Как используют методы химического анализа медики

Использование химического анализа в медицине. Вопрос: Как применяют методы химического анализа в своей работе криминалисты, археологи, медики и искусствоведы

В основе химических методов обнаружения и определения лежат химические реакции трех типов: кислотно-основные, ОВР и комплексообразования. Наибольшее значение имеют гравиметрический и титриметрический.

Гравиметрический анализ заключается в выделении вещества в чистом виде и его взвешивании.

Чаще всего выделение проводят осаждением. Недостатком гравиметрических методов является длительность определения, особенно при серийных анализах большого числа проб, а также неселективность – реагенты-осадители редко бывают специфичными, поэтому часто необходимо предварительные разделения.

Титриметрический анализ заключается точном определении объема раствора химического реактива с известной концентрацией, который необходим для полного протекания реакции с данным объемом анализируемого раствора.

Титриметрический анализ широко применяется в клинических и санитарно-гигиенических лабораториях для анализа крови, желудочного сока, мочи, пищевых продуктов, питьевых и сточных вод.

Помимо химических методов качественного анализа известны другие методы идентификации химических элементов и их соединений. Так, то или иное вещество можно обнаружить физическими методами анализа, не прибегая к химическим реакциям, или физико-химическими методами путем изучения и наблюдения физических явлений, происходящих при химических реакциях.

К таким методам, называемым часто инструментальными, относятся следующие методы качественного анализа:

Очень часто химические методы сочетают с физическими и физико-химическими методами анализа, что обеспечивает более высокую чувствительность и более точные результаты анализа. Повышение чувствительности и избирательности методов имеет большое значение для анализа особо чистых веществ, содержащих следовые количества примесей. Для определения малых количеств (следов) примесей используют методы предварительного выделения, концентрирования (обогащения) микропримесей. К числу этих методов относятся:

дистилляция (отгонка) летучих соединений и некоторые другие методы.

Сочетая те или иные методы концентрирования с физическими или физико-химическими методами анализа, можно достичь высокой степени чувствительности, во много раз превышающей чувствительность отдельных методов.

Электрохимические методы анализа и исследования основаны на изучении и использовании процессов, протекающих на поверхности электрода или в приэлектродном пространстве. Любой электрический параметр (потенциал, сила тока, сопротивление и др.), функционально связанный с концентрацией анализируемого раствора и измеренный, может служить аналитическим сигналом.

Различают прямые и косвенные электрохимические методы . В прямых методах используют зависимость силы тока (потенциала и т.д.) от концентрации определяемого компонента. В косвенных методах силу тока (потенциал и т.д.) измеряют с целью нахождение конечной точки титрования определяемого компонента подходящим титрантом, т.е. используют зависимость измеряемого параметра от объема титранта.

Существуют различные способы классификации электрохимических методов.

Классификация электрохимических методов анализа по измеряемому параметру электрохимической ячейки.

Загрязнение тяжелыми металлами (ТМ) оказывает весьма разнообразное неблагоприятное влияние на жизнедеятельность живых организмов и в целом на биосферу Земли. Наряду с пестицидами, диоксинами, нефтепродуктами, фенолами, фосфатами и нитратами, тяжелые металлы составляют ту «адскую смесь», которая в будущем может поставить под вопрос само существование цивилизации. Увеличивающийся масштаб загрязнения окружающей среды оборачивается ростом частоты генетических мутаций, онкологических, сердечнососудистых, профессиональных заболеваний, интоксикаций, дерматозов, клинически значимых нарушений иммунитета. Наступившая эпоха нанотехнологий сопровождается попаданием в биосферу редких и редкоземельных элементов, с которыми ранее живая природа практически не сталкивалась, и поэтому не имеет противодействующих биохимических механизмов возможному недружественному влиянию этих элементов на живые системы.

В этих условиях становится абсолютно необходимым использование аналитической химии, которая занимается средствами определения химического состава природных и искусственных материалов. Технику и методы этой науки применяют для идентификации веществ в составе объекта, и для их точного количественного определения. В медицине аналитическая химия составляет основу клинических лабораторных тестов, помогающих врачам диагностировать заболевания и добиваться успехов в их лечении. Химические анализы используют также для оценки степени загрязнения окружающей среды и для определения питательной ценности продуктов питания. Поскольку с подходами аналитической химии к анализу знакомы далеко не все, следует сказать несколько слов о терминологии. Термин селективный означает реакцию с несколькими веществами, термин специфичный означает реакцию с одним веществом. Термины анализировать и определять неравнозначны. Пробу (объект) анализируют на содержание в ней одного или нескольких компонентов (аналитов ), а процесс измерения содержания аналита называется определением .

Методы скринингового исследования содержания определенных элементов в медицине не разработаны; список элементов для анализа определяют в зависимости от клинических проявлений. В Приложении приведены таблицы важнейших заболеваний, синдромов, признаков дефицита и избытка эссенциальных (= жизненно необходимых) микроэлементов по А.П. Авцыну и др. (1991). Очень часто многоэлементный анализ используют в судебной медицине при выяснении причин острых и хронических отравлений. Важен такой анализ и при диагностике и лечении профессиональных болезней, вызванных хроническим воздействием на организм тяжелых металлов (как производственного, так и экологического происхождения).

Для профилактической медицины в целом, и особенно — для санитарных врачей очень важны данные о качественном и количественном составе загрязнений среды и вредных примесей в продовольственном сырье и пищевых продуктах, позволяющие разрабатывать соответствующие законодательные и организационные мероприятия. Единственный надежный способ их получения — анализ состава воздуха, воды, почвы и других объектов среды, продовольственного сырья, пищевых продуктов. Данные анализа нельзя заменить изучением технической документации, поскольку при производстве нередки нарушения технологии и аварии, а взаимодействие загрязнителей в реальной среде может быть непредсказуемым, например, антагонистическим или, наоборот, синергическим.

Медицинская бионеорганика. Г.К. Барашков

Как применяют методы химического анализа в своей работе криминалисты, археологи, медики и искусствоведы

Криминалисты определяют состав веществ, причины смерти и личность человека. Археологи определяют возраст и состав артефактов при раскопках. Медики определяют химический состав крови или мочи, и таким образом проводят диагностику заболеваний человека. Искусствоведы определяют возраст предметов старины и устанавливают их подлинность. ­­­­ С помощью химического анализа криминалисты могут по пятнам определить качественный состав жидкости, которая оставила это пятно. Например, была ли эта жидкость кровью или вином и т.д. По следам и остаткам грунта могут определить где по какой почве проходил человек или проезжала машина и зная составы окрестных грунтов определить в каких местах проходил человек или проезжала машина. С помощью химического анализаархеологи могут определять, как жили, из чего строили, что носили люди в данную эпоху, по остаткам пиши оставленной в черепках и сосудах могут определять, чем питались люди. С помощью химического анализакачественного и количественного в, медицине, сравнивая с нормой анализы крови, мочи и др. жидких сред организма человека, можно поставить диагноз и проводить курс лечение под контролем, отслеживая динамику изменения анализов, наблюдать успешность или не успешность данного курса лечения и при необходимости корректировать курс лечения. Старые мастера сами готовили краски, лаки. Зная, какие составы готовил конкретный мастер, искусствоведы с помощью химического анализа, могут с большой долей уверенностью утверждать – авторство художественного произведения. Реставраторы так же пользуются химическим анализом и открывают секреты древних мастеров.’ Как применяют методы химического анализа в своей работе криминалисты, археологи, медики и искусствоведы? Подготовьте сообщение об этом, используя дополнительную литературу. Криминалисты определяют состав веществ, причины смерти и личность человека. Археологи определяют возраст и состав артефактов при раскопках. Медики определяют химический состав крови или мочи, и таким образом проводят диагностику заболеваний человека. Искусствоведы определяют возраст предметов старины и устанавливают их подлинность. ­­­­ С помощью химического анализа криминалисты могут по пятнам определить качественный состав жидкости, которая оставила это пятно. Например, была ли эта жидкость кровью или вином и т.д. По следам и остаткам грунта могут определить где по какой почве проходил человек или проезжала машина и зная составы окрестных грунтов определить в каких местах проходил человек или проезжала машина. С помощью химического анализаархеологи могут определять, как жили, из чего строили, что носили люди в данную эпоху, по остаткам пиши оставленной в черепках и сосудах могут определять, чем питались люди. С помощью химического анализакачественного и количественного в, медицине, сравнивая с нормой анализы крови, мочи и др. жидких сред организма человека, можно поставить диагноз и проводить курс лечение под контролем, отслеживая динамику изменения анализов, наблюдать успешность или не успешность данного курса лечения и при необходимости корректировать курс лечения. Старые мастера сами готовили краски, лаки. Зная, какие составы готовил конкретный мастер, искусствоведы с помощью химического анализа, могут с большой долей уверенностью утверждать – авторство художественного произведения. Реставраторы так же пользуются химическим анализом и открывают секреты древних мастеров.’

Химический анализ буквально пронизывает всю нашу жизнь. Его методами проводят скрупулезную проверку лекарственных препаратов. В сельском хозяйстве с его помощью определяют кислотность почв и содержание в них питательных веществ, что позволяет подобрать оптимальные условия обработки почвы, также оценивают содержание белка и влаги в разных сортах зерна. Химическому анализу подвергаются и товары широкого потребления: в зубной пасте контролируют содержание фтора, в маслах – содержание ненасыщенных соединений. В природоохранной деятельности методы аналитической химии применяют для контроля качества питьевой воды, для определения содержания вредных веществ в отходах и т.д. В судебной практике с их помощью обнаруживают следы пороха на руках подозреваемого, анализируют состав красок, которыми написана картина, чтобы отличить подлинник от подделки. Методы анализа различаются по степени сложности. Так, в медицине используются экспресс-тесты на беременность и сложные методы анализа крови на содержание сахара или холестерина, контроля уровня нейромедиаторов при исследовании мозга in vivo и пр.

Из приведенных примеров видно, что все вопросы, которые решает аналитическая химия, можно свести к следующим: что представляет собой данное вещество, из каких компонентов оно состоит, каковы их количество и распределение? Чтобы ответить на эти вопросы, проводят самые разнообразные химические реакции, применяют широкий спектр химических, физических, физико-химических, биологических методов, разрабатывают новые методы анализа и совершенствуют уже существующие. Число методов аналитической химии чрезвычайно велико и постоянно растет.

Аналитическая химия тесно связана с другими дисциплинами: химический анализ внедряется в различные области науки, химик-аналитик пользуется достижениями других разделов химии, а также математики, физики, биологии и многих областей техники.

Решение аналитических задач включает несколько стадий.

Эта несущественная на первый взгляд стадия на самом деле очень важна. Предположим, нужно определить количество ртути в водоеме. А что именно подразумевается под словом «ртуть»? Это может быть вся ртуть, независимо от конкретной химической формы, или все органические соединения ртути (например, диметилртуть), или все ее неорганические соединения, или вся ртуть в определенной степени окисления, или идентификация всех ртутьсодержащих соединений и определение их количества. Аналогичным образом обстоит дело и с «водоемом». Следует ли ограничить определение растворенной ртутью или рассмотреть взвешенные в воде твердые частички, ил на дне водоема, обитающих в воде животных и растения? Нужно учесть и продолжительность анализа: достаточно ли единичное определение, или потребуется рассчитать среднюю величину из результатов нескольких измерений, сделанных в течение одного дня, а может быть, и целого года. Ответы на эти вопросы определят характер всего анализа.

Метод анализа выбирают исходя из поставленной задачи, размеров объекта и образца, содержания определяемых веществ, наличия примесей, требуемой точности результатов и имеющегося оборудования; учитывают также возможную продолжительность и стоимость анализа. Рассмотрим, например, два случая определения свинца. В первом – по результатам анализа устанавливают стоимость переработки руды, которая зависит от содержания свинца. Имеется большой образец, концентрация свинца в нем высокая, ответ необходим точный. Во втором случае нужно определить, загрязнен ли свинцом металл, из которого изготовлена старинная монета. Содержание свинца низкое, требуется лишь приблизительная его оценка, в ходе анализа сама монета не должна пострадать. Понятно, что эти случаи требуют разного подхода. Для анализа образца руды можно применить такие методы, как гравиметрия или титрование. Для монеты потребуется другой, щадящий (неразрушающий) метод, например флуоресценция в рентгеновских лучах.

