Химический практикум Цель: исследование химической природы анализируемого образца Цель: исследование химической природы анализируемого образца Качественный анализ Количественный анализ Совокупность экспериментальных методик, позволяющих определить в анализируемом образце количественное содержание отдельных составных частей, выраженное в виде границ доверительного интервала или числа с указанием погрешности Совокупность экспериментальных методик, позволяющих определить в анализируемом образце количественное содержание отдельных составных частей, выраженное в виде границ доверительного интервала или числа с указанием погрешности
Подготовка образца Причины: образец представляет собой смесь веществ, не поддающуюся совместному определению образец представляет собой смесь веществ, не поддающуюся совместному определению содержание анализируемого вещества ниже предела чувствительности метода содержание анализируемого вещества ниже предела чувствительности метода Необходимые действия: Разделение Концентрирование
Подготовка образца Способы подготовки: Осаждение Выделение из раствора твердой фазы малорастворимого осадка Выделение из раствора твердой фазы малорастворимого осадка Экстракция Извлечение вещества из водной фазы не смешивающимся с ней органическим растворителем Извлечение вещества из водной фазы не смешивающимся с ней органическим растворителем Адсорбция Концентрирование вещества на границе раздела фаз Концентрирование вещества на границе раздела фаз Электромиграция Разделение ионов в растворе, основанное на различной подвижности ионов Разделение ионов в растворе, основанное на различной подвижности ионов
Обработка полученных данных Способы: Использование готовых формул Вывод формулы из основных законов Метод калибровочного графика Применение формул требует полного соблюдения условий эксперимента, для которых они разработаны! Применение формул требует полного соблюдения условий эксперимента, для которых они разработаны!
Обработка полученных данных Метод калибровочного графика 1. Приготовить несколько (3-5) образцов с заранее известным содержанием искомого вещества. Границы диапазона приготовленных концентраций должны заведомо включать в себя ожидаемые значения 2. Провести анализ стандартных образцов выбранным методом. 3. Нанести результаты анализа на график, отражающий зависимость величины аналитического сигнала от концентрации анализируемого вещества (занести в память компьютера). 4. Провести анализ неизвестного образца, полностью соблюдая условия эксперимента. 5. Графически, либо с помощью компьютерной обработки результатов определить концентрацию вещества в образце.
Обработка полученных данных Метод калибровочного графика С(m) Х o o o o Сх Сх Необходимо быть уверенным в том, что зависимость между концентрацией и величиной аналитического сигнала носит прямолинейный характер Необходимо быть уверенным в том, что зависимость между концентрацией и величиной аналитического сигнала носит прямолинейный характер
Оформление результатов Представление результата Совокупность экспериментальных методик, позволяющих определить в анализируемом образце количественное содержание отдельных составных частей, выраженное в виде границ доверительного интервала или числа с указанием погрешности Совокупность экспериментальных методик, позволяющих определить в анализируемом образце количественное содержание отдельных составных частей, выраженное в виде границ доверительного интервала или числа с указанием погрешности Примеры правильного представления результата: m к-ты на 100 мл р-ра = 350 мг m к-ты на 100 мл р-ра = мг 20 мг погрешность доверительный интервал
Непосредственный анализ Основные характеристики методов анализа: Чувствительность Та концентрация вещества, которая может быть определена на серийной аппаратуре со стандартной для данного метода погрешностью Та концентрация вещества, которая может быть определена на серийной аппаратуре со стандартной для данного метода погрешностью Предел обнаружения Предел обнаружения Минимальная концентрация вещества, которая может быть качественно обнаружена данным методом Минимальная концентрация вещества, которая может быть качественно обнаружена данным методом Воспроизводимость Повторяемость результатов нескольких экспериментов, выполненных в одних и тех же условиях для одного и того же образца Повторяемость результатов нескольких экспериментов, выполненных в одних и тех же условиях для одного и того же образца Правильность Процент ошибок определения данным методом и его систематическая погрешность Процент ошибок определения данным методом и его систематическая погрешность
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА Химические Физико-химические Физические Гибридные Предполагают использование химических реакций и визуальное определение результата Основаны на измерении с помощью приборов физических свойств вещества, зависящих от его количественного состава Основаны на измерении физических свойств, появляющихся или изменяющихся в ходе химической реакции Методы, в которых соединены способы разделения и определения, либо два или более способа определения
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА Химические методы Гравиметрия Титриметрия Основаны на измерении массы определяемого вещества, выделенного из анализируемого образца Основаны на измерении массы определяемого вещества, выделенного из анализируемого образца Основаны на постепенном добавлении к измеренному объему анализируемого вещества раствора реагента известной концентрации с одновременным наблюдением за изменениями в растворе Основаны на постепенном добавлении к измеренному объему анализируемого вещества раствора реагента известной концентрации с одновременным наблюдением за изменениями в растворе Преимущества: Недостатки: - высокая точность - длительность - низкие пороги обнаружения
ГРАВИМЕТРИЯ Метод осаждения Вещество осаждают в виде малорастворимого соединения, фильтруют, сушат и взвешивают. Пример Определение ионов Ag + с помощью иодидов Метод отгонки Вещество выпаривают, улавливают другим реагентом и по изменению массы реагента судят о количестве вещества. Пример При определении влажности объект нагревают, поглощают пар известным количеством безводного СаСl 2 и взвешивают его. Электролитические методы Осаждение определяемого вещества на поверхности электрода Осаждение определяемого вещества на поверхности электрода Пример Выделение ионов меди из кислого раствора в виде металла на поверхности медного электрода.
