Методы и практика контроля анализа содержания тяжелых металлов в биологических средах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методы и практика контроля анализа содержания тяжелых металлов в биологических средах

М.А. Мукашева

В статье приведен обзор научной литературы, анализирующей новые методы обнаружения тяжелых металлов в биологических жидкостях. Исследователи столкнулись с задачами необходимости развития простых, дешевых, эффективных методов анализа биологических материалов. Для оценки уровня содержания и неблагоприятного воздействия тяжелых металлов на организм нужны точные количественные показатели фонового содержания элементов в биосредах, учитывающие также особенности микроэлементного состава окружающей среды обитания для исследуемого региона. Сделан вывод о том, что необходимо разработать методические подходы и установить фоновые региональные уровни содержания металлов в биологических средах.

При решении вопроса разработки контроля содержания тяжелых металлов в биологических средах, для предупреждения отрицательного влияния факторов среды обитания, связанных с загрязнением окружающей среды, приходится рассматривать большое число разнообразных проблем. Одна из основных -- объективная оценка реального загрязнения объектов окружающей среды, тесным образом связанная со здоровьем населения, проживающего на территории крупных промышленных комплексов [1, 2]. Анализ эко-гигиенических исследований, затрагивающий вопросы комплексной оценки состояния среды обитания, показал, что в работах, посвященных данной проблеме, недостаточно освещены вопросы взаимодействия человека со средой обитания в экосистеме «человек-доза», где на человека действует комплекс антропогенных факторов [1-4].

Многочисленные промышленные выбросы крупных производственных предприятий, выхлопы автомобильного транспорта создали весьма сложную экологическую обстановку в регионах, где они расположены. Химические соединения, поступающие ежедневно в среду обитания, перераспределяются и мигрируют в результате ветрового переноса, а также переноса поверхностными и подземными водами на довольно большие расстояния [5]. Перераспределение «техногенной нагрузки» происходит повседневно и по сей день [6]. Таким образом, создана необходимость уделить трансформации химических элементов в объектах окружающей среды референтных пределов содержания химических элементов в организме человека, проживающего в промышленном регионе, где особенно часто возникают проблемные ситуации экологического характера.

Для расчета экологической оценки безопасности необходимо учитывать не только значительный вклад тяжелых металлов в техногенную нагрузку на окружающую среду, но и состояние здоровья населения, проживающего в исследуемой местности [2, 4, 7, 8]. Так, например, соотношение содержания тяжелых металлов в волосах было положено в основу нового способа прогнозирования влияния атмосферных загрязнений на состояние здоровья [9].

В этом плане главной задачей является совершенствование методического обеспечения диагностики при наличии токсического воздействия экологических факторов малой интенсивности, так как, попадая через органы пищеварения и дыхания в организм человека, тяжелые металлы аккумулируются в различных тканях с последующим токсическим воздействием на организм. Они оказывают неспецифическое воздействие, которое осуществляется через бессимптомное накопление в тканях и органах, далее проявляется учащением и осложнением соматической патологии. Клинически идентифицировать такое воздействие сложно и не всегда представляется возможным [2, 8, 10-12]. Информативным диагностическим показателем при этом является исследование содержания химических элементов в биологических средах [1, 3, 9, 11, 13-15].

На современном этапе в данном направлении работает ряд ученых, которые используют различные химико-аналитические методы [1, 3, 12, 13, 15].

Так, в практике при исследовании биологических объектов находят применение современные методы спектрографии, отличающиеся, наряду с высокой избирательностью и достаточной чувствительностью, возможностью одновременного определения в одной пробе ряда элементов [16]. Однако количественный спектрографический анализ материалов биологического происхождения затруднен, с одной стороны, малым содержанием элементов, с другой -- неоднородностью структурного и элементарного состава. Точность таких результатов анализа определяется в основном качеством применяемых эталонов и их соответствием анализируемых пробам. Одно из основных требований, предъявляемых к эталонам, -- соответствие матричных основ эталонов и анализируемых проб. Несоблюдение этого требования может привести к искажению результатов анализа в 2-3 раза. В спектрографии биологических материалов применяют два способа приготовления эталонов -- на искусственной и естественной основах. Эталоны на искусственной основе не достигают полного соответствия матричных основ проб и эталонов и требуют использования реагентов особой чистоты и сложной технологии приготовления, влияние же матричных эффектов позволяет применение метода добавок, но ограниченность массы исследуемых органов лабораторных животных не позволяет использовать этот метод [16].

