Способ определения ртути в биологических материалах

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к инструментальным методам определения содержания ртути в биологических материалах, и может быть использовано при проведении научных исследований в биологии, в медицинской практике, в токсикологии, ветеринарии, судебной медицине и в других областях, где существует потребность в получении информации о содержании ртути в биологических материалах.

Ртуть является одним из приоритетных персистентных неорганических экотоксикантов и характеризуется низким порогом токсического действия и способностью аккумулироваться в живых организмах и объектах окружающей среды.

Высокая токсичность ртути обуславливает ее низкие значения предельно допустимой концентрации в продуктах питания и объектах окружающей среды

Как показывают последнее исследования, в настоящее время большое значение приобретают данные о негативных последствиях для организма воздействия ртути и ее соединений в концентрациях, ранее считавшихся незначительными и нетоксичными (например, для крови - 1,0 мкг/дм³).

Указанные факторы делают актуальным разработку и совершенствование чувствительных и точных методов аналитической химии для определения содержания ртути, к числу которых относятся инструментальные методы анализа, основанные на различных физических и физико-химических процессах.

Известен ряд чувствительных способов определения ртути в биологических материалах, базирующихся на различных модификациях спектрометрического метода измерения содержания ртути.

Так, известен способ определения содержания ртути в биологическом материале, в частности, в крови, в моче, методом атомной эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной аргоновой плазмой [МУК 4.1.1483-03. Определение содержания химических элементов в диагностируемых биосубстратах, поливитаминных препаратах с микроэлементами в биологически активных добавках к пище и в сырье для их изготовления методом атомной эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной аргоновой плазмой].

Данный способ основан на использовании индуктивно-связанной аргоновой плазмы в качестве источника возбуждения атомов и масс-спектрометра для их разделения и детектирования.

Способ обладает достаточно высокой чувствительностью.

Однако способ предполагает осуществление пробоподготовки анализируемого материала, включающей его разбавление в 10 раз, многостадийную обработку биоматериала путем «мокрой» минерализации с использованием ряда регентов в условиях нагрева до высоких температур. Разбавление исходного материала, использование реагентов, которые могут содержать ртуть и другие мешающие анализу компоненты, воздействие высоких температур, приводящее к испарению металлической формы ртути и некоторых ее органических соединений - все эти факторы могут привести к значительной ошибке в результатах определения содержания ртути в анализируемом материале в рассматриваемом способе.

Известен масс - спектрометрический способ определения ртути в органических материалах, в частности, в жидких биологических материалах [RU 2110060], выбранный авторами в качестве ближайшего аналога.

Способ включает отбор микрошприцом дозированного количества жидкого биологического материала, его термическое разложение (пиролиз) с целью атомизации содержащейся в анализируемом материале ртути и последующее ее определение методом атомно-абсорбционной спектрометрии. Перед атомизацией материал отобранной пробы осушают струей горячего воздуха. Атомизацию осуществляют в присутствии катализатора.

Достоинством данного способа является то, что не требуется осуществлять сложную многостадийную пробоподготовку с использованием материалов и приемов, негативно влияющих на получение точных результатов анализа.

Существенным недостатком данного способа является то, что в процессе осушения анализируемого материала струей горячего воздуха происходит его вскипание и вынос с крупными каплями части ртути и ее соединений из зоны детектирования, следствием чего является снижение чувствительности и точности результатов анализа.

Недостатком рассматриваемого способа является также то, что в случае анализа жидких биологических материалов, представляющих собой вязкие субстанции, в частности, таких как кровь, при использовании микрошприца для дозирования материала часть его остается на стенках дозирующего устройства, что также снижает точность результатов анализа.

Кроме того, чувствительность рассматриваемого способа для жидких биологических материалов, в частности, для крови, не превышает 0,3 мкг/дм³, что бывает недостаточным для обнаружения ртути в биологических материалах, содержащейся в незначительных концентрациях.

Рассматриваемый способ применим лишь к жидким формам биологических материалов, что ограничивает возможность определения ртути в биологических материалах, имеющих иное агрегатного состояние.

Проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение чувствительности и точности способа определения ртути в биологических материалах при обеспечении расширения спектра видов анализируемых биологических материалов.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения ртути в биологических материалах, включающем отбор дозированного количества биологического материала, термическое разложение биологического материала с целью атомизации содержащейся в нем ртути и последующее ее определение методом атомно-абсорбционной спектрометрии, включающем определение содержания ртути в биологическом материале с помощью предварительно полученной градуировочной характеристики, согласно изобретению используют биологический материал, предварительно обезвоженный путем лиофильной сушки.

В частном случае выполнения изобретения содержание ртути в биологическом материале определяют с помощью градуировочной характеристике, полученной с использованием лиофилизованных стандартных образцов состава анализируемого биологического материала.

Принципиально важным в заявляемом способе является то, что для анализа используют предварительно обезвоженный путем лиофилизации биологический материал.

Использование для анализа биологического материала в виде лиофилизата дает возможность определять содержание ртути не только в жидких биологических материалах (кровь, моча, грудное молоко, эякулят, слюна, плазма крови), но и в тканях животного и растительного происхождения таких, как мышечная ткань почки, печень, грибы и т.д.

Благодаря применению лиофильной сушки получают сухой продукт (лиофилизат), концентрация ртути в котором в результате удаления влаги повышается в 5 - 10 раз по сравнению с исходным сырым материалом. Например, кровь и грудное молоко имеют влажность около 85-90% (т.е. 15-10% сухого вещества), соответственно, чувствительность возрастает примерно в 7 раз. Плодовые тела бизидомицетов (высших грибов), употребляемых в пищу, содержат около 90% влаги, т.е. 10% сухого вещества. При одной и той же навеске чувствительность анализа вырастает примерно в 10 раз (100/10). В результате такого концентрирования определяемого микроэлемента (ртути) во много раз повышается чувствительность анализа.

При этом в процессе лиофильной сушки, которую осуществляют при отрицательных температурах, не происходит потери ртути и ее летучих соединений. Также не происходит потерь анализируемого материала при непосредственной процедуре анализа, т.к. при этом не используется никаких дополнительных реактивов и не применяется разбавление или разведение материала. Точную навеску анализируемого сухого биоматериала вносят в измерительный тракт спектрометра для сжигания и атомизации. Такой прием значительно повышает чувствительность анализа и увеличивает его точность.

Таким образом, в заявляемом способе проявляется целая совокупность эффектов, позволяющих измерять низкие концентрации ртути с высокой точностью применительно к широкому кругу биологических материалов.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности и чувствительности способа определения ртути в биологических материалах при обеспечении расширения спектра видов анализируемых биологических материалов.

В частном случае выполнения способа для определения содержания ртути применяют градуировочную характеристику, полученную с использованием лиофилизованных стандартных образцов состава анализируемого биологического материала.

В этом случае еще в большей степени повышается точность анализа, поскольку используемый для получения градуировочной характеристики биологический материал (лиофилизат стандартного образца состава соответствующего биологического материала) находится в том же агрегатном состоянии, что и анализируемый материал, и характеризуется точным (сертифицированным) значением содержания ртути в нем. При этом используемые для получения градуировочной характеристики пробы лиофилизата стандартного материала подвергают тем же процедурам, что и анализируемый биологический материал в соответствии с заявляемым способом на том же аналитическом приборе.

На фиг. 1 представлена таблица данных для получения градуировочной характеристики с использованием стандартного образца состава крови, в виде лиофилизата, содержащей ртуть - ГСО 9653-2010;

на фиг. 2 представлена градуировочная характеристика (аналитически и графически), полученная с использованием лиофилизата крови (ГСО 9653-2010);

на фиг. 3 представлены данные анализа на содержание ртути в образцах донорской крови;

на фиг. 4 представлена таблица данных для получения градуировочной характеристики с использованием стандартного образца состава молока, содержащего ртуть - СОП 343-036-2010,

на фиг. 5 представлена градуировочная характеристика (аналитически и графически), полученная с использованием сухого молока - СОП 343-036-2010;

на фиг. 6 представлены данные анализа на содержание ртути в грудном молоке.

на фиг. 7 представлены данные анализа на содержание ртути в мышечной ткани крыс.

Способ осуществляют следующим образом

Для реализации способа могут быть использованы ртутные селективные масс-спектрометры, снабженные реактором для пиролитической атомизации анализируемого материала. В частности, может быть использован анализаторы ртути РА-915⁺/РА-915М с пироприставкой ПИРО-915^+, а также Юлия-5К с пироприставкой.

