организм в виде аэрозолей вместе с вдыхаемым воздухом. Токсичные вещества могут всасываться практически на любом участке эпителия дыхательных путей. Доля вещества, поступившего в кровь и лимфу, возрастает с ростом периода задержки в органах дыхания. Многие металлы поглощаются легкими в десятки раз эффективнее, чем кишечником. Это вполне объяснимо, поскольку общая площадь внутренней поверхности легких составляет около 60 м2.
Значительная доля микрочастиц поступает в желудок через носоглотку. Вещества, поступившие в желудочно-кишечный тракт, при всасывании попадают в печень через портальную венозную систему, а затем выделяются с желчью в кишечник или достигают системного кровотока.
Поступление неорганических веществ в организм при абсорбции через кожу происходит при случайных контактах с ядами, а иногда пр использовании лекарственных средств. Так, например, чрезвычайно опасно пребывание в помещении с высоким содержанием паров металлической ртути, которая легко абсорбируется через кожу. При длительном применении препаратов серебра (протаргола, колларгола, рас твора AgNO3) для лечения язв, трещин, эрозий возникает аргирия ("посиневший" больной), обусловленная образованием металлического серебра и тиолатов (соединений и SH-группами белков), придающих коже темно-синее окрашивание.
Абсорбция металлов осуществляется через эпидермис, сальные железы и волосяные фолликулы. Эффективность кожной абсорбции значительной мере определяется физико-химическими свойствами: размером молекул, растворимостью в воде и липидах степенью ионизации, способностью гидролизоваться. На абсорбции существенно влияют кислотность (рН) эпидермиса и дермы, температура, скорость кровотока.
При накожной аппликации происходит абсорбция солей меди, золота, серебра, бериллия, цинка, ртути, таллия, мышьяка, хрома, кобальта, никеля. Некоторые неорганические соединения этих элементов вызывают аллергические реакции и дерматиты.
Механизмы токсичности металлов
Токсическое воздействие неорганических веществ проявляется как общими неспецифическими, так и специфическими признаками.
Имеется много общего в механизмах токсичности разнообразных металлических токсикантов. Прежде всего это касается механизмов транспорта металлов. Для проявления токсических свойств ион металла должен пересечь биологическую мембрану и проникнуть внутрь клетки.
Если элемент находится в химической форме, растворимой в липидах (например, мышьяк или ртуть в виде алкильных производных), то диффузия через липидные слои клеточной мембраны происходит беспрепятственно. При связывании металла с белком, например кадмия с металлотионеином, металл попадает в клетку путем эндоцитоза, включающего пиноцитоз и фагоцитоз.
Некоторые ионы могут транспортироваться в свободной форме (например, ионы свинца) через кальциевые каналы.
Транспорт ионов может осуществляться в виде комплексов с эндогенными лигандами по специфическим транспортным системам, предназначенным непосредственно для их переноса. Известно множество белков-переносчиков, которые осуществляют транспорт металлов через мембраны клеток и внутриклеточных органелл. Для переноса через плазматические мембраны ванадаты VO43– и арсенаты AsO43– структурно подобные фосфату PO43–, используют фосфатные транспортные системы, тогда как хроматы CrO42–, молибдаты MoO42– и селенаты SeО42– используют транспортные механизмы изоморфного сульфата SО42–.
Токсичные элементы, как и избыточные количества необходимых элементов, могут вызывать необратимые смещения динамических равновесий в биологических системах, приводящие к развитию патологии или к смерти. Повреждающее действие химического агента проявляется на различных структурных уровнях, начиная с молекулярного. Наиболее важными аномальными эффектами неорганических веществ на молекулярном уровне являются ингибирование ферментов, необратимые конформационные изменения макромолекул (белков, нуклеиновых кислот) и как следствие изменение скорости биосинтеза, биотрансформации, а также возникновение мутаций.
Белки могут играть защитную роль, снижая токсичность металла. Наиболее исследованы в этом плане металлотионеины. Низкомолекулярные металлотионеины (6000 г/моль) имеют высокое сродство к жизненно необходимым и токсичным металлам, в первую очередь ионам меди, цинка, ртути, кадмия, серебра. Интенсивность синтеза металлотионеинов в значительной степени зависит от поступления в организм токсичных металлов.