За последние 10 лет зарубежными авторами выполнен ряд работ по газовой хроматографии металлов. Так, Ross и Sivers разработали быстрый способ определения следов хрома, алюминия и бериллия в виде трифторацетилацетонатов, а Maer анализировал смесь трифторацетилацетонатов бериллия, меди, хрома с использованием масс-спектрометра для их идентификации [17]. Российские работы, посвященные газохроматографическому определению микроколичеств металлов, публикуются с 1970 г. В то время алюминий, хром, железо определяли газоадсорбционной хроматографией, где в качестве сигнализирующего устройства был использован детектор захвата электронов. Это был более доступный и быстрый способ определения микроколичеств металла [18-20]. В литературе [21] описаны методы определения кремния в крови, основанные на минерализации пробы и последующем выявлении с молибдатами по окраске гетерополикислот. Описанные условия анализа, способы устранения «мешающих» веществ (в первую очередь фосфатов и пигментов), рекомендации по конечному определению весьма разноречивы, а в некоторых случаях и противоречивы [22]. О.М.Гули-на [23] рекомендовала визуально определять кремний дотитровыванием холостой пробы раствором хромата калия до окраски пробы. Ранее В. И.Иванов ввел фотометрическое определение кремния в водной пробе [24]. Это позволило определить фоновое содержание кремния в крови и отдифференцировать роль «водного» кремния. биологический трифторацетилацетонат хром

Существуют методические разработки определения металлов в биологических средах методом атомно-абсорбционной спектрометрии, являющимся достаточно экспрессным, чувствительным и селективным в современной аналитической практике [16, 18, 20, 25]. Так, в работах М.М.Чубирко установлены оптимальные параметры анализа исследуемых элементов с атомизацией в пламени (ток лампы, соотношение горючее/окислитель, область фотометрирования пламени, скорость подачи пробы), позволяющие обосновать оптимальную величину характеристической концентрации для исследуемых металлов на уровне 10^-1 - 10^-3 мкг/мл^-1, с максимальной погрешностью анализа 17,9 % [26]. Для определения содержания марганца, свинца, меди, хрома, железа, никеля в биологических объектах (волосах, плаценте, крови) разработан способ перевода биопроб без термического разложения и кислотной минерализации, что снизило потерю элементов, неизбежную как при сухом озолении, так и при кислотной минерализации биопроб, и одновременно расширить спектр определяемых ингредиентов. Такой подход позволил определять тяжелые металлы в биологических средах на уровне 10^-1 - 10^-3 мкг/мл^-1 с погрешностью определения до 20 % [26].

Известно, что металлы являются обязательными структурными компонентами биологических макромолекул, обеспечивая их нормальное функционирование [27]. Вместе с тем такие металлы, как молибден, никель, медь, хром, кобальт, марганец и цинк, воздействуя на живые организмы, обнаруживают мутагенную и канцерогенную активность [28]. Для выявления механизмов такого неблагоприятного действия металлов были проведены многочисленные исследования действия металлов на свойства нуклеиновых кислот. Так, спектроскопическим методом было изучено взаимодействие ди-зорибонуклеиновых кислот с соединениями хрома и калия. Получены инфракрасные спектры пленок дизорибонуклеиновых кислот, содержащих сульфат хрома, хлорид хрома и бихромат калия [29].

В экспериментальных исследованиях, при использовании метода инверсионной вольтамперо-метрии, в качестве альтернативного существующему способу кислотной минерализации проб был предложен метод твердофазной экстракции, включающий очистку и концентрирование определяемых компонентов при малых затратах времени и реактивов. Применялись серийно выпускаемые фторопластовые патрончики, внутри которых находился комплексообразующий сорбент. При этом процесс пробоподготовки сводился к разбавлению раствором КС1 1-2 мл биосубстрата, затем его пропускали через концентрирующий патрон. Тогда каждый металл количественно сорбируется на комплексообразователе [30].

Для различных типов биологических субстратов в аналитическом плане найдено конкретное решение [8-12, 16, 18, 22, 25, 30]. Так, для цельной крови это применение модификации матрицы путем давления малых количеств аскорбиновой кислоты до пробы, что дало возможность в условиях микроанализа при исследовании 0,1-0,2 мл капиллярной крови получить точные количественные характеристики широкого спектра элементов -- Pb, Fe, Zn, Co, Ni, Cu, Cd на уровне фоновых их концентраций, а также повысить чувствительность элементометрии в 1,4 раза. Для химического разложения образцов волос разработан способ гомогенизации материала в органическом растворителе -- эмульгирование с гидроксидом тетраметиламмония, что снижает вероятность потерь определяемых элементов. По сравнению с методами озоления проб он является более экономичным и безопасным по сравнению с автоклавным кислотным разложением. Возможные потери определяемых компонентов в случае образования осадка исключаются путем дополнительного кислотного его растворения и последующего анализа. Данный прием пробоподготовки позволил повысить точность элементометрии в волосах на 10-50 % [31].