Реакция нейтрализации Пример: Точка эквивалентности – момент, когда вещества прореагируют в эквивалентных количествах. Объем титранта, затраченный для достижения точки эквивалентности, называют эквивалентным объемом Достижение точки эквивалентности фиксируют с помощью индикатора
Общие закономерности Эквивалентная и нейтральная точки не всегда совпадают. Эквивалентная точка и зона скачка титрования могут лежать как в щелочной, так и в кислотной области. Для обнаружения эквивалентной точки пригоден лишь тот индикатор, чей диапазон изменения окраски находится в зоне скачка титрования.
Основные понятия объемного анализа 1. ЭКВИВАЛЕНТ HnXHnXB(OH) m Me n m+ X m n- НО! Если в-во участвует в окислительно-восстановительной реакции реальная или условная частица, которая может присоединять или высвобождать в реакции нейтрализации один ион водорода
Основные понятия объемного анализа Показывает, какая доля реальной частицы вещества эквивалентна одному иону водорода (одному электрону) в данной конкретной реакции. HnXHnX B(OH) m Z = n Z = m Обратен эквивалентному числу z вещества. Фактор эквивалентности – f eq H 2 SO 4 + 2NaOH Na 2 SO 4 + 2H 2 O f eq (H 2 SO 4) = ½ H 2 SO 4 + NaOH NaHSO 4 + H 2 O Пример: f eq (H 2 SO 4) = 1 Но:
2. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ МАССА Молярная масса эквивалента (M 1/z) – масса одного моля эквивалента вещества (г), г/моль Основные понятия объемного анализа H 2 SO 4 + 2NaOH Na 2 SO 4 + 2H 2 O f eq (H 2 SO 4) = ½ Пример: H 2 SO 4 + NaOH NaHSO 4 + H 2 O f eq (H 2 SO 4) = 1 Но: M 1/z (H 2 SO 4) = M f eq = 98 ½ = 49 г/моль M 1/z (H 2 SO 4) = M f eq = 98 1 = 98 г/моль
НОРМАЛЬНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ (нормальность, молярная концентрация эквивалента) Показывает количество моль эквивалентов вещества в одном литре раствора N = С м, если M 1/z = М Поскольку M 1/z М, то N С м Основные понятия объемного анализа Обозначения: С н, N, С 1/z 4. ТИТР Т р-ра = N р-ра. M 1/z Размерность: г/л, мг/мл. Показывает, сколько миллиграммов вещества содержится в одном миллилитре раствора
При титровании в точке эквивалентности количество эквивалентов одного вещества равно количеству эквивалентов другого: 1/z (A) = 1/z (B) или С 1/z (A) V(A) = C 1/z (B) V(B) Или, как писали ранее: N 1. V 1 = N 2. V 2 ЗАКОН ЭКВИВАЛЕНТОВ m в-ва = N р-ра. M 1/z. V р-ра Расчет массы вещества в растворе: Отсюда: С 1/z (A) = C 1/z (B) V(B) V(A) N 1 = N2V2N2V2 V1V1
ТИТРИМЕТРИЯ Прямое титрование Непосредственное добавление стандартного реагента к анализируем ому раствору Непосредственное добавление стандартного реагента к анализируем ому раствору Пример NaOH(ан.р-р) + HCl (стандарт) = NaCl + H 2 O Индикатор - фенолфталеин Косвенное титрование Косвенное титрование Определяемое вещество не взаимодейст- вует с титрантом, но его можно связать количественно с другим веществом, взаимодействующим с титрантом. Пример Определение ионов Са 2+ Ca 2+ + KMnO 4 = не взаимодействуют, но Сa 2+ + (COOH) 2 = CaC 2 O 4 (осадок), далее CaC 2 O 4 + H 2 SO 4 + KMno 4 = CaSO 4 + CO 2 + MnO Реакция, лежащая в основе метода, должна быть... - избирательной- количественной- быстрой
ТИТРИМЕТРИЯ Обратное титрование Титрование непрореагировавшего вещества, которое прибавлено в избытке к анализируемому раство- ру в виде стандартного раствора Титрование непрореагировавшего вещества, которое прибавлено в избытке к анализируемому раство- ру в виде стандартного раствора Заместительное титрование Заместительное титрование Если определяемое вещество не реагирует с титрантом, к раствору добавляют вспо- могательный реагент, образующий с опре- деляемым веществом эквивалентное количество вещества-заместителя. Пример Определение KMnO 4 KMnO 4 + KI + H 2 SO 4 = I 2 (эквивалентное кол-во) +... I 2 + Na 2 S 2 O 3 = NaI + Na 2 S 4 O 6 (Индикатор - крахмал) Пример Определение содержания KBr KBr + AgNO 3 (изб.) = KNO 3 + AgBrг + AgNO 3 (ост.) AgNO 3 (ост.) + NH 4 CNS = NH 4 NO 3 + AgCNSг Индикатор - Fe 3+ (Fe CNS - = Fe(CNS) 3 (алый))