Для разных аналитических методов требуются, конечно, и разные по величине образцы – в количестве от нанограммов (1 нг = 10 –9 г) до нескольких граммов. Вряд ли возможно целиком проанализировать объект, который весит намного больше, чем требует выбранная для анализа методика. В этих случаях отбирают образец, или пробу, вещества. Эта проба должна быть репрезентативной, т.е. адекватной всему объекту или той его части, которая представляет наибольший интерес. В приведенном выше примере со ртутью в водоеме постановка задачи определяет и способ отбора пробы.

Если количественные измерения проводят в растворе, образец растворяют в подходящем растворителе; при этом концентрацию образца подбирают так, чтобы она находилась в пределах применимости метода. Иногда приходится выделять определяемое вещество из смеси, поскольку многие методы анализа неспецифичны и даже неселективны. Специфичным называют метод, при помощи которого определяется только конкретное вещество, а селективным – предпочтительный для данного вещества метод, пользуясь которым можно определять и другие вещества. Специфичных методов очень мало, селективных – значительно больше. Например, высоко-селективны масс-спектрометрия и иммунологический анализ.

Чтобы определить количество анализируемого вещества или его состав, измеряют какую-либо его физическую величину: количество вещества, израсходованного или образовавшегося в результате химической реакции; скорость реакции; интенсивность поглощения, испускания или рассеяния света; ток, возникающий в ходе окислительно-восстановительных процессов; количество выделившегося или поглощенного тепла и т.д. Зная связь между результатами измерений и теми величинами, которые интересуют исследователя, а также сравнив эти результаты с соответствующими стандартами, устанавливают количество определяемого вещества или его состав.

Когда результаты уже получены, может возникнуть ряд вопросов: решена ли поставленная задача? как проводить дальнейшие исследования? Не исключено, что для получения более точных результатов нужно усовершенствовать методику анализа.

Рабочая кривая – это графическая зависимость, связывающая концентрацию определяемого вещества с тем параметром, который измеряется в ходе анализа (оптической плотностью, интенсивностью флуоресценции, электродным потенциалом, скоростью реакции и т.д.). Масштаб координатных осей – линейный или логарифмический – выбирается в зависимости от конкретного эксперимента. Логарифмические оси используют, в частности, при изменении концентрации в широких пределах. Если нужны более точные результаты, предпочтительны линейные оси и узкие интервалы концентрации. Для построения рабочей кривой сначала готовят стандартные образцы известной концентрации. Затем для каждого из них измеряют тот или иной параметр и откладывают его значение в виде точки против соответствующей концентрации. По точкам проводят плавную кривую, на которую точки ложатся наилучшим образом. Для этого используют какую-либо подходящую математическую функцию или эмпирическую зависимость. Затем измеряют тот же параметр для исследуемого образца и по рабочей кривой определяют его концентрацию (рис. 1). У каждого метода есть свои рабочий диапазон, чувствительность, фон, порог обнаружения.

Рабочий диапазон – это диапазон концентраций, в пределах которого применима данная методика. Линейный участок кривой отвечает области концентраций, в которой результаты наиболее надежны. При близких к предельным высоких и низких концентрациях рабочие кривые обычно становятся нелинейными. Это обусловлено ограниченными возможностями используемых методов анализа и оборудования. Если концентрация определяемого вещества попадает в нелинейную область высоких значений, то образец следует разбавить и анализ повторить.

Чувствительность метода характеризуется величиной изменения измеряемого параметра при данном изменении концентрации. Она равна угловому коэффициенту (тангенсу угла наклона) рабочей кривой. Как правило, чем выше чувствительность, тем надежнее результаты и тем ниже порог обнаружения.

Результат измерения часто включает составляющую, не связанную с определяемым веществом, – ее называют фоном. Наличие фона может быть связано с особенностями оборудования или влиянием матрицы, в которую включен образец (см . ниже ). Чтобы оценить величину фона, проводят контрольный опыт. Для этого готовят контрольный образец, в котором нет определяемого вещества, а есть только все посторонние примеси, имеющиеся в матрице, а также реагенты, добавляемые в процессе анализа. Контрольный образец подвергают той же аналитической процедуре, что и определяемое вещество. Значение измеряемого параметра для этого контрольного образца считают равным фону.

Порог обнаружения – это наименьшая концентрация определяемого вещества, при которой сигнал заметно отличается от фона. Величина порога обнаружения зависит от чувствительности и точности метода: чем они выше, тем ниже минимальные определяемые концентрации. Химики-аналитики систематически разрабатывают способы измерения все более низких концентраций. Сегодня для многих методов анализа порог обнаружения составляет 10 –6 –10 –9 М, а некоторые недавно разработанные методы позволяют измерять пикомолярные концентрации (ниже 10 –12 М), обнаруживать вещества в абсолютных количествах менее 10 –18 молей (приблизительно несколько сотен тысяч молекул) и даже наблюдать отдельные атомы . Одна из задач, которые постоянно приходится решать в аналитической химии, – совершенствование методов, позволяющее работать со все более мелкими образцами. Те методы, для которых когда-то требовались миллилитровые количества, теперь обходятся микролитрами, а некоторые – и десятками пиколитров.

Термин «матрица» относится к окружению определяемого вещества. Это все вещества, присутствующие в образце, в т.ч. и определяемые, отличные от данного. Так, хлор определяют в плазме крови, консервированной моркови, питьевой или морской воде. Эти образцы различаются по своим химическим и физическим свойствам, а следовательно, их матрицы тоже различны. Простейшая матрица – питьевая вода: она содержит относительно немного веществ, концентрация которых к тому же невелика. Консервированная морковь – сложная матрица, главным образом потому, что в ней содержатся разные органические соединения.

Стандарты и определяемые при анализе вещества по возможности должны находиться в одинаковых или сравнимых матрицах, однако получить калиброванные матрицы удается очень редко. Чтобы решить эту проблему, используют синтетические матрицы, метод внутреннего стандарта и т.д.

Если матрица данного образца обладает относительно постоянными физическими и химическими свойствами, не зависящими от того, когда и где был получен образец, то ее можно достаточно полно охарактеризовать и воспроизвести. Одна из таких матриц – морская вода. Концентрации ее основных компонентов (Na, Mg, Cl . ) хорошо известны. Можно получить искусственную морскую воду и использовать ее для приготовления стандартных растворов других веществ, концентрация которых невелика (например, Al, Au, Ni, Zn). Состав биологических жидкостей, таких, как плазма крови или моча, также известен, что позволяет создавать искусственные матрицы для проведения определенных анализов.

Другой метод состоит в том, что для стандартов и исследуемого вещества создают матрицы примерно одинакового состава. Для этого к образцу и стандартам добавляют большое количество какого-либо «инертного» вещества (для получения растворов одинаковой ионной силы к образцу и стандартам можно добавить 1 М NaClO 4), так что небольшие различия в других компонентах матрицы становятся несущественными. Влияние матрицы при этом не исключается, напротив, оно усиливается, но теперь это влияние в исследуемом образце и стандарте практически одинаково.

Удобный способ компенсации влияния матрицы, а также решения проблем, связанных с потерями вещества в ходе сложного анализа, – использование внутреннего стандарта. Метод состоит в следующем. Перед тем как определять вещество A, к содержащему его образцу добавляют известное количество вещества B. Количества A и B определяют по одной и той же методике. Установив соотношение между найденным и известным количествами B, корректируют полученное при анализе количество A. Внутренний стандарт должен отсутствовать в исходном образце и представлять собой химический аналог определяемого вещества. Например, для определения натрия в плазме крови методом пламенной эмиссионной спектроскопии в качестве внутреннего стандарта часто используют литий, поскольку он химически аналогичен натрию и в крови обычно отсутствует.

В методе добавленных стандартов для приготовления стандартов сравнения используют сам исследуемый образец. Предположим, что мы хотим определить содержание натрия в плазме крови. Исходный образец делят на несколько частей, например на три. К одной из них ничего не добавляют, к двум другим добавляют известные количества определяемого вещества (в данном случае Na), так что его концентрация становится на 100 и 200 ммоль/л больше, чем в исходном образце. Далее по одной и той же методике определяют Na во всех частях образца и строят график зависимости измеряемой величины от прироста концентрации. Из графика определяют концентрацию натрия в исходном образце.

На рис. 2 графически представлен ход химической реакции

Определяемое вещество + Реагенты Продукты

Вначале концентрация линейно меняется во времени, затем изменение становится все более медленным, и, наконец, концентрация выходит на горизонталь – система достигает равновесия.

Хотя считается, что многие химические реакции идут «до конца» (до полного исчерпания исходных веществ), на самом деле ни одна из них не протекает только в одном направлении. Химическая реакция идет до тех пор, пока концентрация всех участвующих в ней веществ не перестает меняться, т.е. пока система не достигнет равновесия. В этом состоянии концентрация некоторых веществ может быть очень мала, но все же она не равна нулю. Реакция не прекращается, просто скорость прямой реакции (Реагенты → Продукты) становится равной скорости обратной (Продукты → Реагенты), при этом происходит быстрое взаимное превращение реагентов и продуктов реакции, так что никакого суммарного изменения концентраций нет.

Аналитические определения можно проводить в химических системах, находящихся как в равновесном, так и в неравновесном состояниях. В первом случае концентрации веществ не меняются, поэтому продолжительность анализа несущественна и не влияет на выбор методики. Равновесные концентрации веществ связаны друг с другом через константу равновесия. Для химической реакции a A + b B c C + d D эта константа равна

где в квадратных скобках указаны молярные концентрации соответствующих веществ, а показатели степени равны стехиометрическим коэффициентам уравнения химической реакции. Константы равновесия реакций, используемых в аналитической химии, изменяются от 1 до 10 100 и более. Многие методы анализа основаны на определении состояния равновесия. В качестве примера можно привести рассматриваемые ниже классические методы – гравиметрию и титрование.

При анализе неравновесных систем определяют изменение концентрации реагирующих веществ во времени, т.е. скорость реакции. Она задается выражением

где k – константа скорости, [A], [B], [C] – молярные концентрации веществ A, B, C, сумма x , y , z – порядок реакции. Какие именно химические вещества фигурируют в уравнении скорости такой реакции и с какими степенями входят их концентрации, зависит от механизма химической реакции. При неравновесных определениях нужно успеть провести измерения за достаточно малое (по сравнению с продолжительностью самой реакции) время, так чтобы концентрации реагентов не изменились. Определения, основанные на измерении скорости реакции, могут быть выполнены в очень короткое время от начала реакции (иногда несколько секунд), поскольку не нужно ждать, когда система достигнет равновесия. Если определяемое вещество – катализатор, то измерения следует проводить до достижения равновесия, поскольку катализатор изменяет только скорость реакции, но не положение равновесия. Применение кинетических измерений в аналитической химии не ограничивается методами анализа, основанными на измерении скорости реакции. В основе многих аналитических методов, например флуоресцентного анализа, амперометрии, хроматографии, лежат кинетические процессы, хотя анализируются системы, находящиеся в состоянии равновесия. Ниже описаны некоторые распространенные методы анализа.

В аналитической химии есть несколько методов, основанных на определении положения химического равновесия. К ним относятся, в частности, классические гравиметрия и титриметрия, а также сравнительно новый иммунологический анализ.

В гравиметрии определяемое вещество переводят в химически чистое состояние или превращают в весовую форму – соединение с точно известным постоянным составом, которое можно легко выделить и взвесить. Количество анализируемого вещества рассчитывают исходя из массы весовой формы и уравнения реакции, связывающей это вещество с весовой формой. Химические стандарты не требуются. Весовые методы анализа очень точны, их часто используют в сомнительных случаях в качестве контроля. Точность анализа ограничивается точностью определения массы и полнотой образования и выделения чистого вещества. Гравиметрия – продолжительная процедура, поскольку и перевод определяемого вещества в весовую форму, и выделение ее из смеси требуют времени. Кроме того, необходимо убедиться в том, что весовая форма – это вещество точно известного постоянного состава, не содержащее примесей.

Большинство весовых определений основано на образовании и выделении из раствора (как правило, водного) твердых нерастворимых осадков. Задача состоит в том, чтобы осадить по возможности максимальное количество определяемого вещества (по крайней мере, 99,99%), поэтому осадок (чаще всего соль) должен обладать как можно меньшей растворимостью. Растворимость соли определяется величиной константы равновесия реакции растворения, в которой образуются ионы. Количественное осаждение обычно осуществляют, добавляя к раствору с определяемым веществом стехиометрический избыток осаждающего реагента. Растворимость соли в присутствии избытка одного из ионов, входящих в ее состав, снижается. Для уменьшения влияния других равновесных реакций, приводящих к увеличению растворимости соли, необходимо контролировать состав раствора.