Для оценки уровня содержания и неблагоприятного воздействия тяжелых металлов на организм необходимы точные количественные показатели фонового содержания элементов в биосредах, учитывающие также особенности микроэлементного состава окружающей среды обитания для исследуемого региона. Необходимо разработать методические подходы и установить фоновые региональные уровни содержания металлов в биологических средах.

Для мочи, в которой элементы находятся в связанном состоянии и представляет собой сложную смесь химических компонентов, устранение мешающего влияния органической матрицы и перевода определяемых элементов в электрохимически активную форму применяют различные варианты про-боподготовки, такие как кислотное разложение, щелочное плавление или ультрафиолетовое облучение растворов [32].

В результате анализа доступной нам литературы мы представили картину новых способов анализа содержания тяжелых металлов в биосредах, включающую доступность, высокую чувствительность, точность определения, однако считаем необходимым повториться, что невозможно оценить эффективность профилактических мер без постоянного контроля за поступлением, усвоением и выведением из организма человека этих (а также токсичных) элементов. Поэтому перед химиками-аналитиками встают задачи разработки простых, дешевых, эффективных методик анализа биологических материалов.

Продолжается непрерывная работа над разработками и аттестацией методик выполнения измерений массовых концентраций ряда элементов в биологических пробах вольтамперометрическим методом. Метод вольтамперометрии, в частности инверсионной вольтамперометрии, отличается высокой чувствительностью и в то же время простотой, дешевизной оборудования, находит применение в анализе пищевых продуктов, фармпрепаратов и лекарственного сырья, биологических объектов[33-35].

Список литературы

1. Агбалян Е.В. Содержание тяжелых металлов и риск для здоровья населения на Ямальском Севере // Гигиена и санитария. -- 2012. -- № 1.-- С. 14-16.

2. Мамырбаев А.А., Сакебаева Л.Д., Сатыбалдиева У.А., Куянбаева Г.Е. Роль антропотехногенной нагрузки в формировании аллергической заболеваемости // Гигиена и санитария. -- 2012. -- № 3. -- С. 25-29.

3. Еремейшвили А.В., Фираго А.Л., Бакаева Е.А. Особенности содержания микроэлементов в биосубстратах детей в возрасте 1-3 лет в условиях антропогенной нагрузки // Гигиена и санитария. -- 2012. -- № 2. -- С. 20-23.

4. Засорин Б.В., Ермуханова Л.С. Влияние факторов окружающей среды на иммунологическую резистентность организма // Гигиена и санитария. -- 2012. -- № 3. -- С. 8-9.

5. Панин М.С. Химическая экология. -- Семипалатинск, 2004. -- 852 с.

6. Панин М.С. Экология Казахстана. -- Алматы, 2002. -- 500 с.

7. Карпова Е.Г., Архиреева В.А. Здоровье детей дошкольного возраста в городах с разным уровнем загрязнения окружающей среды // Гигиена и санитария. -- 1998. -- № 6. -- С. 35-37.

8. Михайлова И.В., Смолягин А.И., Боев В.М. Влияние бензола и хрома на микроэлементный состав биосубстратов крыс «Вистар» // Гигиена и санитария. -- 2012. -- № -- С. 63-65.

9. Чеснокова Л.А., Михайлова И.В., Красиков С.И., Боев В.М., Смолягин А.И. Влияние хрома на микроэлементный го-меостаз биосубстратов лабораторных животных // Гигиена и санитария. -- 2012. -- № -- С. 65-69.

10. Ларионова Т.К. Биосубстраты человека в эколого-аналитическом мониторинге тяжелых металлов // Медицина труда и пром. экология. -- 2000. -- № 4. -- С. 30-33.

11. Текуцкая Е.Е., Софьина Л.И., Бендер Л.В., Онищенко Н.П. Методы и практика контроля содержания тяжелых металлов в биосредах // Гигиена и санитария. -- 1999. -- № 3. -- С. 72-74.

12. Бакулина Л.А., Шустов Д.А. Определение микроколичеств ртути в биоматериале со сложным элементарным составом (нейтронно-активационный анализ) // Гигиена и санитария. -- 1990. -- № 3. -- С. 49-52.