Физические методы анализа Электрохимические Основаны на процессах, протекающих в растворе под действием тока Основаны на процессах, протекающих в растворе под действием тока Потенциометрия (ионометрия) Вольтаметрия Кулонометрия Кондуктометрия Определение концентрации ионов ионоселективными электродами Измерение электродных потенциалов, зависящих от концентрации вещества Измерение количества электричества, израсходованного в ходе электродных реакций. Измерение концентрации электролита в растворе по его электропроводности.
ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ Спектральные методы Основаны на взаимодействии вещества с электромагнитным излучением. Основаны на взаимодействии вещества с электромагнитным излучением., м E = h = hC/ Микроволны Радиоволны УФ лучи Ренгеновское и -излучение ИК излучение Переориентация спина электрона некоторых атомов (1 Н, 13 С,…) Колебания атомов Переход электронов кратных связей на возбуж- денные уровни ЯМР спектроскопия ИК спектроскопия УФ спектроскопия
Спектроскопия ЯМР Решаемые задачи: - установление структуры неизвестных веществ - подтверждение чистоты и индивидуальности соединения известной структуры Объекты анализа: Жидкие органические вещества, растворы органических веществ ИК спектроскопия Объекты анализа: Твердые, жидкие, газообразные вещества любой природы УФ спектроскопия Объекты анализа: Твердые, жидкие, газообразные вещества, имеющие в структуре кратные связи. Спектральные методы Предел обнаружения г
Возможности современных методов химического анализа в медицине Возможности современных методов химического анализа в медицине Высокоэффективная газожидкостная хроматография Метаболический профиль органических компонентов мочи здорового человека Метаболический профиль органических компонентов мочи здорового человека I t
Возможности современных методов химического анализа в медицине Возможности современных методов химического анализа в медицине I t ,2,3-триметилбензол 3 - 1,2,4-триметилбензол 5 - м,п-диметилтолуол 8 - п-ксилол 9 - м-ксилол 11 - этилбензол 12 - нонан 13 - толуол 14 - н-октан 15 - н-гептан метилгексан метилгексан 18 - н-гексан метилпентан 20 - н-пентан Анализ пробы воздуха (проба взята на Выборгской набережной)
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.
Физико-химические методы
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:
Спектральный;
Люминесцентный;
Хроматографический;
Полярографический
некоторые другие.
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:
хроматографические методы;
экстрагирование;
соосаждение;
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.
Существует множество видов анализа. Их можно классифицировать по разным признакам:.
- по характеру получаемой информации . Различают качественный анализ (в этом случае выясняют, из чего состоит данное вещество, какие именно компоненты входят в его состав) и количественный анализ (определяют содержание тех или иных компонентов, например в % по массе, или соотношения разных компонентов). Грань между качественным и количественным анализом весьма условна, особенно при исследовании микропримесей. Так, если в ходе качественного анализа некоторый компонент не был обнаружен, то обязательно указывают, какое минимальное количество этого компонента можно было бы обнаружить с помощью данного метода. Возможно, отрицательный результат качественного анализа связан не с отсутствием компонента, а с недостаточной чувствительностью использованного метода! С другой стороны, количественный анализ всегда выполняется с учетом заранее найденного качественного состава исследуемого материала.
- классификация по объектам анализа: технический, клинический , криминалистический и др.
- классификация по объектам определения .
Не следует путать термины - анализировать и определять. Объектами определения называют компоненты, содержание которых требуется установить или достоверно обнаружить. С учетом природы определяемого компонента выделяют различные виды анализа (табл.1.1).