В клинической лабораторной диагностике используются следующие показатели:
3.1. Кальций сыворотки
Норма: общий – 8,5–10,3 мг% (2,1–2,6 ммоль/л); ионизированный – 4,2–5,2 мг% (1,05-1,3 ммоль/л).
При проведении анализа следует соблюдать следующие предосторожности: Посуда, используемая для анализа, должна быть такой, чтобы из нее в пробу не попадал кальций. Забор пробы необходимо производить натощак. Сыворотку следует быстро отделять от сгустка.
Физиологическая основа. На содержание кальция в плазме и других жидкостях организма влияют питание, состояние эндокринной системы, почек, желудочно-кишечного тракта. Для интерпретации результатов необходимо также определять концентрацию альбумина в плазме, так как часть кальция находится в связанном с белками плазмы состоянии.
Интерпретация. Повышение показателя имеет место при гиперпаратиреозе, секреции паратиреоидподобного гормона злокачественными опухолями, гипервитаминозе D, молочно-щелочном синдроме, остеолитических процессах, например при множественной миеломе, метастазах опухоли в кости, болезни Паже, болезни Бека, при иммобилизации и семейной гипокальциурии. Иногда повышение наблюдается при гипертиреозе и при приеме лекарственных препаратов из группы тиазидов.
Снижение показателя имеет место при гипопаратиреозе, дефиците витамина D (рахит, остеомаляция), почечной недостаточности, гипопротеинемии, синдроме малабсорбции (илеите, недостаточности поджелудочной железы), тяжелом панкреатите с панкреонекрозом и при псевдогипопаратиреозе.
3.2. Кальций мочи (суточная экскреция)
Обычно экскреция кальция с мочой составляет 50-150 мг за 24 ч в зависимости от потребления (СИ: 1,2–3,7 ммоль/24 ч).
Предосторожности. В течение трех дней перед исследованием пациент не должен есть молоко и сыр; при количественном определении назначается трехдневная диета, содержащая около 150 мг кальция в день. Для количественной оценки экскреции кальция мочу необходимо собирать точно за 24 ч.
Интерпретация. При "количественной" диете экскреция кальция в норме составляет 125 ± 50 мг (3,1 ммоль/л) за 24 ч. При гиперпаратиреозе экскреция кальция обычно превышает 200 мг/24 ч (5 ммоль). Экскреция с мочой повышается практически всегда, когда концентрация в сыворотке повышена.
3.3. Церулоплазмин и медь в сыворотке
Норма: церулоплазмин – 25–43 мг% (1,7–2,9 мкмоль/л); медь – 100–200 мг% (16-31 мкмоль/л).
Физиологическая основа. Около 5% меди сыворотки непрочно связано с альбумином, 95% – с церулоплазмином, окислительным ферментом, являющимся α2-глобулином голубого цвета. При болезни Вильсона содержание меди и церулоплазмина в сыворотке снижено, а концентрация меди в моче высокая.
Интерпретация. Повышение показателя имеет место при беременности, гипертиреозе, инфекции, апластической анемии, остром лейкозе, лимфогранулематозе, циррозе печени, при применении оральных контрацептивов.
Снижение показателя имеет место при болезни Вильсона (в сочетании с повышенной экскрецией меди с мочой), малабсорбции, нефрозе, при дефиците меди, возникающем при парентеральном питании.
3.4. Хлориды в сыворотке и плазме
Норма: 96-106 ммоль/л.
Предосторожности. Определение этого показателя в цельной крови дает заниженные результаты по сравнению с плазмой или сывороткой; для анализа следует использовать только плазму или сыворотку.
Физиологическая основа. Хлорид – важный неорганический анион внеклеточной жидкости. Он играет существенную роль в поддержании кислотно-щелочного равновесия, хотя сам не проявляет буферного действия. При потере хлоридов в виде HCl или NH4Cl развивается алкалоз; при потреблении хлоридов – ацидоз. Хлориды (с натрием) играют важную роль в регуляции осмолярности жидкостей организма.
Интерпретация. Повышение показателя имеет место при почечной недостаточности (когда потребление хлоридов превышает экскрецию), нефрозе (иногда), почечном канальцевом ацидозе, гиперпаратиреозе (иногда), уретросигмоидном анастомозе (реабсорбция из мочи в кишечнике), дегидратации (дефиците воды), при передозировке солевых растворов.