13. Слепченко Г.Б., Пикула Н.П., Захарова Э.А. и др. Вольтамперометрическое определение химических элементов в пробах мочи // Гигиена и санитария. -- 2005. -- № 3. -- С. 64-66.

14. Гильденскиольд Р.С. Тяжелые металлы в окружающей среде и их влияние на организм (обзор) // Гигиена и санитария. -- 1992. -- № 5-6. -- С. 34-37.

15. Засорин Б.В., Курмангалиев О.М., Ермуханова Л.С. Особенности иммунного статуса у населения урбанизированных территорий с повышенным содержанием тяжелых металлов // Гигиена и санитария. -- 2 -- № 3. -- С. 17-19.

16. Кустанович И.М. Спектральный анализ. -- М.: Высш. шк., 1972. -- 352 с.

17. Бингам Ф.Т., Коста М., Эйхенбергер Э. и др. Некоторые вопросы токсичности ионов металлов. Пер. с англ. / Под ред. Х.Зигеля, А.Зигель. -- М.: Мир, 1993. -- 368 с.

18. ЛьвовБ.В. Атомно-абсорбционный спектральный анализ. -- М.: Наука, 1966. -- 392 с.

19. Гадаскина И.Д., Гадаскина Н.Д., Филов В.А. Определение промышленных неорганических ядов в организме. -- Л., 1975. -- С. 100-110.

20. Ковальский В.В., Гололобов А.Д. Методы определения микроэлементов в органах и тканях животных, растениях и почвах. -- М., 1969. -- С. 82--91.

21. Ласточкина К.О., Плитман С.И., Метельская Г.Н. К вопросу определения кремния в сыворотке крови // Гигиена и санитария. -- 1986. -- № 11. -- С. 45.

22. Бок Р. Методы разложения в аналитической химии. -- М., 1984.

23. Гулина О.М. Материалы по вопросам промышленной токсикологии и клиники профессиональных болезней. -- Горький, 1957. -- Сб. 8. -- С. 109-123.

24. Иванов В.И., Розенберг П.А. Новое в области санитарно-химического анализа. -- М., 1962. -- С. 35.

25. Макаренко Н.П., Ганебных Е.В. Пробоподготовка биологического материала для атомно-абсорбционного анализа // Гигиена и санитария. -- 2007. -- № 3. -- С. 71, 72.

26. Чубирко М.И., Басова Г.М., Степанова Н.Н. и др. Биомониторинг тяжелых металлов в слюне // Гигиена и санитария. -- 2005. -- № 2. -- С. 66-67.

27. Мамырбаев А.А., Бекмухамбетов Е.Ж., Засорин Б.В. Содержание металлов в волосах и крови детского населения городов Актюбинской области // Гигиена и санитария. -- 2012. -- № 3. -- С. 61-63.

28. Зайцева Н.В., Уланова Т.С. Плахова Л.В., Суетина Г.Н. Влияние полиметаллических загрязнений объектов окружающей среды на изменение микроэлементного состава биосред у детей // Гигиена и санитария. -- № 4. -- С. 11-15.

29. Боев В.М., Куксанов В. Ф., Быстрых В.В. Химические канцерогены среды обитания и злокачественные новообразования. -- М.: Медицина, 2002. -- 343 с.

30. Больбух Т.В. Гидратация нуклеиновых кислот в пленках по данным инфракрасной спектроскопии и пьезогравиметрии: Автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. -- Харьков, 1998. -- 32 с.

31. Монтрель М.М., Шабарчина Л.И., Плетнева Т.В., Ершов Ю.А. ИК-спектроскопическое изучение взаимодействия солей хрома с природной ДНК // Биофизика. -- 1993. -- Т. 38, Вып. 4. -- С. 636-642.

32. Юдина Т.В., Федорова Н.Е., Егоров М.В. и др. Оптимизация системы лабораторного контроля, гигиенического биомониторинга и ранней неинвазивной диагностики // Гигиена и санитария. -- 1997. -- № 6. -- С. 45-48.

33. Вредные химические вещества. Неорганические соединения 5-8 групп / Под. ред. В.Л.Филова. -- 1989. -- С. 257--284.

34. ГОСТ Р 51301-99. Продукты пищевые и продовольственное сырье. Инверсионно-вольтамперометрические методы определения содержания токсичных элементов (кадмия, свинца, меди и цинка). -- М., 1999.

35. ГОСТ Р 51962-2002. Продукты пищевые и продовольственное сырье. Инверсионно-вольтамперометрические методы определения содержания мышьяка. -- М., 2002.

Размещено на Allbest.ru