Для разных анализируемых веществ применяют разные осаждающие реагенты. Некоторые из них приведены в табл. 1.

Одно из основных преимуществ весовых определений заключается в том, что не нужно калибровать приборы или готовить стандартные растворы. Результат получают, взвесив осадок и зная состав участвующих в реакции соединений. Пусть, например, мы хотим определить содержание марганца в образце. Для этого нужно перевести марганец в Mn 3 O 4 , отделить последний и взвесить. Предположим, что из 1,52 г образца образуется 0,126 г Mn 3 O 4 (т.е. 0,00055 моль, так как 1 моль Mn 3 O 4 содержит 228,8 г). В 1 моль Mn 3 O 4 содержится 3 моль Mn, а в 0,00055 моль – соответственно 0,00165 моль Mn, или 0,0907 г (1 моль Mn содержит 54,94 г). Следовательно, содержание Mn в образце (0,0907/1,52)Ч 100% = 5,97%.

Как мы уже говорили, гравиметрия довольно медленная процедура; образование осадка, его отделение фильтрованием, высушивание – все это требует времени. Кроме того, весовые определения обычно не отличаются высокой селективностью, поэтому дополнительное время уходит на подбор условий (например, pH), переосаждение и т.п. Чем сложнее по составу образец, тем более вероятны ошибки: завышение весового содержания анализируемого вещества, связанное с соосаждением примесей, или занижение, обусловленное потерей вещества на стадии его выделения. Вследствие ограниченных селективности и чувствительности гравиметрию нет смысла применять, когда в наличии имеются лишь микро- или следовые количества определяемого вещества.

В титриметрии концентрацию определяют, измеряя объем стандартного или титрованного реагента (титранта), израсходованного в химической реакции с определяемым веществом в растворе (или газовой фазе). Измерение проводят с помощью процедуры титрования. Это простой, относительно быстрый, универсальный и точный метод.

При титровании титрант добавляют порциями или непрерывно с небольшой постоянной скоростью и измеряют его объем до тех пор, пока не будет достигнута точка эквивалентности, отвечающая объему титранта, при котором в реакцию вступает все определяемое вещество. Точку эквивалентности находят, непрерывно следя за изменением тех или иных свойств титруемого раствора (цвета, оптической плотности, электрохимических свойств и т.д.) при помощи специальных приборов или визуально.

Чтобы данную химическую реакцию можно было использовать в титровании, участвующие в ней вещества должны находиться в строго определенных количественных (стехиометрических) соотношениях. Реакция должна протекать быстро и практически до конца, а точка эквивалентности точно фиксироваться. Чаще всего используют реакции нейтрализации (кислотно-основные), комплексообразования и окислительно-восстановительные. Реакции нейтрализации распространены наиболее широко; именно их мы и рассмотрим для пояснения ключевых моментов всех реакций титрования.

Кривая титрования – это график зависимости pH, оптической плотности или каких-либо других характеристик титруемого раствора (ось ординат) от объема добавленного титранта (ось абсцисс). Масштаб оси абсцисс всегда линейный, а оси ординат может быть линейным или логарифмическим. Линейный масштаб удобен для тех методов контроля за титрованием (спектрофотометрия, амперометрия), в которых контролируемый параметр меняется с концентрацией линейно, а логарифмический – в случае логарифмического изменения (например, при потенциометрии с ионоселективным электродом). Логарифмический масштаб часто используют при визуальном определении конечной точки титрования, поскольку именно в этом масштабе наиболее наглядно проявляется резкое изменение свойств раствора вблизи точки эквивалентности.

Для точного определения конечной точки титрования необходимо, чтобы на кривой титрования вблизи точки эквивалентности наблюдался перегиб (скачок). Это требование устанавливает пределы как для минимальной определяемой концентрации, так и для минимальной константы равновесия, приемлемой для реакции титрования. На рис. 3 представлены кривые титрования сильной кислоты сильным основанием и слабой кислоты сильным основанием. Видно, что при уменьшении концентрации скачок становится менее выраженным. Нижний предел концентрации зависит от конкретной реакции и метода определения конечной точки титрования, но проводить титрование при концентрациях ниже 10 –4 М уже затруднительно. Рисунок 4 иллюстрирует влияние константы равновесия реакции титрования на кривую титрования. Для реакций нейтрализации в водных растворах константа равновесия в случае сильной кислоты и сильного основания составляет 10 14 , а для слабой кислоты и сильного основания – 10 14 K a , где K a – константа диссоциации кислоты. По мере уменьшения константы равновесия уменьшается и величина скачка. Чтобы визуальное определение конечной точки титрования было надежным, константа равновесия не должна быть меньше 10 6 . При инструментальном контроле титрования или расчете положения конечной точки титрования на основании полученных данных константа равновесия может составлять всего 10 2 .

Если в образце содержатся два определяемых вещества, взаимодействующие с одним и тем же титрантом, их можно определить в одной операции титрования при условии, что реакция каждого из этих веществ с титрантом имеет достаточно высокую константу равновесия и что эти константы существенно различаются (как правило, не менее чем на два порядка). На рис. 5 приведены кривые титрования для смесей анализируемых веществ с различными pK a . Первым титруется вещество, реакция которого с титрантом имеет бóльшую константу равновесия. Объем от начала титрования до первой конечной точки позволяет определить концентрацию этого анализируемого вещества, а объем между конечными точками титрования – концентрацию второго анализируемого вещества. Если константы равновесия слишком близки, то локализовать первую конечную точку титрования будет сложно или вообще невозможно. В таком случае анализируемые вещества нельзя определить по отдельности, а суммарный объем титранта позволит рассчитать лишь сумму их концентраций.

Цветной индикатор – вещество, которое меняет свою окраску при взаимодействии с одним из компонентов титруемого раствора. Пусть, например, индикатор In взаимодействует с определяемым веществом A:

Непрерывный контроль процесса титрования с помощью приборов позволяет получить данные о его ходе как до, так и после точки эквивалентности. Эти данные можно представить в виде графика и определять конечную точку графически или путем вычислений. Чаще всего используют спектрофотометрическое (измерение оптической плотности), амперометрическое и потенциометрическое (измерение электродного потенциала) титрование.

Кулонометрическое титрование обычно проводят при постоянном токе. Титрант образуется в результате электрохимических процессов на рабочем электроде в сосуде для титрования. Число молей анализируемого вещества равно произведению силы тока на время, необходимое для образования титранта в количестве, достаточном для достижения конечной точки титрования с учетом стехиометрии. Химические стандарты не требуются. К титрантам, которые образуются в ходе электрохимических процессов, относятся H + , OH – , Br 2 и I 2 .

В простейшем варианте титрования анализируемое вещество взаимодействует непосредственно с титрантом. Количество анализируемого вещества рассчитывают исходя из молярной концентрации титранта, его объема, требуемого для достижения точки эквивалентности, и стехиометрии реакции между определяемым веществом и титрантом. Предположим, что для достижения конечной точки титрования 5,00 мл раствора, содержащего ионы Sn 2+ , потребовалось 12,51 мл 0,100 М раствора Ce(IV). Реакция титрования имеет вид Sn 2+ + 2Ce 4+ ® Sn 4+ + 2Ce 3+ . Количество Ce 4+ , пошедшего на титрование, составляет (12,51Ч 10 –3 л)Ч (0,100 моль/л) = 12,51Ч 10 –4 моль, количество прореагировавшего Sn 2+ в 2 раза меньше, т.е. 6,25Ч 10 –4 моль. Столько Sn 2+ содержится в 5,00 мл раствора, так что его концентрация равна (6,25Ч 10 –4 моль)/(5Ч 10 –3 л) = 0,125 М.

В обратном титровании анализируемое вещество взаимодействует не с титрантом, а с другим реагентом, присутствующим в избытке. Избыток затем определяют титрованием. Если известно исходное количество реагента и определен его избыток, то разность между ними – это количество реагента, пошедшее на реакцию с определяемым веществом. Предположим, что к 5,00 мл образца, содержащего фенол, добавляют 20,00 мл 0,100 М раствора гидроксида натрия. В результате реакции образуется фенолят натрия. Избыток гидроксида натрия титруют 12,53 мл 0,0800 М раствора HCl. Соотношения между реагентами в реакциях гидроксида натрия и фенола или гидроксида натрия и соляной кислоты составляют 1:1. В таком случае исходное количество гидроксида натрия равно (20,00Ч 10 –3 л)Ч (0,100 моль/л) = 20,00Ч 10 –4 моль. Избыток гидроксида натрия равен количеству соляной кислоты, пошедшей на его титрование: (12,53Ч 10 –3 л)Ч (0,0800 моль/л) = 10,00Ч 10 –4 моль. На взаимодействие с анализируемым веществом израсходовано (20,00 – 10,00)Ч 10 –4 моль = 10,00Ч 10 –4 моль гидроксида натрия. Такое же количество фенола содержится в 5,00 мл образца. Следовательно, концентрация фенола составляет (10,00Ч 10 –4 моль)/(5,00Ч 10 –3 л) = 0,200 М.

Обратное титрование используют, например, когда константа равновесия реакции прямого титрования слишком мала. Так, в рассмотренном выше примере фенол – довольно слабая кислота, и константа равновесия прямого титрования фенола гидроксидом натрия составляет величину лишь порядка 10 4 . В то же время константа равновесия реакции обратного титрования между избытком гидроксида натрия (сильное основание) и соляной кислотой (сильная кислота) равна 10 14 . Среди других причин применения обратного титрования – отсутствие подходящего метода индикации или недостаточная скорость реакции при прямом титровании. Так, для прямого комплексонометрического титрования иона металла этилендиаминтетрауксусной кислотой (ЭДТА) обычно используют металлы-индикаторы. Понятно, что для определения конечных точек титрования всех ионов металлов нужно множество различных индикаторов. При обратном титровании к раствору, содержащему ион металла, добавляют избыточное количество ЭДТА, а избыток последнего затем определяют при помощи раствора, содержащего Mg 2+ . Тогда единственный необходимый индикатор – это индикатор на Mg 2+ , независимо от того, какой ион определяют.

Случаев применения титрования кислот и оснований множество. Чтобы конечная точка титрования определялась наиболее четко, в качестве титрантов применяют сильные кислоты и основания. Типичный кислотный титрант – HCl. Его стандартизуют по первичному стандартному карбонату натрия, используя в качестве индикаторов метиловый красный, метиловый оранжевый или бромкрезоловый зеленый. Типичный основный титрант – NaOH, его стандартизуют по первичному стандартному бифталату калия, используя в качестве индикатора фенолфталеин. Примером кислотно-основного титрования может служить метод определения содержания азота в различных соединениях (метод Кьельдаля): образец разлагают горячей серной кислотой, превращая азот в ион аммония; после охлаждения образец обрабатывают щелочью, чтобы перевести ион аммония в аммиак; аммиак улавливают кислым раствором, после чего избыток кислоты определяют титриметрически при помощи реакции нейтрализации.

Чаще всего комплексонометрическое титрование применяют для определения ионов металлов с использованием ЭДТА в качестве титранта (например, при определении жесткости воды). Образец воды подщелачивают аммиачным буферным раствором, добавляют индикатор эриохром черный и полученный раствор титруют ЭДТА.

Во многих наиболее распространенных реакциях окислительно-восстановительного титрования косвенным участником является иод. Конечная стадия титрования заключается в количественном определении иода при помощи титрования тиосульфатом натрия. В качестве индикатора на иод используют крахмал. Тиосульфат стандартизуют по трииодид-иону (I 3 –), который получается по реакции между KI и первичным стандартом KIO 3 . Таким способом определяют, например, степень ненасыщенности жирных кислот, содержание фенола, многоатомных спиртов (глицерина или этиленгликоля).

Спектроскопические методы основаны на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом, т.е. на определении характеристик поглощаемого, испускаемого или рассеянного излучения. Часто параллельно со спектроскопическими методами используют масс-спектрометрию; хотя с ее помощью и не изучают взаимодействие излучения с веществом, результаты измерений обычно представляют в виде спектра.

