eng
Выпуск #2/2015
А.Исаева, А.Землянкина, А.Захарова, И.Гринштейн
Комплексная оценка элементного состава волос и ногтей методами РФА и ИСП-АЭС
Комплексная оценка элементного состава волос и ногтей методами РФА и ИСП-АЭС
Просмотры: 3742
Современная медицина использует широкий спектр диагностических процедур. Наряду со сложными высокотехнологичными и дорогостоящими методами анализа востребованы более простые и наглядные способы оценки состояния человеческого организма. Ведутся разработки методик определения элементного состава различных биоматериалов для изучения элементного баланса в организме человека. В статье предложен комплексный подход: сначала предварительный анализ методом РФА, который позволяет быстро и легко получить информацию о содержании элементов, а затем более точный анализ проб методом ИСП-АЭС. Подобраны оптимальные условия подготовки проб.
Информация об элементном составе ногтей и волос человека позволяет судить как об общем состоянии здоровья, физическом развитии, неврологическом уровне и отравлении токсичными металлами, так и о загрязненности экосистемы проживания [1, 2].
Пути поступления химических элементов в организм разнообразны (рис.1). Основная масса химических элементов попадает с пищей и питьевой водой, меньшие количества – с вдыхаемым воздухом и через кожу. По содержанию в организме элементы делятся на макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы. С точки зрения воздействия на живые системы элементы можно разделить на:
необходимые (при их недостатке в организме возникают функциональные нарушения, устраняемые путем введения элемента);
инертные (при определенных концентрациях безвредные, они не оказывают влияния на организм);
терапевтические агенты, например, известно использование соединений ртути против паразитов);
токсичные (многие металлы при определенных концентрациях) причиняют вред организму, иногда необратимый, что ведет к функциональным нарушениям, деформациям и нередко к смерти [4].
Особенно хорошо известно токсическое действие тяжелых металлов. В зависимости от концентрации и времени контакта один и тот же металл может выступать по одному из перечисленных типов и действовать по-разному, даже в одном и том же организме.
Особенности их токсического действия заключаются во влиянии на живые организмы в качестве общеплазматических ядов и способности к образованию комплексов с компонентами клеток, белков, аминокислот и других радикалов [4]. Воздействие тяжелых металлов на организм заключается в нарушении структуры коллоидных систем, осаждении белков, связывании и блокировании активных центров ферментов.
На сегодняшний день существует много методик по определению содержания различных элементов в таких биопробах как: волосы, ногти, кровь (цельная, а также сыворотка и плазма), моча и т.д.
Оценить содержание элементов в организме человека можно как по результатам анализа нескольких типов проб, так и по отдельности. Однако волосы и ногти при таком анализе предпочтительнее, так как обладают рядом преимуществ: доступность, наглядность (имеют свойство накапливать элементы), удобство при хранении и транспортировке.
Немаловажен также и выбор метода анализа. Наиболее распространенными являются методы атомно-абсорбционной спектрофотометрии (как с пламенной атомизацией, так и с электротермической (ЭТАА), атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-АЭС), масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) и рентгенофлуоресцентного анализа (РФА).
В работе описан комплексный подход для определения содержания элементов в волосах и ногтях с использованием ИСП-АЭС и РФА.
Материалы и методы
Работа проведена на базе испытательной лаборатории "Аналит". Проанализированы пробы волос и ногтей сотрудников компании. Исследования проводили с помощью следующего оборудования: шаровая вибромельница MM301 (Retsh); система микроволнового разложения Multiwave Go (AntonPaar); рентгенофлуоресцентный спектрометр EDX-8000 (Shimadzu); оптический эмиссионный спектрометр с индуктивно-связанной плазмой ICPE-9000 (Shimadzu).
Ногти состригали с обеих рук. Пробы волос состригали с затылочной части головы на всю длину в количестве не менее 0,5 г. Полученные образцы обрабатывали этиловым спиртом (для снятия поверхностного загрязнения и обезжиривания) в течение 10–15 мин, затем три раза промывали деионизированной водой. Сушили при комнатной температуре. Хранили в бумажных конвертах. Волосы для анализа измельчали в шаровой вибромельнице в три этапа длительностью две минуты каждый, после первого этапа измельчения в пробы добавляли 0,5 мл этилового спирта.
Рентгенофлуоресцентный анализ. Подготовленные волосы помещали в кюветы с полипропиленовым окном и проводили измерения интенсивностей линий характеристического излучения определяемых элементов. Пробы ногтей анализировали напрямую, без предварительного измельчения, в кюветах с полипропиленовым окном.
Содержания элементов рассчитывали по способу фундаментальных параметров, без использования образцов сравнения. Для корректного расчета задавали содержание углерода, азота, кислорода. Массовую долю углерода и азота в волосах и ногтях получили усреднением результатов элементного анализа пяти проб. Она составила ~ 45% углерода и ~ 15% азота в обоих случаях. Водород при расчете не учитывали, массовую долю кислорода рассчитывали по остатку (как разность 100% и суммы массовых долей всех остальных элементов пробы).