Снижение показателя имеет место при желудочно-кишечных заболеваниях, сопровождающихся потерей содержимого желудка или кишечника (рвота, понос, нарушение желудочно-кишечного всасывания), почечной недостаточности (с потерей солей), передозировке мочегонных, хроническом дыхательном ацидозе (эмфизема), диабетическом ацидозе, повышенной потливости, адреналовой недостаточности (теряется NaCl), гиперадренокортицизме (хроническая потеря К+), метаболическом алкалозе (потребление NaHCO3, дефицит К+).
3.5. Железо в сыворотке
Норма: 50–175 мкг% (9–31,3 мкмоль/л).
Предосторожности. Шприцы и иглы не должны отдавать железо в раствор. Следует избегать гемолиза, cыворотка не должна содержать гемоглобин.
Физиологическая основа. Исследовать кровь на железо необходимо натощак, поскольку имеются суточные колебания его уровня с максимальными значениями по утрам. Уровень железа в плазме определяется рядом факторов, в том числе всасыванием в кишечнике, накоплением в кишечнике, печени, селезенке, костном мозге, разрушением и потерей гемоглобина, синтезом нового гемоглобина.
Интерпретация. Повышение показателя имеет место при гемохроматозе, гемосидерозе (вследствие множественных трансфузий, передозировки препаратов железа), при гемолитических болезнях, пернициозной анемии, гипопластической анемии. Часто повышение встречается при вирусном гепатите. Ложное повышение может отмечаться в тех случаях, когда больной в течение 2-3 месяцев перед исследованием получал парентерально препараты железа.
Снижение показателя имеет место при дефиците железа, инфекциях, нефрозе, хронической почечной недостаточности; в период активного гемопоэза.
3.6. Магний сыворотки
Норма: 1,8–3 мг% (0,75-1,25 ммоль/л)
Физиологическая основа. Магний является преимущественно внутриклеточным электролитом. Внеклеточно он способствует нервно-мышечному возбу ждению. Дефицит магния может наблюдаться при его нормальном или слегка сниженном содержании во внеклеточных жидкостях. Низкий уровень магния в плазме приводит к тетании, слабости, сонливости, дезориентации.
Интерпретация. Повышение показателя имеет место при почечной недостаточности и при передозировке растворов магния.
Снижение показателя имеет место при хронической диарее, острой потере кишечной жидкости, голодании, хроническом алкоголизме, хроническом гепатите, печеночной недостаточности, повышенном мочеотделении (диуретики), неадекватном парентеральном питании. Недостаток магния может наблюдаться при гипокальциемии и, более того, может поддерживать ее у пациентов с гипопаратиреозом.
3.7. Неорганический фосфор сыворотки
Норма: дети – 4–7 мг% (1,3–2,3 ммоль/л); взрослые – 3–4,5 мг% (1–1,5 ммоль/л).
Предосторожности. Посуду, мытую с помощью моющих средств, содержащих фосфат, следует тщательно ополаскивать. Кровь необходимо брать натощак, чтобы исключить послеобеденное снижение фосфата, связанное с транспортом и метаболизмом глюкозы.
Физиологическая основа. На концентрацию неорганического фосфата в циркулирующей плазме влияют функция паращитовидных желез, витамин D), всасывание в кишечнике, функция почек, метаболизм костной ткани и питание.
Интерпретация. Повышение показателя имеет место при почечной недостаточности, гипопаратиреозе и гипервитаминозе D.
Снижение показателя имеет место при гиперпаратиреозе, гиповитаминозе D (рахит, остеомаляция), синдроме малабсорбции (стеаторея), приеме антацидов, которые связывают фосфаты в кишечнике, голодании или кахексии, хроническом алкоголизме (особенно при поражении печени), передозировке растворов, бедных фосфатами, введении углеводов (особенно внутривенно), нарушении функции почечных канальцев, использовании мочегонных группы тиазида, нарушениях кислотно-щелочного равновесия, диабетическом кетоацидозе (особенно, при выздоровлении) и наследственной гипофосфатемии; иногда при беременности и гипотиреозе.
3.8. Калий сыворотки или плазмы
Норма: 3,5–5 ммоль/л.