Электромагнитное излучение характеризуется энергией E , частотой n и длиной волны l , которые связаны между собой соотношением E = hn = hc /l , где h – постоянная Планка (6,63Ч 10 –34 ДжЧ с), c – скорость света (3Ч 10 8 м/с).

Диапазон энергий всего электромагнитного спектра очень широк. В табл. 2 приведены общепринятые названия типов излучения, указаны диапазоны их энергий и длин волн, а также типы переходов.

Методам, чаще всего используемым в аналитической химии, соответствуют ультрафиолетовая (УФ), видимая, инфракрасная (ИК) области и радиоволны.

На рис. 8 представлены блок-схемы устройств для получения спектров поглощения и испускания.

Выбор конкретного оборудования – источника излучения, монохроматора, детектора – зависит от длин волн используемого излучения и характера измерений. В УФ- и видимой областях в качестве источников света обычно используют лампы накаливания или лазеры, монохроматором служит щель или призма, а детектором – фотоэлектронный умножитель и блок фотодиодов.

Спектры поглощения в УФ- и видимой областях содержат как качественную, так и количественную информацию о поглощающем веществе. Последнее и позволяет использовать их в аналитической химии. Поглощение света подчиняется закону Ламберта – Бера

где D – оптическая плотность, I 0 и I – интенсивности падающего и прошедшего через образец света, T – пропускание, e – молярный коэффициент экстинкции, l – длина оптического пути (толщина поглощающего слоя) в см, c – молярная концентрация. Измерив оптическую плотность D , из соотношения D = e cl можно найти концентрацию поглощающего вещества.

Образцы, используемые в абсорбционной спектроскопии в УФ- и видимой областях, – это, как правило, разбавленные растворы. Диапазон концентраций, которые можно определить, зависит от молярного коэффициента экстинкции исследуемого вещества, максимальное значение которого составляет

10 5 (отметим, что измерения следует проводить при длине волны, соответствующей максимуму в спектре поглощения). Для получения достоверных результатов измеряемая оптическая плотность должна находиться в диапазоне 0,01–2. При толщине поглощающего слоя в 1 см это соответствует концентрации 10 –8 М, что в 1000 раз ниже, чем при титровании. Обычно в рабочей области (области линейности) измерений концентрация может изменяться по меньшей мере в 100 раз. Селективно подбирая длину волны, отвечающую максимуму поглощения вещества, можно исключить влияние матрицы (растворителя). Измерения оптической плотности непродолжительны, что позволяет определять с их помощью скорости реакций. Если исследуется смесь нескольких поглощающих веществ, то концентрацию каждого из них определяют, проводя измерения при длинах волн, отвечающих максимумам поглощения этих веществ.

В люминесцентной спектроскопии измеряется интенсивность излучения, испускаемого атомами или молекулами вещества при их переходе из возбужденного состояния в основное (рис. 8). Люминесценция бывает двух типов: флуоресценция и фосфоресценция. При флуоресценции атом или молекула переходит в основное состояние из короткоживущего возбужденного состояния. Она наблюдается почти сразу после поглощения, быстро спадает и исчезает в результате столкновений излучающей молекулы с другими молекулами в растворе (тушение флуоресценции). Фосфоресценция наблюдается при переходе молекулы в основное состояние из относительно долгоживущего возбужденного состояния, так что между поглощением света и испусканием может пройти относительно много времени. Для фосфоресценции характерны бóльшая длина волны излучения, меньшая высота пиков и большее влияние матрицы. Флуоресцентные измерения более избирательны, чем спектрофотометрические, поскольку зависят сразу от двух длин волн: поглощаемого и испускаемого света.

Интенсивность флуоресценции связана с интенсивностью поглощенного света следующим соотношением: I исп = kI погл. Это соотношение линейно относительно концентрации только при малых ее значениях: I исп = kўI погл C . Здесь k и k ў – константы, характеризующие свойства молекулы, связанные с поглощением и испусканием излучения, а C – концентрация определяемого вещества. Флуоресцентный анализ позволяет измерять в 1000 раз меньшие концентрации, чем спектрофотометрический. Это связано с характером сигнала, определяемого в том и другом случаях: во флуоресцентных измерениях нужно зарегистрировать небольшую разницу между двумя слабыми сигналами, а при измерениях поглощения – между сильными, что гораздо сложнее.

Если свет испускается в результате химической реакции, то процесс называют хемилюминесценцией. Интенсивность излучения зависит от скорости химической реакции, а последняя, в свою очередь, от концентрации. Таким образом, измеряя интенсивность хемилюминесценции, можно определить концентрацию соответствующего реагента. В качестве примера люминесцентного определения приведем реакцию с участием люминола. При окислении пероксидом водорода в присутствии комплексов переходных металлов это вещество люминесцирует, что позволяет проводить количественное определение следовых количеств ионов металлов (или некоторых комплексов), а также пероксида водорода.

Спектры поглощения в видимой и УФ-областях, о которых шла речь выше, возникают в результате электронных переходов в атомах и молекулах. Поглощение же в ИК-области обусловлено переходами между колебательными уровнями, отвечающими разной колебательной энергии функциональных групп. В ИК-спектроскопии чаще всего используют среднюю часть ИК-области, 4000–200 см –1 . Для интерпретации ИК-спектров составлены специальные каталоги и таблицы, в которых указаны характеристические частоты колебаний различных групп (табл. 3).

Значения молярных коэффициентов экстинкции для ИК-области меньше, чем для видимой и УФ-областей, поэтому с помощью ИК-спектроскопии можно исследовать или чистые вещества, или очень концентрированные растворы. Жидкости заливают между оптически прозрачными стеклами, где они образуют тонкую пленку, или в кювету, твердые вещества измельчают и суспендируют в оптически прозрачной среде. Растворы исследовать сложнее, чем твердые вещества, поскольку растворитель часто поглощает в этой же области. Чтобы повысить чувствительность и разрешающую способность метода, в современных модификациях используют ИК-спектроскопию с фурье-преобразованием.

Метод ЯМР основан на резонансном поглощении электромагнитной энергии, обусловленном магнетизмом ядер. Это поглощение наблюдается в сильном магнитном поле, под действием которого энергетические уровни ядер, обладающих магнитным моментом, расщепляются. Наложение небольшого по величине и изменяющегося по частоте электромагнитного поля вызывает переходы между уровнями, проявляющиеся в виде линий поглощения в спектрах ЯМР. Метод ЯМР – один из наиболее эффективных методов структурных исследований. Он позволяет получить информацию о строении молекул, о том, какие ядра присутствуют в определяемом веществе и в каком количестве, каково их окружение. Один из вариантов ЯМР – протонный магнитный резонанс (1 H-ЯМР) – часто оказывается единственным методом, позволяющим определить строение органических соединений. Вслед за ним иногда применяют 13 C-ЯМР, масс-спектрометрию и ИК-спектроскопию. Чаще всего методом ЯМР определяют ядра атомов водорода (протоны, 1 H) и 13 C. Можно также изучать другие ядра, например 19 F, 31 P, 17 O, 15 N и 29 Si.

Спектр ЯМР представляет собой зависимость интенсивности поглощения от относительной величины d (химический сдвиг), определяемой как

где H и n – напряженность магнитного поля и резонансная частота для образца и стандарта. Значения d даются в миллионных долях (м.д.; в англоязычной литературе – ppm, parts per million). В качестве стандарта в случае 1 H и 13 C обычно используют тетраметилсилан (ТМС). Наиболее важными характеристиками ЯМР-спектра являются положение сигналов (полос) поглощения, их интенсивность и мультиплетность. Поскольку электроны частично экранируют ядро и изменяют величину действующего на него магнитного поля, положение сигналов поглощения различных ядер (например, протонов) зависит от их электронного окружения. В группах H–N–, H–O– и H–C – протоны поглощают при разных частотах и имеют разный химический сдвиг. Значения измеренных химических сдвигов для большого числа структурных элементов сведены в таблицы. Спин-спиновое взаимодействие протонов соседних атомов приводит к расщеплению сигнала ЯМР, при этом мультиплетность сигнала зависит от числа участвующих во взаимодействии протонов.

Перекрывание и расщепление сигналов существенно усложняют ЯМР-спектры. Для их упрощения используют более сильные магнитные поля, что позволяет растянуть спектр и уменьшить перекрывание пиков.

На рис. 9 приведен ЯМР-спектр диэтилового эфира CH 3 CH 2 OCH 2 CH 3 , иллюстрирующий представления о химическом сдвиге и расщеплении. Спектр показывает, что в молекуле присутствуют протоны двух видов. Триплет с d = 1,1 м.д. – это сигнал от протонов метильной группы CH 3 –, а квартет с d = 3,3 м.д. – сигнал от протонов метиленовой группы –CH 2 –.

Для получения спектров более высокого разрешения и для ускорения процедуры в ЯМР-спектроскопии используют преобразование Фурье.

Масс-спектрометрия – один из наиболее эффективных и широко применяющихся аналитических методов. Его отличают высокая селективность, чувствительность и точность.

Принцип метода состоит в том, что определяемое вещество переводят в газообразное состояние, ионизируют и образовавшиеся ионы (заряженные фрагменты исходных молекул) разделяют в магнитном поле по величинам отношения массы к заряду. Любой масс-спектрометр состоит из системы напуска образца, ионизационной камеры и системы разделения ионов. В приборе поддерживают высокий вакуум (

10 –6 мм рт.ст.). Методы регистрации отработаны настолько хорошо, что позволяют без труда производить подсчет отдельных ионов.

Масс-спектр представляет собой зависимость интенсивности сигнала от отношения массы образующихся при ионизации частиц к их заряду (m /e ). Спектр состоит из одного или нескольких пиков. При низкой энергии ионизирующих электронов от молекул вещества отрывается по одному электрону и образуются молекулярные ионы (M +); в этом случае в спектре присутствует единственный пик, и определить мол. массу анализируемого вещества несложно. Если энергия ионизации повышается, то молекулярный ион распадается на более мелкие осколочные ионы, которые могут участвовать затем в реакциях перегруппировки с образованием других ионов. Рассматривая энергетику и механизм этих реакций, можно по масс-спектрам воссоздать структуру исходного соединения. Следовательно, масс-спектр является своего рода «отпечатком» вещества. На рис. 10 представлены масс-спектры 2-метилбутана и 2,2-диметилпропана (неопентана) – насыщенных углеводородов с эмпирической формулой C 5 H 12 . Ионизацию, которая приводит к значительной фрагментации, называют жесткой. В отличие от нее при мягкой ионизации наблюдается значительно меньшая фрагментация, но увеличивается высота пика молекулярного иона. В качестве примера на рис. 11 представлены масс-спектры мефобарбитала (одного из барбитуратов), полученные в результате ионизации электронным ударом, химической ионизации и полевой десорбции.

Выбор способа ионизации зависит от свойств определяемого вещества, матрицы, в которую оно включено, и желаемой степени ионизации. При помощи стандартного оборудования можно ионизировать вещества с мол. массой до 20 000, но есть приборы и для ионизации соединений, мол. масса которых достигает 150 000–200 000.

При ионизации электронным ударом молекулы газообразного вещества бомбардируют потоком электронов, в результате чего образуется множество осколочных ионов. Масс-спектры в этом случае весьма сложны, и для их интерпретации используют специальные каталоги спектров. Один из наиболее распространенных методов мягкой ионизации летучих веществ – химическая ионизация. В этом методе в ионизационной камере поддерживают высокую концентрацию метана, который ионизируется при бомбардировке электронами в первую очередь. Затем ионы метана сталкиваются с молекулами исследуемого вещества, и в результате ион-молекулярных реакций образуются ионы (M + 1) + и (M – 1) + . Для мягкой ионизации жидких образцов используют бомбардировку быстрыми атомами. Поток быстрых атомов ксенона или аргона бомбардирует раствор образца в глицерине, в результате чего образуется большое количество молекулярных ионов. Еще один метод мягкой ионизации – так называемая полевая десорбция; в этом случае ионы образуются под действием сильного электрического поля. Его чаще используют для ионизации неполярных, термически нестабильных веществ, а также соединений с большой мол. массой (полимеров), т.е. в тех случаях, когда нельзя применять бомбардировку быстрыми атомами. Все более широкое распространение получает ионизация распылением (электрораспыление, термораспыление и т.д.). В этом методе ввод растворенного вещества и его ионизация осуществляются в одну стадию.