С помощью этого метода возможна экспрессная оценка содержаний макроэлементов в пробах, а также хлора и брома.
Атомно-эмиссионный анализ с индуктивно-связанной плазмой. Для проведения анализа образцов методом ИСП-АЭС необходимо предварительное разложение. В работе использовали кислотное разложение с использованием микроволновой системы Multiwave GO. Навеску подготовленной пробы отбирали в фторопластовые сосуды, добавляли 5 мл концентрированной азотной кислоты. Сосуды закрывали крышкой и устанавливали следующую температурную программу:
После завершения программы и охлаждения сосудов до комнатной температуры, растворы количественно переносили в полипропиленовую посуду емкостью 10 мл. Доводили до метки деионизированной водой, затем перемешивали. Параллельно готовили раствор холостой пробы с выполнением всех указанных выше операций.
Полученные растворы анализировали на атомно-эмиссионном спектрометре с индуктивно-связанной плазмой посредством распыления анализируемого образца в плазму и последующей регистрацией спектра эмиссии. Количественное содержание элементов в пробе рассчитывали по градуировочной кривой, полученной при регистрации значений интенсивности стандартных растворов ионов элементов.
Обсуждение полученных результатов
В качестве примера в табл.1 приведены результаты определения элементов в двух пробах волос, полученные методами РФА и ИСП-АЭС.
Результаты анализа для двух проб ногтей приведены в табл.2.
Таким образом, в работе были подобраны условия для разложения и измерения проб ногтей и волос. По результатам анализа можно сделать следующие выводы:
по некоторым элементам результаты, полученные двумя методами, хорошо согласуются, например, для серы, магния, цинка, железа, никеля. Для других аналитов наблюдаются значительные отличия, которые свзяаны, в первую очередь, с погрешностью бесстандартного расчета в методе РФА;
предварительный анализ методом РФА позволяет быстро и легко без разложения получить информацию о полуколичественном элементном составе проб;
с помощью метода ИСП-АЭС возможно провести точное количественное определение макро- и микроэлементов в пробах;
в проанализированных пробах волос и ногтей сотрудников компании не выявлено аномальных отклонений.
Литература
1. Онищенко Г.Г., Зайцева Н.В., Уланова Т.С. Контроль содержания химических соединений и элементов в биологических средах: руководство. – Пермь: Книжный формат, 2011. 520 с.
2. Зайцева И.П. Элементный профиль волос девушек-спортсменок. – Микроэлементы в медицине, 2013, 14 (3), с. 36–39.
3. Скальный А.В. Химические элементы в физиологии и экологии человека. М.: Мир. 2004. 216 с.
4. Давыдова С.Л., Тагасов В.И. Тяжелые металлы как супертоксиканты XXI века. – М. Издательство Российского университета дружбы народов. 2002. 140 с.
5. Скальный А.В. Референтные значения концентрации химических элементов в волосах, полученные методом ИСП-АЭС (АНО центр биотической медицины). – Микроэлементы в медицине, 2003, 4 (1), с. 55–56.
Пути поступления химических элементов в организм разнообразны (рис.1). Основная масса химических элементов попадает с пищей и питьевой водой, меньшие количества – с вдыхаемым воздухом и через кожу. По содержанию в организме элементы делятся на макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы. С точки зрения воздействия на живые системы элементы можно разделить на:
необходимые (при их недостатке в организме возникают функциональные нарушения, устраняемые путем введения элемента);
инертные (при определенных концентрациях безвредные, они не оказывают влияния на организм);
терапевтические агенты, например, известно использование соединений ртути против паразитов);
токсичные (многие металлы при определенных концентрациях) причиняют вред организму, иногда необратимый, что ведет к функциональным нарушениям, деформациям и нередко к смерти [4].
Особенно хорошо известно токсическое действие тяжелых металлов. В зависимости от концентрации и времени контакта один и тот же металл может выступать по одному из перечисленных типов и действовать по-разному, даже в одном и том же организме.
Особенности их токсического действия заключаются во влиянии на живые организмы в качестве общеплазматических ядов и способности к образованию комплексов с компонентами клеток, белков, аминокислот и других радикалов [4]. Воздействие тяжелых металлов на организм заключается в нарушении структуры коллоидных систем, осаждении белков, связывании и блокировании активных центров ферментов.
На сегодняшний день существует много методик по определению содержания различных элементов в таких биопробах как: волосы, ногти, кровь (цельная, а также сыворотка и плазма), моча и т.д.
Оценить содержание элементов в организме человека можно как по результатам анализа нескольких типов проб, так и по отдельности. Однако волосы и ногти при таком анализе предпочтительнее, так как обладают рядом преимуществ: доступность, наглядность (имеют свойство накапливать элементы), удобство при хранении и транспортировке.
Немаловажен также и выбор метода анализа. Наиболее распространенными являются методы атомно-абсорбционной спектрофотометрии (как с пламенной атомизацией, так и с электротермической (ЭТАА), атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-АЭС), масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) и рентгенофлуоресцентного анализа (РФА).