Предосторожности. Следует избегать гемолиза, при котором высвобождается К+ эритроцитов; необходимо быстро отделять сыворотку от сгустка или плазму от эритроцитов, чтобы избежать диффузии калия из эритроцитов. Тромбоциты и лейкоциты богаты калием, и если этих клеток много, то за счет калия, освобождающегося из них при свертывании крови, будет повышаться его концентрация в сыворотке. Чтобы избежать возможных ошибок, лучше использовать плазму гепаринизированной крови.
Физиологическая основа. Концентрация калия в плазме регулирует нервно-мышечное и мышечное возбуждение. Повышение или снижение концентрации калия нарушает способность мышечной ткани к сокращению.
Интерпретация. Повышение показателя имеет место при почечной недостаточности (особенно, при повышенном уровне белкового или клеточного распада), недостаточности функции надпочечников (особенно при гипоальдостеронизме), гипоренинемическом гипоальдостеронизме, при применении верошпирона, слишком быстром введении солевых растворов (особенно внутривенно).
Снижение показателя имеет место:
3.9. Натрий сыворотки или плазмы
Норма: 136-145 ммоль/л.
Предосторожности. Следует тщательно мыть лабораторную посуду.
Физиологическая основа. На долю натрия приходится около 140 из 155 ммоль катионов плазмы. Вместе с ассоциированными с ним анионами он является основным осмотически активным компонентом плазмы, существенно влияющим на распределение воды в организме. Перемещение натрия в клетки или потеря натрия организмом приводит к снижению объема внеклеточной жидкости, влияя на кровообращение, функцию почек и нервной системы.
Интерпретация. Повышение показателя имеет место при дегидратации (дефицит воды), травмах или заболеваниях нервной системы, гиперадренокортицизме с гипералъдостеронизмом или при избытке кортикостероидов.
Снижение показателя имеет место при недостаточности функции надпочечников, почечной недостаточности, особенно в сочетании с неадекватным потреблением натрия; при почечном каналыдевом ацидозе; при физиологическом ответе на травму или ожог (перемещение натрия в клетки); при потерях через желудочно-кишечный тракт или при острой и хронической диарее, при кишечной непроходимости или фистуле; при необычной потливости с неадекватной компенсацией утраты натрия. У ряда пациентов с отеками, связанными с сердечными или почечными заболеваниями, концентрация натрия в сыворотке низкая, хотя общее содержание натрия в организме выше, чем в норме. К этой парадоксальной ситуации приводят задержка воды (повышение антидиуретического гормона, АДГ) и аномальное перераспределение натрия между внутриклеточной и внеклеточной жидкостью. Гипергликемия приводит иногда к перемещению жидкости из внутриклеточного во внеклеточное пространство, вызывая гипонатриемию из-за разведения.
Артефакт: при измерении на плазменном фотометре натрий сыворотки или плазмы окажется заниженным при наличии гиперлипидемии или гиперглобулинемии; при этих нарушениях объем, обычно занятый водой, занят другими веществами; в сыворотке и плазме будут, следовательно, "занижены" показатели воды и электролитов. При гипергликемии концентрация натрия в сыворотке будет снижаться на 1,6 ммоль/л на каждые 100 мг% глюкозы (при ее общей концентрации превышающей 200 мг%) из-за перемещения воды вовнеклеточное пространство.
3.10. Натрий и калий слюны
Сотрудниками Нижегородского НИИ детской гастроэнтерологии разработана функциональная система здоровья, включающая оценку соотношения ионов калия и натрия слюны в качестве индикатора отклонений на ранних этапах формирования патологического процесса.
3.11. Экскреция йода с мочой в эпидемиологических исследованиях: если медиана экскреции йода с мочой менее 100 мкг/л, это может свидетельствовать о наличии дефицита йода в исследуемой популяции.
3.12. Мониторинг концентрации ионов лития. Препараты лития (лития карбонат и лития оксибутират) применяются при маниакальных и гипоманиакальных состояниях, при аффективных психозах. Данные препараты имеют малую терапевтическую широту, поэтому во избежание токсических реакций следует контролировать концентрацию лития в крови. Концентрация ионов лития должна находиться в пределах 0,5 – 1,5 ммоль/л.
При диагностике отравлений металлическими ядами осуществляется обнаружение и количественное определение металлов в биологических объектах и вещественных доказательствах.