Для элементного и изотопного анализа применяют индуктивно-связанную аргоновую плазму. С ее помощью осуществляют отбор и ионизацию образца, а в масс-спектрометре проводят разделение ионов. Для элементного анализа поверхностей используют метод масс-спектрометрии вторичных ионов. Потоком ионов Ar + или Xe + бомбардируют поверхность образца, и высвободившиеся вторичные ионы направляют в масс-анализатор.

В этом методе используются два последовательно соединенных масс-спектрометра. Одно из возможных применений метода – анализ смесей. Смесь определяемых веществ подвергают мягкой ионизации, в результате которой из каждого компонента образуется молекулярный ион. Ионы разделяют в первом масс-спектрометре, выполняющем функцию хроматографа. Один из компонентов вводят во второй спектрометр, где проводят его жесткую ионизацию и последующее разделение осколков. Используя каталоги, определяют структуру исходного вещества. Если предметом анализа является не смесь, а единственное вещество, последнее подвергают жесткой ионизации в первом масс-спектрометре, разделяют осколочные ионы и направляют один из них в ионизационную камеру второго прибора. Здесь осколок вновь ионизируют и подвергают последующей фрагментации. Полученный масс-спектр интерпретируют с помощью каталога и устанавливают структуру исходного осколка.

В основе электрохимических методов анализа лежит исследование процессов, протекающих в электролитах или на поверхности погруженных в них электродов. Эти процессы могут быть равновесными или неравновесными в зависимости от условий эксперимента и давать информацию о скорости химических реакций, природе участвующих в них соединений, термодинамике . Наиболее широко в аналитической химии используются следующие электрохимические методы.

В потенциометрических методах измеряется разность потенциалов между индикаторным электродом и электродом сравнения в отсутствие тока в электрохимической цепи. В этих условиях анализируемая система находится в равновесии, и электродный потенциал связан с концентрацией раствора уравнением Нернста:

где E ° – стандартный потенциал окислительно-восстановительной пары ox + n e red, R – универсальная газовая постоянная, T – абсолютная температура, F – постоянная Фарадея, a – активность. При потенциометрических измерениях широко применяются ионоселективные электроды, чувствительные к какому-то одному иону (водорода, натрия, аммония). Простейший индикаторный электрод – это какой-либо благородный металл, например платина. При потенциометрическом титровании в анализируемый раствор порциями добавляют стандартный раствор реагента (см. выше Титриметрия) и следят за изменением потенциала. Получаемые S -образные кривые позволяют найти точку эквивалентности, константу равновесия, стандартный потенциал.

Во всех вариантах вольтамперометрических методов используют индикаторный микроэлектрод, с помощью которого получают вольтамперограммы – кривые зависимости силы тока в электрохимической ячейке от разности потенциалов. Второй, вспомогательный электрод – неполяризующийся – имеет большую поверхность, так что его потенциал практически не меняется при прохождении тока. Индикаторные электроды изготовляют в виде капилляра, из которого по каплям вытекает жидкий металл (ртуть, амальгама, галлий). Вольтамперограммы позволяют идентифицировать растворенные вещества в электролите, определять их концентрацию, а в некоторых случаях находить термодинамические и кинетические параметры. Первый вольтамперометрический метод – полярография – был предложен Я.Гейровским в 1922. Рабочим электродом в нем служил капающий ртутный электрод. Эту методику обычно применяют для определения ионов металлов (Pb 2+ , Cd 2+ , Cu 2+). Среди других вольтамперометрических методов – вольтамперометрия с линейной разверткой (с монотонным изменением) потенциала, циклическая (с быстрой треугольной разверткой потенциала) вольтамперометрия. С их помощью изучают механизм электродных реакций, определяют малые концентрации веществ в растворе.

В амперометрии потенциал рабочего (индикаторного) электрода поддерживают постоянным и измеряют предельный диффузионный ток в растворе. При амперометрическом титровании точку эквивалентности находят по излому кривой сила тока – объем добавленного рабочего раствора. Хроноамперометрические методы основаны на измерении зависимости силы тока от времени и применяются для определения коэффициентов диффузии и констант скорости. Электрохимические ячейки, работающие по принципу амперометрии, используются в качестве датчиков в жидкостной хроматографии.

Этот метод основан на измерении электропроводности раствора. Условия опыта подбирают таким образом, чтобы преобладающий вклад в измеряемый потенциал ячейки вносило омическое падение напряжения IR (R – сопротивление раствора), а не скачок потенциала на границе раздела электрод/раствор. Электропроводность однокомпонентного раствора можно связать с его концентрацией, а для сложных систем оценивается общее содержание ионов в растворе. Широко используется и кондуктометрическое титрование, когда к анализируемому раствору порциями добавляют известный реагент и следят за изменением электропроводности.

В кулонометрии проводят полный электролиз раствора при контролируемом потенциале и измеряют количество электричества, необходимое для этого. Количество вещества определяют с помощью закона Фарадея P = QM /Fn , где P – масса (г) электрохимически превращенного вещества, Q – количество электричества (Кл), M – молекулярная масса вещества, F – постоянная Фарадея, n – число электронов, вовлеченных в электрохимическое превращение одной молекулы. Кулонометрические методы абсолютны, т.е. не нуждаются в калибровочных кривых. При кулоногравиметрии количество вещества, подвергшегося электролизу, определяют взвешиванием электрода до и после эксперимента.

Обычно анализируемый образец состоит не из одного вещества, а из смеси веществ. Одни из них представляют интерес для исследователя, другие являются примесями, осложняющими анализ. И хотя существуют аналитические методики, позволяющие проводить анализ сложных смесей, всегда легче работать с чистым веществом. Для получения чистых веществ используют разнообразные методы разделения: перегонку, возгонку, экстракцию, диализ, осаждение, комплексообразование. Здесь мы остановимся на хроматографических методах, широко применяющихся как для разделения веществ, так и для их идентификации и количественного определения.

Хроматографическое разделение основывается на различии таких свойств веществ, как летучесть, полярность, размер молекул, заряд и т.д. От них зависит распределение веществ между подвижной и неподвижной фазами, которые присутствуют в каждой хроматографической методике.

Если подвижная фаза – газ, то метод называется газовой хроматографией (ГХ), если жидкость – жидкостной (ЖХ); если неподвижная фаза заполняет тонкую трубку или колонку, то это колоночная хроматография, а если она нанесена на пластину, то тонкослойная (ТСХ). Принципы разделения во всех случаях одинаковы, различаются только приборная реализация и методика. В тонкослойной хроматографии (рис. 12), например, образец наносят вблизи края пластинки с неподвижной фазой и погружают этот край в растворитель так, чтобы последний не доходил до места нанесения образца. Разделение проводят до тех пор, пока растворитель не дойдет до противоположного конца пластинки. Поскольку определяемые вещества движутся медленнее чистого растворителя, все они остаются на пластинке, но находятся на разном расстоянии от места нанесения образца. Скорость движения вещества характеризуется относительной разностью хода R f

Рассмотрим основные механизмы распределения веществ между подвижной и неподвижной фазами на примере колоночной хроматографии.

Неподвижная фаза представляет собой твердое вещество, на активных центрах которого адсорбируются молекулы определяемых веществ. Разделение может быть основано на различиях их полярностей: чем полярнее вещество, тем сильнее оно адсорбируется на неподвижной фазе и дольше задерживается на ней.

Неподвижная фаза представляет собой текучее вещество, нанесенное на твердый носитель или химически связанное с ним. Компоненты смеси, пропускаемой через колонку, разделяются вследствие разной растворимости в неподвижной фазе. Как в газовой, так и в жидкостной распределительной хроматографии используют неподвижные фазы с разной полярностью и другими химическими свойствами, от которых зависит растворимость определяемых веществ. Одна из разновидностей распределительной хроматографии – газожидкостная хроматография (ГЖХ) с жидкой неподвижной фазой и газовой подвижной. На рис. 14 представлена газожидкостная хроматограмма лимонного масла.

Неподвижная фаза представляет собой твердое пористое вещество. Крупные молекулы разделяемой смеси не проникают в поры и, не задерживаясь в неподвижной фазе, увлекаются растворителем. Молекулы среднего размера застревают в некоторых порах и на какое-то время остаются в неподвижной фазе, а мелкие молекулы проникают во все поры и перемещаются очень медленно. Так происходит разделение молекул по размерам, а следовательно, по молекулярной массе. Методом вытеснительной хроматографии можно разделять вещества с мол. массой от 100 до 100 000 000.

Неподвижной фазой является ионит – твердое, практически нерастворимое в воде и органических растворителях вещество, содержащее ионогенные функциональные группы, способные обменивать свои ионы на ионы, присутствующие в подвижной фазе. Для разделения анионов (органических кислот, аминокислот или хлорид-, нитрат-, сульфат-ионов) используются аниониты, содержащие аминогруппу или четвертичный аммоний. В состав катионитов, применяемых для разделения катионов (аминокислот или ионов металлов), входят карбоновые или сульфокислоты.

Многие оптически активные (хиральные) соединения (например, биологические молекулы, лекарственные вещества) обладают весьма ценными свойствами, но эти свойства часто бывают присущи только одному из изомеров. Разделить энантиомеры (зеркальные изомеры) при помощи традиционных хроматографических методов не удается, поскольку они обладают идентичными физическими и химическими свойствами, если не считать способности по-разному вращать плоскость поляризации света и взаимодействовать с другими хиральными соединениями. Последнее свойство и лежит в основе методов разделения энантиомеров. Один из подходов состоит в том, что проводят реакцию между смесью оптически активных определяемых веществ и каким-либо хиральным реагентом. Образующиеся продукты обладают разными физическими свойствами, и их разделяют обычными хроматографическими методами. В другом, более распространенном случае хиральное вещество используют в качестве неподвижной фазы для колоночной ЖХ. Энантиомеры по-разному взаимодействуют с ним и разделяются.

Неподвижная фаза – мелкодисперсный сорбент (обычно силикагель), нанесенный на стеклянную или металлическую пластину. На слой сорбента пипеткой наносят анализируемую смесь и пластину ставят торцом в растворитель. Под действием капиллярных сил растворитель поднимается по пластине, и смесь разделяется на компоненты. Флуоресцирующие вещества выявляют в УФ-свете, все остальные – с помощью специфических реагентов. ТСХ – простой, нетрудоемкий метод. На одной пластинке можно одновременно разделять несколько смесей, а для повышения эффективности проводить двумерную хроматографию.

Одна из основных задач аналитической химии заключается в достижении высокой селективности определений. В некоторых случаях селективность обеспечивается предварительным разделением исследуемых веществ, в других – совместным применением различных методов. Во многих современных системах применяются биологические объекты (ферменты, антитела и рецепторы) и специальные датчики. Датчики состоят из слоя химически активного вещества и физического преобразователя; их обычно используют для селективного измерения концентраций химических веществ. Кроме того, они позволяют проводить дистанционные и непрерывные измерения.

Свойством ферментов, представляющим интерес для аналитической химии, является их способность специфически ускорять те или иные реакции. Ферментативные методы можно применять для анализа как равновесных, так и неравновесных систем, совмещать их с разными методами детектирования: спектрофотометрией, флуоресценцией, хемилюминесценцией, потенциометрией, амперометрией. Все чаще используются иммобилизованные ферменты. Нередко это повышает разрешающую способность метода, а кроме того, позволяет повторно использовать ферменты, применять их в проточных реакторах или биосенсорах. Ферменты включают в мембраны, полимерный гель с поперечными сшивками или адсорбируют на твердой подложке.

Антитела – это вещества, которые вырабатываются в организме позвоночных в ответ на появление в нем антигенов и специфически связываются с этими антигенами. Специфичность связывания определяется структурным соответствием антигена и вырабатываемого антитела. В иммунологических определениях используются меченые антигены. Так, в радиоиммунологическом анализе (РИА) меткой служит радиоактивный изотоп, обычно 125 I. В последнее время стали широко применяться флуоресцентные, хемилюминесцентные, электроактивные метки и ферменты. При помощи иммунологических методов анализируют лекарственные вещества, гормоны (такие, как хорионический гонадотропин, по которому определяют беременность), выявляют возбудителей инфекционных заболеваний.