В работе описан комплексный подход для определения содержания элементов в волосах и ногтях с использованием ИСП-АЭС и РФА.
Материалы и методы
Работа проведена на базе испытательной лаборатории "Аналит". Проанализированы пробы волос и ногтей сотрудников компании. Исследования проводили с помощью следующего оборудования: шаровая вибромельница MM301 (Retsh); система микроволнового разложения Multiwave Go (AntonPaar); рентгенофлуоресцентный спектрометр EDX-8000 (Shimadzu); оптический эмиссионный спектрометр с индуктивно-связанной плазмой ICPE-9000 (Shimadzu).
Ногти состригали с обеих рук. Пробы волос состригали с затылочной части головы на всю длину в количестве не менее 0,5 г. Полученные образцы обрабатывали этиловым спиртом (для снятия поверхностного загрязнения и обезжиривания) в течение 10–15 мин, затем три раза промывали деионизированной водой. Сушили при комнатной температуре. Хранили в бумажных конвертах. Волосы для анализа измельчали в шаровой вибромельнице в три этапа длительностью две минуты каждый, после первого этапа измельчения в пробы добавляли 0,5 мл этилового спирта.
Рентгенофлуоресцентный анализ. Подготовленные волосы помещали в кюветы с полипропиленовым окном и проводили измерения интенсивностей линий характеристического излучения определяемых элементов. Пробы ногтей анализировали напрямую, без предварительного измельчения, в кюветах с полипропиленовым окном.
Содержания элементов рассчитывали по способу фундаментальных параметров, без использования образцов сравнения. Для корректного расчета задавали содержание углерода, азота, кислорода. Массовую долю углерода и азота в волосах и ногтях получили усреднением результатов элементного анализа пяти проб. Она составила ~ 45% углерода и ~ 15% азота в обоих случаях. Водород при расчете не учитывали, массовую долю кислорода рассчитывали по остатку (как разность 100% и суммы массовых долей всех остальных элементов пробы).
С помощью этого метода возможна экспрессная оценка содержаний макроэлементов в пробах, а также хлора и брома.
Атомно-эмиссионный анализ с индуктивно-связанной плазмой. Для проведения анализа образцов методом ИСП-АЭС необходимо предварительное разложение. В работе использовали кислотное разложение с использованием микроволновой системы Multiwave GO. Навеску подготовленной пробы отбирали в фторопластовые сосуды, добавляли 5 мл концентрированной азотной кислоты. Сосуды закрывали крышкой и устанавливали следующую температурную программу:
После завершения программы и охлаждения сосудов до комнатной температуры, растворы количественно переносили в полипропиленовую посуду емкостью 10 мл. Доводили до метки деионизированной водой, затем перемешивали. Параллельно готовили раствор холостой пробы с выполнением всех указанных выше операций.
Полученные растворы анализировали на атомно-эмиссионном спектрометре с индуктивно-связанной плазмой посредством распыления анализируемого образца в плазму и последующей регистрацией спектра эмиссии. Количественное содержание элементов в пробе рассчитывали по градуировочной кривой, полученной при регистрации значений интенсивности стандартных растворов ионов элементов.
Обсуждение полученных результатов
В качестве примера в табл.1 приведены результаты определения элементов в двух пробах волос, полученные методами РФА и ИСП-АЭС.
Результаты анализа для двух проб ногтей приведены в табл.2.
Таким образом, в работе были подобраны условия для разложения и измерения проб ногтей и волос. По результатам анализа можно сделать следующие выводы:
по некоторым элементам результаты, полученные двумя методами, хорошо согласуются, например, для серы, магния, цинка, железа, никеля. Для других аналитов наблюдаются значительные отличия, которые свзяаны, в первую очередь, с погрешностью бесстандартного расчета в методе РФА;
предварительный анализ методом РФА позволяет быстро и легко без разложения получить информацию о полуколичественном элементном составе проб;
с помощью метода ИСП-АЭС возможно провести точное количественное определение макро- и микроэлементов в пробах;
в проанализированных пробах волос и ногтей сотрудников компании не выявлено аномальных отклонений.
Литература
1. Онищенко Г.Г., Зайцева Н.В., Уланова Т.С. Контроль содержания химических соединений и элементов в биологических средах: руководство. – Пермь: Книжный формат, 2011. 520 с.
2. Зайцева И.П. Элементный профиль волос девушек-спортсменок. – Микроэлементы в медицине, 2013, 14 (3), с. 36–39.
3. Скальный А.В. Химические элементы в физиологии и экологии человека. М.: Мир. 2004. 216 с.
4. Давыдова С.Л., Тагасов В.И. Тяжелые металлы как супертоксиканты XXI века. – М. Издательство Российского университета дружбы народов. 2002. 140 с.
5. Скальный А.В. Референтные значения концентрации химических элементов в волосах, полученные методом ИСП-АЭС (АНО центр биотической медицины). – Микроэлементы в медицине, 2003, 4 (1), с. 55–56.
Отзывы читателей