4.1. Основы пробоподготовки при элементном анализе
Элементный анализ биологических объектов представляет собой задачу обнаружения малого сигнала на фоне сильного шума. Самый привлекательный способ решения такой задачи – использование прямых инструментальных методов анализа, когда применяемое оборудование, современные методы распознавания образцов и обработки информации позволяют отделить аналитический сигнал от всех видов наложений и искажений и измерить его в чистом виде. Однако в большинстве случаев даже с помощью самой современной аппаратуры и вычислительной техники не удается с достаточной точностью учесть влияние состава пробы (особенно биологической матрицы) на результат анализа. Чаще всего аналитики вводят операции разложения (минерализации) пробы и последующего концентрирования микропримесей.
Разложение пробы. Разложение проб биологических материалов можно осуществлять тремя способами: разложением легкорастворимых соединений в воде, малорастворимых соединений при обычном давлении и трудно растворимых соединений в замкнутых реакционных сосудах при повышенных давлениях.
К легкорастворимым соединениям относится большинство солей, гидроксиды и некоторые другие соединения. Растворение их в воде не представляет особых трудностей. Основную роль в этом случае играет чистота воды. Так как на растворение 1 г пробы расходуется в среднем 5—15 мл, то растворитель должен быть как минимум на 2—3 порядка чище анализируемого образца. Воду достаточно высокой чистоты получают при ионообменной очистке, но она может быть загрязнена органическими примесями из ионообменных смол. Удовлетворительного качества воду можно получить в результате двойной или тройной перегонки. Полученная перегонкой высокочистая вода может недолго храниться в специальной посуде из кварца, поэтому рекомендуется использовать свежеперегнанную воду.
При разложении малорастворимых соединений их переводят в раствор непосредственно или путем образования нового, хорошо растворимого соединения. При анализе органических веществ и биологических объектов используют следующие способы растворения (минерализации) пробы:
– сухая минерализация, в том числе озоление на воздухе и в атмосфере кислорода или иных реакционных газов; термическое разложение или пиролиз;
– мокрая минерализация азотной, хлорной, серной, другими кислотами и их смесями, в том числе в присутствии пероксида водорода или других окислителей.
Мокрая минерализация во многих случаях удобнее сухой: уменьшается вероятность потерь легколетучих форм определяемых микроэлементов. Для растворения некоторых соединений их достаточно обработать кислотой при температуре ее кипения.
Концентрирование микропримесей. За операцией разложения пробы обычно следует операция концентрирования микропримесей, в резуль тате которой увеличивается отношение содержания микрокомпонента (примеси) к содержанию макрокомпонента (основы). Основные мето ды концентрирования — экстракция, сорбция, электролитическое вы деление и др.
4.2 Качественные химические реакции
Качественные химические реакции как правило мало применимы для клинических анализов вследствие низкой специфичности и плохой воспроизводимости, а также затруднённой количественной оценки. Вместе с тем, цветные реакции, а иногда и реакции образования осадков, лежат в основе многих фотометрических методов, например:
Na+ + уранилацетат калия + Zn2+ + тиогликоль → окраска
K+ + тетрафенилборат натрия → мутность
4.3. Экстракционная фотометрия
В основе данных методов лежит способность комплексов металлов с органическими комплексообразователями при определённых значениях pH экстрагироваться в органическую фазу. Количественная оценка осуществляется путём измерения оптической плотности раствора, содержащего окрашенный комплекс.
Примеры использования:
Достоинства:
Недостатки:
4.4. Наиболее прогрессивными методами являются методы атомной спектрометрии
Атомно-спектральные методы анализа основаны на измерении спектров электромагнитного излучения, обусловленных химической индивидуальностью определяемых компонентов. Возбуждение атомов пробы происходит при воздействии тепловой, электромагнитной, химической, электрической энергии.
Атом представляет собой ядро, окруженное электронами, которые находятся на атомных орбиталях с определенными уровнями энергии. Чем дальше от ядра расположена орбиталь, тем выше уровень ее энергии.
Когда электрон размещается на ближайших к ядру орбиталях с наименьшей энергией, атом находится в устойчивом, основном состоянии. При получении энергии в результате электромагнитного излучения или столкновения с другой частицей электрон перемещается с орбитали основного состояния на более удаленную орбиталь с более высоким уровнем энергии. При этом атом переходит в возбужденное состояние. Атом в возбужденном состоянии неустойчив, и электрон возвращается на орбиталь с меньшим уровнем энергии с испусканием электромагнитного излучения.