Наиболее известный электрохимический датчик – это ионоселективный электрод. На принципе ионоселективности работают газовый потенциометрический и ферментный электроды. В них мембрана электрода покрыта слоем химического вещества, который отделен от анализируемого раствора (или газа) второй мембраной, проницаемой для определяемого вещества.

Потенциометрический газовый электрод регистрирует изменение положения равновесия химической реакции, протекающей в слое вещества на мембране электрода. В этой реакции участвует газ, диффундирующий через наружную мембрану. Когда его количество меняется, положение равновесия реакции сдвигается, и этот сдвиг регистрируется электродом. В датчике CO 2 используется водородный электрод, покрытый тонким слоем бикарбоната. CO 2 , проникая через наружную мембрану, сдвигает положение равновесия реакции CO 2 + H 2 O HCO 3 – + H + , и водородный электрод измеряет концентрацию ионов водорода.

В потенциометрических ферментных электродах мембрану электрода покрывают ферментом (например, уреазой в случае определения мочевины). Разработаны потенциометрические датчики для определения аминокислот, пенициллина и других антибиотиков. В качестве ферментсодержащего слоя можно использовать бактерии, интактные растительные и животные ткани.

В амперометрических ферментных электродах чаще всего ферментом является оксидаза и регистрируется либо расходование кислорода, либо образование пероксида водорода. Для контроля за содержанием глюкозы в биологических жидкостях применяются амперометрические датчики на основе глюкозооксидазы.

В таких датчиках специфический реагент наносят на торец оптического волокна – световода. По световоду направляют луч света и регистрируют свет, пришедший от торца с нанесенным образцом. Особенно много датчиков разработано для оптического измерения pH. Все они содержат иммобилизованный реагент, который может существовать в двух или более кислотно-основных формах. Если у этих форм разные спектры поглощения или флуоресценции, то, проводя измерения при разных длинах волн, можно определить их концентрацию и рассчитать pH. В отличие от стеклянного электрода, измеряющего pH в диапазоне от 1 до 14, у оптических датчиков динамический диапазон регистрируемых значений pH охватывает 1–2 единицы по обе стороны от pK a индикатора. В датчиках ионов металлов (Al 3+ , Mg 2+ , Zn 2+ , Cd 2+) используют лиганды, которые начинают сильно флуоресцировать при связывании с этими ионами. Датчики кислорода основаны на кислородном подавлении иммобилизованного флуорофора. Это равновесное определение, менее восприимчивое к колебаниям температуры и скорости потока, чем амперометрические датчики кислорода. Разработаны биосенсоры, основанные на принципах иммунологического анализа. На торец оптических волокон таких датчиков наносят антитела и флуоресцентно меченные антигены.

На чувствительный к изменению массы преобразователь (например, кварцевый пьезоэлектрический осциллятор) наносят селективный адсорбент. Определяемое вещество осаждается на нем, и датчик регистрирует изменение массы. Подобные датчики применяются для определения газообразных и летучих веществ, таких, как CO, CO 2 и SO 2 , ароматических и алифатических углеводородов и пестицидов.

Крешков А.П. Основы аналитической химии , тт. 1–3. М., 1977
Слейбо У., Пергона Т. Общая химия . М., 1979
Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая химия . М., 1981
Глинка Н.Л. Общая химия . Л., 1988

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство Высшего Образования Республики Узбекистана

Национальный университет Узбекистана имени М. Улугбека

по предмету: Аналитическая химия

на тему: I Всероссийская конференция с международным участием на тему «Химический анализ и медицина»

MIURA GO-xHT: Системы для подготовки образцов перед ГХМС анализом (определение диоксинов и ПХБ) MIURA GO-2HT / 4HT / 6HT

Исследовательская организация, специализирующая в области изучения окружающей среды, «Miura Institute of Environmental Science», большое внимание уделяет мониторингу содержания таких токсичных компонентов, как диоксины и полихлорированные бифенилы (ПХБ) в объектах окружающей среды, а также работает над развитием и коммерциализацией технологий анализа объектов окружающей среды.

Обладая колоссальным опытом в разработке аналитических методов для анализа объектов окружающей среды, пищевых продуктов и сырья для их производства, а также являясь европейским дистрибьютором MIURA Co. Ltd., Shimadzu Europa GmbH предлагает комплексное решение для определения диоксинов и полихлорированных бифенилов (ПХБ), включающее системы серии GO-xHT для предварительной очистки (clean-up) образцов и тандемный газовый хроматоматомасс-спектрометр серии TQ.

Такое решение может быть с успехом использовано для анализа таких образцов, как пищевые продукты и сырье для их производства, корма, почва, сточные и природные воды и пр.

Системы GO-xHT позволяют существенно увеличить производительность работы аналитических лабораторий, повысить эффективность научных исследований и тем самым сократить время необходимое для возвращения инвестиций (ROI)

· Отсутствие перекрестного загрязнения

Благодаря конструкции без переключающих кранов и набору колонок для одноразового использования риск перекрестного загрязнения при серийном анализе практически сведен к нулю.

· Пониженный расход растворителя

Отсутствие переключающих клапанов и оптимизированная схема подачи растворителя и минимальный мертвый объем системы обеспечивают пониженный по сравнению с традиционными методами расход растворителя. К тому же пробоподготовка с использованием систем GO-xHT не требует использования хлоросодержащих растворителей. Все это способствует существенному снижению расходов и, соответственно, увеличивает рентабельность аналитической лаборатории.

· Одновременная подготовка до 6 образцов

Конфигурация систем GO-xHT легко может быть настроена под требования конкретной аналитической лаборатории в зависимости от предполагаемых объемов анализов. Системы могут комплектоваться 1-3 независимо управляемыми двухколоночными модулями, обеспечивая в последнем случае одновременную подготовку к анализу 6 образцов. Полная автоматизация процесса очистки делает пробоподготовку как никогда простой и эффективной.

Три возможных конфигурации системы.

Система GO-xHT может поставляться с 2, 4 или 6 установленными колонками.

Комплексное решение для определения диоксинов и ПХБ, включающее экстракцию, очистку и ГХМС-анализ

Три ведущих производителя оборудования для аналитической химии, Shimadzu Corporation, BUCHI Laboratory Equipment и MIURA Co. Ltd., объединили свои возможности и представили на рынок комплексное решение для определения диоксинов и ПХБ в самых различных образцах, включая такие сложные, как пищевые продукты и почва. Комплексное решение, получившее название «DIOXINS S3», включает систему для экстракции растворителем под давлением (PSE) BUCHI SpeedExtractor E-914/E-916, систему для очистки (clean-up) MIURA GO-xHT и тандемный газовый хроматомасс-спектрометр Shimadzu серии TQ. Такое комплексное решение обеспечивает высокопроизводительный, точный, надежный и высокочувствительный анализ в полном соответствии с европейскими нормативами ЕС 589/2014.

I Всероссийская конференция с международным участием «Химический анализ и медицина»

В Москве 2015 году с 9 по 12 ноября прошло I Всероссийская конференция с международным участием «Химический анализ и медицина» . В этом конференции вставлялось своей цель обеспечить более тесное общение и обмен знаниями между специалистами в области аналитической химии и медицины для совместного решения основных проблем, связанных со здоровьем и экологией человека. На конференции было рассмотрены важнейшие достижения в области аналитической химии и их использование в медицинской сфере, в частности, в клинико-диагностической области и было представлено более 150 тезисов.

Устройство секвенирования ДНК «НАНОФОР 05»

Алексеев Я.И. , Курочкин В.Е.,Веретенников А.В.3.

Благодаря финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ и Технологической Платформы «Медицина будущего» Институтом аналитического приборостроения РАН, ЗАО «Синтол» и Экспериментальным заводом научного приборостроения РАН был создан первый российский секвенатор «НАНОФОР 05».Мировой рынок секвенаторов существует 29 лет.

В конце 1986 года компанией «Applied Biosystems» (США) был разработан первый секвенатор ABI 370A

Sequencer, способный секвенировать в день 12 000 п.н.

В настоящее время наиболее производительные секвенаторы могут секвенировать за 1 запуск 1000 х 109 п.н.

Рынок секвенаторов ДНК можно разделить на 2 сегмента в зависимости от технологии, лежащей в основе принципа работы приборов:

1) «капиллярные» (или «классические», «сэнгеровские») секвенаторы, в которых расшифровка нуклеотидной последовательности ДНК идёт после проведения реакции секвенирования;

2) секвенаторы второго поколения, NGS- (Next Generation Sequencing), или «полногеномные» секвенаторы, в которых расшифровка генома идёт непосредственно в ходе реакции секвенирования.

Российский рынок секвенаторов, по оценкам экспертов, составляет в натуральном выражении не более 1000 приборов. При этом количество «капиллярных» секвенаторов составляет не менее 85% от всего количества ис-пользуемых секвенаторов. Большинство закупленных в России NGS-секвенаторов используются эпизодически из-за дороговизны расходных материалов.

Соответственно, количество анализов (секвенирование и фрагментный анализ), проводимых на «капилляр-ных» секвенаторах, в несколько сот раз превышает количество «прочитанных» на NGS-секвенаторах геномов, составляя примерно 200 000 — 300 000 анализов в год в России.

На мировом рынке секвенаторов также преобладают «капиллярные» секвенаторы. Несмотря на появление на рынке секвенаторов второго поколения, существует целый ряд задач, которые можно быстро и экономно решить на «классических» секвенаторах. К таким задачам относятся:

Рис. 1. Электрофореграмма продуктов секвенирования, полученная на приборе «НАНОФОР 05». Стрелкой указана выявленная мутация.

Рис. 2. Электрофореграмма разделения продуктов амплификации, полученных от ДНК матери (верх), отца (середина) и ребенка (низ) по каналу ROX.

1) секвенирование генетических вставок в плазмиды;

2) секвенирование ПЦР-продуктов.

3) ДНК-идентификация личности;

4) определение отцовства, определение степени родства;

5) определение однонуклеотидных полиморфизмов (SNP — Single Nucleotide Polymorphism), обнаружен-ных с помощью ПЦР. SNP обуславливают наследственную предрасположенность к мультифакторным заболеваниям, индивидуальную чувствительность организма к лекарственным препаратам.

6) генотипирование человеческой ДНК, т.е. обнаружение неизвестных SNP в анализируемых участках гена;

7) генотипирование микроорганизмов, например, обнаружение неизвестных ранее мутаций в геноме ми-кобактерий туберкулёза, ответственных за лекарственную устойчивость к антибактериальным препа-ратам; или генотипирование возбудителей особо опасных инфекций, что необходимо для выявления источника распространения инфекции;

8) генотипирование (паспортизация) ценных пород животных и сортов растений с целью их селекции;

«НАНОФОР 05» представляет собой аналог 8-канального генетического анализатора «3500 Genetic An-alyzer» производства компании «Life Technologies» (сейчас «Thermo Fisher Scientific»).

По целому ряду важнейших технических и пользовательских характеристик «НАНОФОР 05» превос-ходит «3500 Genetic Analyzer»: он является прибором открытого типа, т.е. предоставляет возможность ис-пользования реагентов любых производителей, имеет 7-цветную схему детекции, что позволяет анализи-ровать больше разных ДНК-мишеней в одном образце одновременно, а также имеет срок гарантии 2 года, стоит в 2 раза дешевле импортного аналога, значительно экономнее в эксплуатации.

Определение тяжелых металлов в бадах, лекарственных растениях, биологических жидкостях методами ААС, ИСП-ОЭС, ИСП-МС после микроволновой пробоподготовки

Ключевыми критериями достоверности такого анализа являются: полнота минерализации пробы, отсут-ствие потерь летучих элементов, таких как Hg, As и др., особенно на этапе пробоподготовки, достаточная чувствительность выбранного спектрального метода и, величины навески, наконец, само спектральное определение, прежде всего, учитывающее спектральные помехи в ИСП-ОЭС, удаление комплексных ио-нов и изобарных интерференций в ИСП-МС, оптимизацию стадии температурной программы графито-вой печи в ЭТААС.

Наиболее тяжелыми для микроволновой минерализации органическими пробами являются предельные

и ароматические длинноцепочечные у.в. Одними из наиболее близких к таковым являются БАДы на мас-ляной основе, растительные препараты масличных культур, смолистые материалы, например, березовые почки. Такие пробы требуют больших температур для минерализации, лимитированные величины навесок, аккуратного нагрева с плавным увеличением температуры разложения. Последнее касается и т. н. реактив-ных проб, например, эфирных масел, получаемых из растительного сырья, препаратов индивидуальных аминокислот. Их экспрессная минерализация с быстрым нагревом может приводить к сбросу давления в автоклавах и потере летучих элементов.