Получают градуировочную характеристику с использованием стандартизованных материалов с известным содержанием ртути.

Такими материалами могут быть, в частности, стандартные образцы составов сред и материалов с аттестованным содержанием ртути (СОП - стандартный образец предприятия, ОСО - отраслевой стандартный образец, ГСО - государственный стандартный образец, МСО - межгосударственный стандартный образец) в частности, в виде водных растворов, в виде лиофилизатов биологических материалов.

Предпочтительным с точки зрения повышения точности анализа является использование для получения градуировочной характеристики стандартных образцов состава биологического материала, соответствующего анализируемому, и представляющего собой обезвоженный путем лиофильной сушки соответствующий биологический материал с аттестованным значением ртути в нем.

Определение содержания ртути проводят в исследуемом биологическом материале с использованием того же ртутного селективного масс-спектрометра, что и при получении градуировочной характеристики.

Перед проведением анализа исследуемый биологический материал обезвоживают путем лиофильной сушки при отрицательных температурах, предпочтительно при температуре ниже температуры замерзания ртути.

Лиофилизат в виде сухого порошка дозируют путем взвешивания (при необходимости его диспергируют) и отобранную пробу (навеску) вводят в пиролитический реактор, где под действие высокой температуры и в присутствии катализатора (если таковой имеется) происходит атомизация ртути. Продукты пиролиза потоком воздуха переносятся на золотой сорбент или непосредственно в аналитический тракт анализатора ртути.

Сопоставляя аналитический сигнал (оптическую плотность) с градуировочной характеристикой, находят абсолютное содержание ртути в пробе анализируемого биологического материала.

Далее, на основании известных справочных данных или данных, полученных расчетным путем, о содержании влаги в исходном биологическом материале, определяют в нем содержание ртути.

Возможность реализации способа показана в примерах конкретного выполнения.

Пример 1.

Определяли содержание ртути в крови, отобранной у 6-ти пациентов-доноров. Для анализа использовали спектрометр Юлия - 5К с пироприставкой.

Перед проведением анализа получали градуировочную характеристику, для построения которой использовали стандартный образец состава крови, содержащей ртуть ГСО 9653-2010, представляющий собой лиофилизат крови (бурый кристаллический порошок) с известным содержанием ртути в нем;

Согласно паспортным данным на ГСО 9653-2010 в 1 кг лиофилизата содержится 210 мкг ртути. Из 1 см³ крови получают 37,5 мкг лиофилизата.

Из указанного стандартного материала было отобрано восемь проб известной массы (см. фиг. 1) и известного, в соответствии с паспортными данными, содержания ртути в каждом из них.

Каждая проба стандартного образца была проанализирован на вышеуказанном спектрометре. Значения оптической плотности (отн. ед.), соответствующие отобранным пробам стандартного образца, представлены в таблице 1 (см. фиг. 1).

По полученным данным была построена градуировочная характеристика (см. фиг. 2), которая аналитически выражена уравнением:

где Y - масса ртути в пробе стандартного образца (нг); x - величина оптической плотности (отн. ед)

Далее образцы исследуемой донорской крови были расфасованы по 0,2 см³ и обезвожены путем лиофильной сушки до постоянного веса (при температуре ниже -50°С и давлении менее 0,2 mBar) на установке лиофильной сушки фирмы Labconco (США) - FreeZone® 4,5 Liter Freeze Dry Systems.

Вес лиофилизованного образца донорской крови составил 42,8 мг.

Из каждого лиофилизованного образца донорской крови для анализа была отобрана весовым способом проба материала, которая была проанализирована на вышеуказанном анализаторе ртути.

С помощью градуировочной характеристики (1) для каждой пробы было определено содержание ртути. Полученное значение было использовано для расчета концентрации ртути в каждом образце лиофилизата крови, а затем концентрации ртути в исходной жидкой крови донора.

Полученные данные представлены в таблице 2 (фиг. 3)

Как видно из представленных в таблице 2 данных, удалось определить содержание ртути в крови доноров в очень низких концентрациях (наименьшее значение составляет всего 0,093 мкг/дм³). При этом следует отметить хорошую сходимость результатов анализа: в пробах крови 2а и 2б, отобранных у одного и того же пациента, концентрация ртути в исходном образце крови практически совпадает (несмотря на значительное отличие масс отобранных для анализа проб).