Световая (электромагнитная) энергия излучается атомами в виде линейчатого спектра с дискретными значениями длин волн. Для испускания квантов света определенной частоты, т.е. для появления в спектре определенной спектральной линии, необходима совершенно определенная энергия, которую называют потенциалом возбуждения. Величина потенциала возбуждения зависит от строения атома, массы и заряда ядра, числа электронов и других характеристик. Каждому виду атомов соответствуют характеристическое излучение, собственный ряд длин волн поглощения и эмиссии. Характеристическое излучение может наблюдаться в ультрафиолетовой и видимой частях электромагнитного спектра (160—800 нм).
Атомно-абсорбционная спектроскопия
Метод основан на определении поглощения света атомами исследуемого образца. При ААС регистрируются спектры поглощения атомов и простых молекул, находящихся в газообразном состоянии в пламени, освещаемым мощным источником света. В качестве источника света используется мощная лампа с полым катодом, которая излучает свет, содержащий спектральные линии исследуемого элемента.
Для перевода исследуемой пробы в газообразное состояние применяются горелки и форсунки. Выделение определенных линий элемента осуществляется монохроматором, а регистрация излучения фотоумножителем.
Подаваемый в форсунку раствор, содержащий исследуемый элемент, распыляется с помощью воздуха (или O2 или N2O) и смешивается с газом (пропан, ацетилен).
При сгорании раствора в пламени горелки, содержащиеся в нем исследуемые элементы переходят в газообразное состояние, образуя отдельные атомы (атомный пар).
Число возбужденных атомов увеличивается с ростом температуры, которая зависит в основном от теплотворной способности создающего пламя газа.
В последнее время широко используются атомизаторы с графитовым стержнем
Излучение попадает на входную щель монохроматора, установленного таким образом, что выделяется из спектра только резонансная линия определяемого элемента, интенсивность которой измеряется фотоэлектрическим способом.
Измеряют уменьшение интенсивности резонансной линии вследствие поглощения ее атомами определяемого элемента, принимая интенсивность ослабленной линии за 100%.
Величина поглощения резонансного излучения пропорциональна числу атомов, находящихся в поглощающем слое. Зависимость между ослаблением интенсивности излучения источника света (I) и концентрацией вещества (с) может быть выражена уравнением:
I = I0 ·е-kcl
I0 - интенсивность резонансного излучения
I - интенсивность излучения прошедшего сквозь поглощающий слой
k - коэффициент поглощения света
c - концентрация поглощаемого компонента
l - толщина поглощающего слоя.
Достоинства метода:
Недостатки:
Атомно-эмисионная спектроскопия с индуктивно связанной плазмой
В атомно-эмиссионной спектрометрии анализируемая проба подвергается действию высоких температур, достаточных не только для диссоциации на атомы, но и для возбуждения и ионизации атомов. Возвращаясь из возбужденного в состояние с меньшей энергией, атомы испускают электромагнитное излучение на определенных длинах волн, которое измеряется и используется для идентификации исследуемых элементов. Так как количество передаваемой от атома к атому энергии изменяется в широких пределах, разные атомы оказываются в различных возбужденных состояниях, т.е. их электроны находятся на разных энергетических уровнях. Эмиссионный атомный спектр крайне сложный, многолинейчатый, так как выделение энергии происходит со всех энергетических уровней, расположенных выше основного,
В качестве источника возбуждения в АЭС используются:
- пламя (2000-3000°С);
- печи (3000-4000°С);
- электрические разряды, имеющие более высокую температуру, чем пламена и печи;
Плазма – светящийся газ, в котором более 1% атомов и молекул ионизированны. Таким образом это газообразный проводник. Способность взаимодействовать с магнитными полями позволяет связать ее с источником высокочастотной энергии.
В качестве газа используется аргон, так как энергия ионизации у него ниже, чем у двухатомных газов.
Достоинства:
Недостатки:
Масс-спектромерия с ионизацией в индуктивно-связанной плазме
Проба в виде мелкодисперсного аэрозоля вводится в центральный канал плазменного факела, где происходит ее атомизация и ионизация. Образующиеся в плазме ионы экстрагируются из плазмы через отверстие пробоотборника в вакуумную камеру, где расположен квадрупольный масс-анализатор. Ионный ток с выхода масс-анализатора детектируется вторичным электронным умножителем. Полученные данные затем обрабатывается высокопроизводительным компьютером.