Использование сильных ионообменников для хроматографического анализа белков и пептидов

Обычно, слабые ионообменники используются для разделения биомолекул, таких как пептиды, белки, моноклональные антитела и ДНК. Данная презентация продемонстрирует преимущества использования сильных ионообменных фаз и опишет некоторые примеры превосходного разделения для этих биомо-лекул. Мы, также, продемонстрируем возможность использования этих сильных ионообменников для пептидного картирования триптических гидролизатов БСА. Такие важные моменты, как оптимизация градиента и элюента, также будут отражены.

Сравнительные исследования продемонстрируют преимущества сильного катионита YMC-BioPro SP-F, перед слабыми катионитами. Для этого будут представлены результаты разделения для различных белков и человеческих моноклональных иммуноглобулинов (IgG1).

Матрицей ионообменных материалов YMC-BioPro IEX являются как пористые, так и не пористые гидрофильные полимерные частицы с низкой неспецифической адсорбцией и размером частиц от 3 до 75 мкм, пригодные для всего спектра применений. Доступны как сильные анионообменники (четвертичный амин, YMC-BioPro QA), так и сильные катионообменники (сульфопропил, YMC-BioPro SP). По срав-нению с традиционными ионообменными материалами, они демонстрируют более высокую обменную емкость и более высокий выход биомолекул, с более низким неспецифическим связыванием.

Лабораторный мониторинг новых оральных антикоагулянтов

Антагонисты витамина К больше не являются единственным вариантом для лечения венозной тромбо-эмболии (ВТЭ) или для предотвращения инфаркта. В настоящее время новые оральные антикоагулянты (НОАК, ривароксабан и дабигатран, прямые ингибиторы факторов Ха и IIa соответственно), являются без-опасной и эффективной альтернативой варфарина для профилактики ВТЭ, при заменах тазобедренного или коленного суставов, для профилактики кардиоэмболии у пациентов с фибрилляцией предсердий, а также для лечения ВТЭ. Однако, существуют определенные ситуации, когда для клинического ведения пациентов необходимо знать точные концентрации НОАК в плазме. До настоящего времени не существовало легкодо-ступных методов измерения уровня этих препаратов или их анти-факторной активности. Установлено, что активированное частичное тромбопластиновое время, протромбиновое и тромбиновое время не подходят для этой цели. Высоко эффективная жидкостная хроматография в тандеме с масс-спектрометрией может быть использована для измерения уровня ривароксобана в диапазоне от 0,50 до 500 мкг/л. Однако эта методика мало доступна для рутинного клинического применения. В настоящее время общепризнанным методом для определения количества ривароксобана в крови становится методика, основанная на опреде-лении его анти Xa активности.

Для прямых ингибиторов тромбина активированное частичное тромбопластиновое время не может быть использовано для оценки количества препарата в плазме, так как имеет довольно низкую корре-ляцию с уровнями дабигатрана и, кроме того, зависит от многих факторов, в том числе от присутствия волчаночного антикоагулянта и от повышенного уровня фактора VIII в условиях воспалительных про-цессов.

В настоящее время для этих целей используются метод определения анти IIa активности с помощью хромогенного субстрата, специфичного тромбину и метод разбавленного тромбинового времени, обла-дающие линейностью практически во всем терапевтическом диапазоне концентраций используемых пре-паратов.

Иммунохимические методы анализа в медицинской диагностике: современные задачи и решения

Расширение знаний о молекулярных механизмах патологических процессов и дисфункций, а также из-менения в системе оказания медицинской помощи обусловили необходимость методического перево-оружения медицинской диагностики. Двумя основными тенденциями в развитии средств современной диагностики являются рост доли анализов, выполняемых вне специализированных лабораторий, а также востребованность высокопроизводительных методов тестирования, позволяющих получить информа-цию о наличии и содержании большого числа (десятки) соединений за минимальное (5-15 минут) время.

В докладе будут представлены разработки новых иммунохимических методов анализа, удовлетворяю-щих этим требованиям.

Рассмотрены возможности различных видов иммуносенсоров и иммунохроматографических тест-систем для решения задач медицинской диагностики. Важным достоинством иммунохроматографиче-ского анализа является использование принципа «сухой химии», когда все необходимые для анализа ре-агенты предварительно нанесены на тест-полоску, и ее контакт с анализируемой пробой инициирует все специфические взаимодействия и развитие детектируемого сигнала. Рассмотрены различные маркеры, в том числе — неорганические наночастицы, используемые в медико-диагностических системах. Пред-ставлены данные по влиянию размеров наночастиц и состава их комплексов с иммунореагентами на ха-рактеристики аналитических методов, а также разработки, направленные на управление продолжитель-ностью, чувствительностью и специфичностью анализа. На примерах аллергодиагностики и детекции кардиомаркеров показаны преимущества применения полупроводниковых флуоресцентных наночастиц (квантовых точек), выявляемых с существенно более низким пределом обнаружения по сравнению с окрашенными маркерами. Дается теоретический и экспериментальный анализ требований, предъявля-емых к экспрессным тест-системам при серодиагностике — выявлении в крови антител, специфичных к определенному соединению. Рассмотрены пути повышения производительности и диагностической значимости внелабораторных иммунохимических систем на основе мультипараметрического анализа, позволяющего одновременно детектировать значительное количество соединений. На примерах опреде-ления значимых для медицинской диагностики соединений (кардиомаркеры, маркеры воспалительных процессов, токсины, патогенные микроорганизмы и др.) представлены возможности иммуноаналитиче-ских методов и их преимущества в сравнении с другими используемыми в практике подходами.

Использование изотопной масс-спектрометрии в диагностической медицине

Анализ медицинских объектов с использованием оптических биосенсоров типа Biacore

Оптические биосенсоры, работающие на эффекте поверхностного плазмонного резонанса (SPR) — высокоэф-фективные приборы, которые позволяют регистрировать любые межмолекулярные взаимодействия в реальном

времени без использования каких-либо меток или сопряженных процессов. Из полученных серийных сенсо-грамм легко вычисляются кинетические, равновесные и термодинамические параметры взаимодействий. По-этому SPR биосенсоры с успехом используются в фундаментальных и прикладных исследованиях медицинских объектов, таких как:

(1) анализ аффинности, специфичности и кросс-реактивности антител, что делает SPR технологию незамени-мой при разработке новых иммунных лекарств и иммуно-химических тест-систем;

(2) анализ взаимодействия прототипов новых лекарств с белком-мишенью; хроматографический анализ окружающая среда

(3) аффинное выделение потенциальных белков-партнеров целевых молекул и их комплексов из лизата биологического материала с их последующей идентификацией с помощью LC-MS/MS анализа;

(4) высокоточный анализ пикомолярных концентраций белков-маркеров заболеваний в плазме крови человека.

Среди коммерчески доступных SPR биосенсоров модели типа Biacore (GE Healthcare, США), осна-щенные 4-х канальной управляемой микрофлюидной системой с 4 проточными нано-кюветами, явля-ются «рекордсменами» по чувствительности, низкому уровню шума, стабильности базового сигнала, минимальной молекулярной массе регистрируемого аналита и минимальному расходу биоматериалов.

С использованием SPR биосенсоров типа Biacore нами разработаны оригинальные варианты прямого аналитического и препаративного молекулярного фишинга для выявления потенциальных участников белок-белковых и белок-пептидных взаимодействий в живых системах. Метод основан на совмещении SPR технологии с колоночной хроматографией и LC-MS/MS идентификацией белков. Его применимость была продемонстрирована как в случае высокомолекулярных (белки, пептиды), так и низкомолекуляр-ных (производные изатина) иммобилизованных лигандов. Подход был успешно применен в интерактом-ных исследованиях, выполняемых в рамках:

(1) Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы по проекту «Протеом человека» для выявления в лизате ткани печени человека возможных мо-лекулярных партнеров 7 целевых белков, кодированных в 18-й хромосоме человека;

(2) Комплексного гранта РФФИ (13-04-40108-К) для выявления в лизате иммортализованных нейрональ-ных клеток человека потенциальных белков-партнеров, взаимодействующих с различными изоформа-ми металл-связывающего домена бета-амилоида, которые играют ключевую роль в развитии болезни Альцгеймера.

(3) Грантов РФФИ (11-04-01163 и 15-04-01545) по изучению изатин-связывающих белков в норме, при

гравитационной разгрузке и при нейродегенеративной патологии.

Аналитическое оборудование Shimadzu для комплексных медико-биологических исследований

Стремительное развитие биологических наук на рубеже 20-21 веков привело к появлению новой дис-циплины — молекулярной медицины. По срав нению с традиционной, молекулярная медицина имеет дело не со следствием (симптомы заболе вания), а с причиной, а именно — определяет те молекулы, которые ответственны за развитие па тологического процесса. Таким образом, проведение быстрой и точной диа-гностики становится неразрыв но связанным с аналитическими методами, обеспечивающими анализ хи-мического состава на мо лекулярном и внутримо лекулярном уровнях.

Компания Shimadzu (Япония) производит уни кальную линейку аналитического оборудова ния для комплексных медико-биологических исследований.

Газовые хроматографы и хроматомасс-спектрометры (ГХМС) используются для выявления типов микроорганизмов на основе данных о наборе жирных кислот, присутствующих в биологических средах.

Большое количество метаболомных исследований выполняется с использованием ГХМС. Высокоско-ростные квадруполи Shimadzu широко используются при выявлении маркеров различных заболеваний, что делает возможной раннюю диагностику.

Высокоэффективная жидкостная хроматография с тандемными квадрупольными масс-селективными детекторами становится основной техникой в проведении неонатального и пренатального скрининга, а также в фармакокинетических исследованиях.

Спектроскопия MALDI (ионизация лазерной десорбцией при содействии матрицы) является мощным инструментом при исследовании белковых молекул, и поэтому широко используется в протеомных ис-следованиях: ранняя диагностика на основе сравнения протеомов здорового и больного человека, иден-тификация микроорганизмов, возможность наблюдения распределения белков, пептидов, эндогенных соединений в тканях (локализация опухолей), Изучение посттрансляционных модификаций белков и др.

Компания Shimadzu развивает новое инструментальное направление — приборы для визуализации мо-лекулярных процессов. Компания уже представила на рынке приборы этого направления: масс-микроскоп

iMScope TRIO, совмещающий мощный оптический микроскоп и MALDI спектрометр, и LABNIRS — прибор для визуализации мозговой деятельности.

Многокомпонентный диодный лазерный спектроанализатор для скрининговой диагностики содержания биомаркеров в выдыхаемых компонентах воздуха

Проведение скрининговых дыхательных тестов является эффективным методом оценки функциональ-ного состояния организма. Под скрининговым исследованием в медицине понимают комплекс мер, направленных на выявление скрытых заболеваний в популяции обследуемых (выявление «групп ри-ска» по конкретным заболеваниям) при отсутствии ярко выраженных симптомов болезни. Основными требованиями к скрининговым тестам является простота, неинвазивность и безопасность процедуры тестирования, высокая скорость обработки данных, возможность выявления заболеваний на ранней стадии. Анализ газообразных биомаркеров в выдохе человека является одним из перспективных и быстроразвивающихся методов неинвазивной диагностики. Помимо основных атмосферных молекул (H2O, 12CO2, N2, O2) в выдыхаемом человеком воздухе выявлено более 1000 соединений с концентра-циями на уровне ppb-ppm. Образование этих соединений связано с биохимическими метаболическими процессами в организме. Несмотря на интенсивные исследования в этой области, связь концентрации молекулярного компонента в выдыхаемом воздухе с конкретной патологией установлена лишь для не-скольких десятков молекул (например, дыхательные тесты определения С2Н5ОН, 13СО2, 12СО2, CO, NO).На базе диодных лазеров (ДЛ) ближнего ИК диапазона с волоконным выводом излучения разрабо-тан экспериментальный прототип многоканального газоанализатора для неинвазивных скрининговых медико-биологических исследований. Прибор позволяет одновременно в порции выдыхаемого воздуха определять биомаркеры компонентов воздуха:

12CO2, 13CO2, CH4, H2S. Измерения концентраций моле-кул проводятся в многопроходной кювете Эрио с полной длиной оптического пути 26 м и объемом 2,5 л. В качестве ДЛ используются два лазерных модуля NEL фирмы NTT Electronics. Детектирование CH4 осуществляется в диапазоне длин волн 1,65 мкм, 12CO2, 13CO2и H2S — в диапазоне 1,60 мкм. Измерения проводятся в режиме реального времени.