Пример 2.

Определяли содержание ртути в грудном молоке, отобранном от двух родильниц: родильница А., 25 лет из Ленинградской области и родильница Н., 29 лет, из Выборгского района Санкт-Петербурга. Имеющимися традиционными методами анализа в жидком агрегатном состоянии молока ртуть у этих женщин обнаружить не удалось.

Для анализа использовали анализатор ртути РА-915 с пироприставкой ПИРО-915⁺

Перед проведением анализа получали градуировочную характеристику, для построения которой использовали стандартный образец состава молока, содержащий ртуть - СОП 343-036-2010, лиофилизат молока (сухое молоко) с аттестованным содержанием ртути в нем 0,072 мг/кг.

Из указанного материала было отобрано 12 проб известной массы, в каждой из которых на основании вышеприведенных паспортных данных было вычислено содержание ртути.

Каждая проба стандартного образца была проанализирована на вышеуказанном анализаторе ртути для получения значения оптической плотности (отн. ед.), соответствующей известному содержанию ртути в каждой из проб. Результаты представлены в таблице 3 (см.(фиг. 4).

На основании полученных данных была построена градуировочная характеристика, которая аналитически выражена уравнением:

Y = 0,0038⋅x

(2),

где Y- масса ртути в навеске образца (нг); x - величина оптической плотности (отн. ед) (см. фиг. 5)

Далее исследуемые образцы грудного молока были расфасованы по 7 см и обезвожены путем лиофильной сушки до постоянного веса (при температуре -50С и давлении менее 0,2 mBar) на установке лиофильной сушки фирмы Labconco (США) - FreeZone® 4,5 Liter Freeze Dry Systems.

Масса лиофилизатов грудного молока крови составила, соответственно, 86,5 мг (образец А) и 82,7 мг (образец Н).

Из образца А было отобрано 4 (n = 4) пробы, из образца Н - 3 (n = 3) пробы, которые были проанализирована на вышеуказанном анализаторе ртути.

С помощью градуировочной характеристики для каждой из проб было определено абсолютное содержание ртути. Полученные значения было использованы для расчета концентрации ртути в каждом образце лиофилизата молока, а затем - концентрации ртути в исходном жидком молоке.

Данные по определению содержания ртути в грудном молоке представлены в таблице 4 (см. фиг. 6)

Пример 2 показывает, что заявляемый способ позволяет определить достаточно низкое, менее 1,0 мкг/дм³ содержание ртути в грудном молоке, и с высокой точностью - разброс данных анализа составляет незначительную величину при малом числе измерений (4,6% для образца А и 8,4% для образца Н при допустимых 10%-15%).

Пример 3.

Определяли содержание ртути в сырой мышечной ткани крыс. Для анализа использовали спектрометр Юлия - 5К с пироприставкой. Для анализа использовали

Перед проведением анализа получали градуировочную характеристику, для построения которой использовали стандартный образец состава мышечной ткани, содержащей ртуть (БОк-2) - ГСО 9055-2008. Стандартный образец БОк-2 представляет собой сухой порошок желтого цвета с аттестованным значением содержания ртути 0,5 мг/кг. Аналогично тому, как это описано в примерах 1 и 2, получали градуировочную характеристику, которая аналитически выражается уравнением

Y = 0,24⋅x

(3),

где Y - масса ртути в пробе образца (нг), x - величина оптической плотности (отн. ед.).

Далее два образца сырой мышечной ткани, содержащей ртуть, были обезвожены путем лиофильной сушки до постоянного веса (при температуре -50С и давлении менее 0,2 mBar) на установке лиофильной сушки фирмы Labconco (США) - FreeZone® 4,5 Liter Freeze Dry Systems.

Отобранные из полученных лиофилизатов пробы мышечной ткани были подвергнуты анализу на содержание ртути на вышеуказанном спектрометре.

Данные анализа представлены в таблице 5 (см. фиг. 7).

Как показывают приведенные примеры, заявляемый способ позволяет определить низкие концентрации ртути с высокой точностью в биологических материалах различного вида.