Достоинства метода:
Пламенная фотометрия
Пламя может использоваться не только как атомизатор при измерениях сигнала атомной абсорбции (о чём было сказано выше), но и служить источником возбуждения эмиссионных спектров элементов.
Для измерения интенсивности излучения применяют фотометры, снабженные светофильтрами для выделения нужных участков спектра.
Рентгено-флюоресцентная спектроскопия
Метод основан на характеристическом рентгеновском излучении при переходе электрона с внешней орбитали на вакантную орбиталь внутренней оболочки атома.
На 1-ой стадии анализируемый образец бомбардируется электронами или облучается электромагнитным излучением, что приводит к «выбиванию» одного электрона с внутренней оболочки атома.
На 2-ой стадии один из электронов внешней оболочки атома переходит на вакантную внутреннюю орбиталь, что сопровождается рентгеновским излучением, являющегося индивидуальным для каждого из элементов.
Спектр, полученный таким способом, называется флуоресцентным или вторичным.
Количественное определение основано на пропорциональной зависимости между интенсивностью линии характеристического излучения и концентрации элемента в пробе.
Достоинства метода:
Недостатки:
Нейтронно-активационный анализ
Основан на возбуждении (активации) стабильных ядер элементов при их облучении потоками ядерных частиц или квантов с достаточной энергией и регистрацией т.н. наведенной радиоактивности.
На 1-ой стадии анализируемый образец подвергается облучению потоком нейтронов в ядерном реакторе (минуты, часы, дни). При сближении нейтрона с ядром до расстояния, на которых действуют ядерные силы, нейтрон захватывается ядром – образуется т.н. составное ядро.
На 2-ой стадии нестабильное составное ядро быстро (в течение 10–15 с) распадается на продукты реакции, которые представляют собой изотопы исходного или соседнего (по периодической таблице) элемента и характеризующиеся новым сочетанием заряда ядра и массового числа.
Образовавшиеся новые неустойчивые ядра претерпевают самопроизвольный радиоактивный распад. Периоды полураспада составляют от нескольких секунд до нескольких (или даже многих) лет. Этот процесс сопровождается гамма-излучением и в более 90% случаях β-распадом. Эти ядерные характеристики строго индивидуальны для каждого ядра, поэтому их измерение обеспечивает высокую специфичность метода.
Достоинства:
Недостатки:
4.5. Электрохимические (ионометрические) методы
Одним из современных физико-химических методов анализа, позволяющих следить за изменением концентрации электролитов в биологических жидкостях, является ионометрия - потенциометрический метод исследования состава раствора с применением ионоселективных электродов (ИСЭ).
В настоящее время выпускается около 30 ионоселективных электродов, при помощи которых можно прямо или косвенно определить концентрацию более 50 катионов, анионов, а также молекулярных соединений. Из них наибольшее применение нашли электроды, чувствительные к ионам F-, Cl-, CN-, S2-, NO3-, NH4+, Pb2+, Cu2+, Ni2+, Ca2+, Z(Ca2+, Mg2+), а также ИСЭ для определения газов (CO2, NH3, HCl, H2S, HCN, NO) и молекул (ацетилхолин, мочевина).
В ионометрии в роли индикаторных электродов используют ионоселективные электроды (далее – ИСЭ). Их аналитическими характеристиками - селективностью, диапазоном линейности электродной функции, временем отклика потенциала на изменение концентрации потенциалопределяющего иона - определяется точность и стабильность ионометрии.
Основой ИСЭ является полупроницаемая мембрана, обладающая селективной ионной проводимостью.
Возникновение мембранного потенциала (при возможности его определения) и используют для измерения активности ионов.
Селективная проницаемость большинства мембран объясняется их ионообменными свойствами, способностью проявлять свойства ионита. Основная особенность ионитов - способность к ионному обмену между противоионами ионита и ионами контактирующего с ним раствора. Если катионит R-X (то есть ионит с положительно заряженными противоионами) приведен в контакт с раствором электролита, содержащим катион M+, то в этой гетерогеннной системе протекает процесс обмена ионами:
X+(мембрана) + M+(раствор) ↔ X+(раствор) + M+(мембрана)
Процесс этот состоит из трёх стадий
а) проникновение иона M+ в мембрану,
б) его перемещение внутри мембраны,
в) освобождение иона на границе раздела мембрана - водный раствор.