В терапевтической клинике ГКБ №12 г. Москвы была проведена клиническая апробация диодно-лазерной спектрометрии для газоанализа, в ходе которых исследовалось содержание CH4, 13CO2, 12CO2 и H2S в выдыхаемом воздухе у практически здоровых лиц и у пациентов с различными заболеваниями при их удовлетворительном самочувствии. Исследование содержания этих биомаркеров проводились при различных физиологических состояниях человека: в покое, при дозированной физической нагруз-ке, психоэмоциональном стрессе и пищевой нагрузке. Одновременно фиксировались показатели пуль-соксиметрии (SpO2, ЧСС), АД, ЧДД, глюкоза крови. Воздействие нагрузочных факторов существенно изменяло содержание состава биомаркеров выдыхаемого воздуха (см. графики и таблицы). Наиболее существенно и закономерно на высоте нагрузки по отношению к исходным в покое изменялись параме-тры СО2, СН4, ЧСС, ЧД, SpO2, глюкоза крови. Исходное повышение содержания 12СО2 свидетельствует о скрытых или явных нарушениях газообменной функции легких или о снижении основного обмена. Это может быть косвенным маркером скрыто протекающих заболеваний органов дыхания, гипофунк-ции щитовидной железы и др. патологических процессов. При нагрузке при сравнении с покоем в выдыхаемом воздухе существенно снижается уровень СН4, который «сгорает» в результате ускорения метаболических реакций. Показатели 13СО2 четко коррелируют с функциональным состоянием желу-дочного пищеварения (реагируют на прием пищи, наличия функциональных нарушений желудочно-кишечного тракта), что подтверждается многочисленными клиническими исследованиями уреазных дыхательных тестов.

Основными выводами результатов предварительной клинической апробации газоанализа выдыхае-мого воздуха методом диодно-лазерной спектрометрии (ДЛС) являются: 1) Применяемый метод ДЛС соответствует требованиям, предъявляемым к скрининговым инновационным технологиям для выяв-ления скрыто протекающих патологических процессов и функциональных нарушений у человека. 2) Выявляемые отклонения параметров газообразных метаболитов выдыхаемого воздуха человека в ус-ловиях различных нагрузок позволяют обоснованно определить группы риска скрытых заболеваний и оценить степень функциональных нарушений. 3) Констуктивные усовершенствования газоаналитиче-ского ДЛС-устройства позволили упростить процедуру обследования пациентов, обеспечить его высо-кую мобильность и повысить безопасность его применения в массовых скрининговых медико-физио-логических исследованиях.

Масс-спектрометрический анализ медицинских объектов

Рассмотрены наиболее важные вопросы, относящиеся к анализу медицинских объектов (физиологиче-ские жидкости, ткани и другие биообразцы) методами масс-спектрометрии (МС) и хроматомасс-спектро-метрии (ХМС) — наиболее чувствительными и специфичными методами молекулярного анализа. Обсуж-даются «горячие» области МС/ХМС и их применение в (а) клинической диагностике и (б) фармакоки-нетике, а также (в) состояние и перспективы развития нескольких «-омик» — новых научных областей, в значительной мере основанных на применении МС. Сопоставлены достоинства и недостатки различных методов и вариантов МС и ХМС.

Охарактеризованы области клинической диагностики, в которых МС/ХМС играет значительную роль:

анализ выдыхаемого воздуха, идентификация микроорганизмов, скрининг новорожденных, эндокрино-логия, лекарственная терапия, маркерные пептиды и белки, масс-спектрометрическая визуализация.

Анализируются общие проблемы определения биомаркеров, переход от академических исследований к практической диагностике.

Рассмотрены варианты МС, применяемые в фармакокинетике, и ее место в ряду биомедицинских проблем. Сравнивается чувствительность и селективность МС высокого разрешения и тандемной МС.

Преимущества применения МС в фармакокинетике отмечены на примере определения препаратов бупре-норфина и налоксона в плазме крови пациентов методом ХМС.

Анализируется современное состояние «-омик», отмечены их реальные и потенциальные достижения.

Затронуты наиболее распространенные «-омики», в т.ч. те из них, в которых основную роль играет МС и ХМС: протеомика, метаболомика, липидомика и гликомика. Приведен обзор работ по липидомике, вы-полненных в лабораториях авторов и относящихся к липидам плазмы крови человека и легочному лаважу мышей.

Спектрофотометрическое определение борной кислоты в водах

Потребность в боре для народного хозяйства России непрерывно возрастает. Бор и его соединения используются, в частности, в сельском хозяйстве, бытовой химии, фармацевтике и др. Широкое использование бора ведёт к его накоплению в окружающей среде (ОС) и организмах, с другой — к недостатку его, например, в почвах.

Недостаточное содержание бора приводит к потере урожайности, при избытке же его в ОС возникает потенци-альная угроза для животных (ПДК бора в питьевой воде в странах ЕС 0,1 мг/л, в России — 0,5 мг/л, в пресных водоемах рыбохозяйственного значения — 0,017 мг/л; в пищевых продутах 0,5 мг/кг Требуется строгий контроль за содержанием бора в водах и почвах.Для определения бора в водах различной истории и целевого назначения на уровне ПДК необходимы достаточно чувствительные методики. Инструментальные методы требуют дорогостоящего оборудования, наличия высококвалифицированного персонала, дорогих расходных материалов. До сих пор основными остаются спектрофотометрические методы (СФМ) с применени6ем органических реагентов (ОР). Среди ОР для СФМ определения бора в форме H3BO3наиболее часто применяют азосоединение на основе АШ-кислоты бериллон III. Но для развития цветных реакций при 25єС необходимо не менее 12 — 18 час. К тому же, чувствительность и селективность известных методик определения Н3ВО3 не всегда достаточна. В настоящей работе экспрессность реакций повышена активацией H3BO3 в цветных реакциях с реагентом бериллон III введением в систему диольных соединений — сорбита или глицерина, чувствительность и селек-тивность — применением экстракционно-фотометрического варианта методики. В качестве маскирующей выбрали смесь 200 мг ЭДТА + 40 мг аскорбиновой кислоты на 25 мл конечного раствора.Новые методики позволяют определять Н3ВО3в диапазонах 0,008 — 0,8 мг/л (модифицированная СФМ в присутствии сорбита), 0,004 — 0,8 мг/л (экстракционно-спектрофотометрическая методика, ЭСМ). Селективность методик характеризовали «факторами селективности» — допустимом массовым отношением посторонний — ион, при котором неопределенность оределения 0.995), правильность 94-108%. Время анализа составило 15 мин. Средние концентрации связанных Цис и Гцис в об-разцах составили 132 и 5.7±2.7 (1.9-13.3) мкМ соответственно. Среднее Цис/Гцис составляло 26±8, что близко к значениям, ранее полученным для соотношения общего Цис/Гцис . Соотношение Цис/Гцис отличалось в 1,5 раза меньшим разбросом, чем связанный Гцис. Выявлена тесная кор-реляция между Гцис и Гцис/Цис (r=0,86), но её не выявлено между Цис и Цис/Гцис (r=-0,41).

Выводы.Используя представленный подход можно проводить определение связанных форм Цис/Гцис. Это соотношение имеет довольно высокую степень корреляции с уровнем связанного Гцис и характеризуется мень-шей вариабельностью, что дает основания использовать его в качестве альтернативы определению общего Гцис.

Микрофокусная рентгенофлуоресцентная спектрометрия и ее применение для анализа биологических образцов

Рентгенофлуоресцентный метод анализа, особенно в его энергоди-сперсионном варианте (ЭДРФА), является одним из наиболее удобных и доступных неразрушающих методов анализа в том числе и биоло-гических образцов. К его достоинствам также относится возможность проведения одновременно многоэлементного качественного и количественного микроанализа в широком диапазоне концентраций от 10-4% (1 ppm) до 100 %. В большинстве случаев отсутствует подготовка пробы для анализа, что является важным, особенно при анализе медико-биологических материалов. Время проведения анализа составляет не более 5 мин.Были исследованы человеческие зубы и кости, образцы, полученные при операциях на живых органах и тканях (биоптаты слизистой оболочки желудка, сосуды, нервы, надпочечники и т.д.).Исследования проводили на рентгенофлуоресцентном микроана-лизаторе «МХ-10» (ООО «Институт физической оптики») с поликапиллярной оптикой Кумахова с фокальным зондом 26 мкм. Спектрометр является портативным, радиационно-безопасным и не требует контроля и учета со стороны СЭС (см. фото). Спектры получали на

рентгеновской трубке с Cu-анодом при высоком напряжении 20 и 30 кВ, токе накала 50-100 мкА. Время

набора одного спектра составляло 100 или 300 с. Использование эффективных фокусирующих рентгено-оптических систем позволяет проводить локальный анализ с построением карты распределения элемен-тов на поверхности. Появляется возможность исследования микрообъектов и микровключений в анализируемых образцах.

Получены распределения Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe в различных местах живых тканей, волос,

зубов, сосудов. Показано, что содержание элементов значительно изменяется в местах с микровключениями по сравнению с теми местами где поверхность более-менее однородна. Таким образом, рентгенофлуоресцентный микроанализ может быть использован для решения многих проблем в медицине при изучении роли макро- и микроэлементов при различных заболеваниях, в ис-следовании биосубстратов при диагностике, изучении влияния загрязненности окружающей среды на здоровье человека, определении токсичных металлов в связи с профилактикой профессиональных за-болеваний и т.д.

Проблема загрязнения окружающей среды химическими веществами — продуктами техногенеза. Определение содержания кислоторастворимых форм металлов (свинец, медь, цинк, никель, железо) в пробах почв Тульской области методом атомно-абсорбционной спектроскопии.

курсовая работа , добавлен 23.08.2015

Хроматографический и оптический методы анализа. Определение состава смеси органических спиртов, содержания ионов металлов в растворе, содержания лактозы (сахарозы). Определение содержания карбоната и гидрокарбоната в смеси методом прямого титрования.

методичка , добавлен 13.11.2009

Хроматоргафический анализ — метод идентификации химических элементов и их соединений. Физико-химические методы. Классификация хроматографических методов. Краткие сведения о хроматографических методах анализа. Виды хроматографического анализа.

реферат , добавлен 01.06.2008

Спектрофотометрический и фотоколориметрический методы анализа пищевых продуктов, их сущностная характеристика. Закон светопоглощения. Приборы и оптимальные условия для фотометрии. Пример определения цветного числа масел и содержания диоксида серы.

презентация , добавлен 19.03.2015

Загрязнение пищевых продуктов тяжелыми металлами. Токсическое действие соединений мышьяка. Методы идентификации и количественного определения йода в продуктах, продовольственном сырье и биологически активных добавках. Определение кислотности молока.

курсовая работа , добавлен 04.01.2013

Понятие тяжелых металлов и агроландшафтов. Основные причины появления металлов в больших концентрация в почвах, в результате чего они становятся губительными для окружающей среды. Биогеохимические циклы тяжелых металлов: свинца, кадмия, цинка, никеля.

реферат , добавлен 15.03.2015

Тест-системы определения металлов в объектах окружающей среды. Перечень и характеристика химических реактивов, применяемых в исследованиях. Определение содержания ионов никеля колориметрическим методом в растворах заданной концентрации.

курсовая работа , добавлен 14.05.2007

Характеристика, классификация и химические основы тест-систем. Средства и приёмы анализа различных объектов окружающей среды с использованием тест-систем. Определение ионов кобальта колориметрическим методом из растворов, концентрации ионов меди.

дипломная работа , добавлен 30.05.2007

Методы определения металлов. Химико-спектральное определение тяжелых металлов в природных водах. Определение содержания металлов в сточных водах, предварительная обработка пробы при определении металлов. Методы определения сосуществующих форм металлов.

курсовая работа , добавлен 19.01.2014

Определение концентрации тяжелых металлов, фосфора и общего содержания восстановителей в водах и прибрежных растениях. Уровень загрязнения городского воздуха. Пробоотбор на сорбент с последующей термодесорбцией непосредственно в испарителе хроматографа.

источник