Таким образом, за счёт способности к ионообмену через тонкий слой полупроницаемой мембраны ионита из одного раствора в другой селективно перемещаются ионы и мембрана приобретает ионную проводимость. Особенностью мембранного потенциала является то, что в соответствующей ему электродной реакции не участвуют электроны. Здесь имеет место обмен ионами между мембраной и раствором.
Разность потенциалов между двумя растворами, расположенными с двух сторон ионоселективной мембраны, может быть измерена. Для этого необходимо обеспечить электрический контакт между внутренним раствором (стандартный раствор I с известной концентрацией электролита) и исследуемым раствором II, для чего используют электроды сравнения 1 и 2 - хлорсеребряные или каломельные.
Ионометрия имеет ряд преимущества по сравнению с другими методами:
1) Она представляет собой идеальный метод анализа прежде всего водных растворов и проб, хорошо растворимых в воде или содержащих легкорастворимые в воде компоненты. Специфическая особенность ионометрии состоит в том, что метод позволяет определять активную концентрацию иона на фоне его общей концентрации, и в этом отношении ионометрия уникальна.
2) Измерения можно проводить в непрозрачных, мутных и окрашенных средах, даже в вязких пастах. При этом исключаются длительные, трудоёмкие операции фильтрования, дистилляции и экстрагирования.
3) Время установления равновесного потенциала ИСЭ обычно невелико, что позволяет автоматизировать контроль за водной и воздушной средами.
4) Ионометрия относится к группе неразрушающих методов контроля, и анализируемый раствор может быть использован для дальнейших исследований.
5) Для ионометрии характерен широкий диапазон измерений, что позволяет определять содержание как основных макрокомпонентов смеси, так и фиксировать микропримеси с достаточной надежностью. Интервал определения активности ионов в различных природных и промышленных объектах находится в пределах от 1 до 10-6 моль/л, но возможно определение и до 10-8 моль/л. Погрешность определения при прямой потенциометрии (т.е. определении активности и концентрации по измеренным значениям электродного потенциала и ЭДС) составляет 2-10%.
6) Унифицированность аппаратуры, её сравнительная (в сопоставлении с другими физико-химическими методами анализа) дешевизна, возможность создания не только стационарных, но переносных приборов также являются достоинствами ионометрии.
Перечисленные преимущества метода позволяют широко использовать его для медико-биологических целей.
Как и любому методу анализа, ионометрии присущ и ряд недостатков. Так, селективность основной части электродов не так велика, чтобы производить непосредственное измерение активности интересующего иона в любой анализируемой среде. В некоторых случаях состав раствора должен быть приблизительно известен, чтобы оценить влияние мешающих ионов, на которые данный электрод даёт отклик или предотвратить это влияние реакциями комплексообразования, осаждения или ионообмена.
Возможность создания электродов, чувствительных к многозарядных ионам, ограничена точностью измерения ЭДС. Кроме того, для всех электродов характерен дрейф стандартного потенциала, что главным образом зависит от изменения температуры окружающей среды. В лабораторных условиях электрод показывает дрейф потенциала, составляющий примерно 2 мВ/сутки. Наличие дрейфа требует периодической градуировки электрода.
4.6. Ионная хроматография
Развитие высокоэффективной жидкостной хроматографии высокого давления стимулировало развитие нового направления в ионообменной хроматографии - так называемой ионной хроматографии. Ионная хроматография - это вариант ионообменной хроматографии, включающий ионообменное разделение ионов и кондуктометрическое определение концентрации хроматографически разделенных ионов.
Широкое распространение ионной хроматографии обусловлено рядом ее достоинств:
4.7. Капиллярный электрофорез
Капиллярный электрофорез (КЭФ) – новый высокоэффективный метод разделения и анализа компонентов сложных смесей. При анализе методом КЭФ пробу небольшого объема вводят в кварцевый капилляр, заполненный электролитом. К капилляру прикладывают напряжение от 10 до 30 кВ. Под действием электрического поля компоненты пробы начинают двигаться по капилляру с разной скоростью, зависящей от их структуры, заряда и молекулярной массы, и, соответственно, в разное время достигают детектора.