Таблица 1-1. Классификация видов анализа (по объектам определения или обнаружения)
| Вид анализа | Объект определения(или обнаружения) | Пример | Область применения |
| Изотопный | Атомы с заданными значениями заряда ядра и массового числа (изотопы) | 137 Cs, 90 Sr, 235 U | Атомная энергетика, контроль загрязнения окружающей среды, медицина, археология и др. |
| Элементный | Атомы с заданными значениями заряда ядра (элементы) | Cs, Sr, U, Cr, Fe, Hg | Повсеместно |
| Вещественный | Атомы (ионы) элемента в данной степени окисления или в соединениях заданного состава (форма элемента) | Сr(III), Fe 2+ , Hg в составе комплексных соединений | Химическая технология, контроль загрязнения окружающей среды, геология, металлургия и др. |
| Молекулярный | Молекулы с заданным составом и структурой | Бензол, глюкоза, этанол | Медицина, контроль загрязнения окружающей среды, агрохимия, химическая технология, криминалистика. |
| Структурно-групповойилифункциональный | Сумма молекул с заданными структурными характеристиками и близкими свойствами (сумма изомеров и гомологов) | Предельные углеводороды, моносахариды спирты | Химическая технология, пищевая промышленность, медицина. |
| Фазовый | Фаза или элемент в составе данной фазы | Графит в стали, кварц в граните | Металлургия, геология, технология стройматериалов. |
Классификация «по объектам определения» очень важна, поскольку помогает выбрать подходящий способ проведения анализа (аналитический метод). Так, для элементного анализа часто применяют спектральные методы, основанные на регистрации излучения атомов на разных длинах волн. Большинство спектральных методов предполагает полную деструкцию (атомизацию) анализируемого вещества. Если же надо установить природу и количественное содержание разных молекул, входящих в состав исследуемого органического вещества (молекулярный анализ ), то одним из наиболее подходящих методов окажется хроматографический, не предполагающий деструкции молекул.
В ходе элементного анализа идентифицируют или количественно определяют элементы независимо от их степени окисления или от вхождения в состав тех или иных молекул. Полный элементный состав исследуемого материала определяют в редких случаях. Обычно достаточно определить некоторые элементы, существенно влияющие на свойства исследуемого объекта.
Вещественный анализ стали выделять в самостоятельный вид сравнительно недавно, раньше его рассматривали как часть элементного. Цель вещественного анализа - раздельно определить содержание разных форм одного и того же элемента. Например, хрома (III) и хрома (VI) в сточной воде. В нефтепродуктах раздельно определяют «серу сульфатную», «серу свободную» и «серу сульфидную». Исследуя состав природных вод, выясняют, какая часть ртути существует в виде прочных (недиссоциирующих) комплексных и элементоорганических соединений, а какая - в виде свободных ионов. Эти задачи труднее, чем задачи элементного анализа.
Молекулярный анализ особенно важен при исследовании органических веществ и материалов биогенного происхождения. Примером может быть определение бензола в бензине или ацетона в выдыхаемом воздухе. В подобных случаях необходимо учитывать не только состав, но и структуру молекул. Ведь в исследуемом материале могут находиться изомеры и гомологи определяемого компонента. Так, часто приходится определять содержание глюкозы в присутствии множества ее изомеров и других родственных соединений, например сахарозы.
Когда речь идет об определении суммарного содержания всех молекул, имеющих некоторые общие структурные особенности, одни и те же функциональные группы, а следовательно и близкие химические свойства, пользуются термином структурно-групповой (или функциональный) анализ. Например, сумму спиртов (органических соединений, имеющих ОН-группу) определяют, проводя общую для всех спиртов реакцию с металлическим натрием, а затем измеряя объем выделяющегося водорода. Сумму непредельных углеводородов (имеющих двойные или тройные связи) определяют, окисляя их иодом. Суммарные содержания однотипных компонентов иногда устанавливают и в неорганическом анализе - например, суммарное содержание редкоземельных элементов.
Специфическим видом анализа является фазовый анализ . Так, углерод в чугунах и сталях может растворяться в железе, может образовывать химические соединения с железом (карбиды), а может и образовывать отдельную фазу (графит). Физические свойства изделия (прочность, твердость и т.п.) зависят не только от общего содержания углерода, но и от распределения углерода между этими формами. Поэтому металлургов интересует не только общее содержание углерода в чугуне или стали, но и наличие в этих материалах отдельной фазы графита (свободного углерода), а также количественное содержание этой фазы.
Основное внимание в базовом курсе аналитической химии уделяется элементному и молекулярному анализу. В других видах анализа применяют весьма специфические методы, и в программу базового курса изотопный, фазовый и структурно-групповой анализы не входят.
Классификация по точности результатов, продолжительности и стоимости анализов. Упрощенный, быстрый и дешевый вариант анализа называют экспресс-анализом . Для их выполнения часто применяют тест-методы. Например, любой человек (не аналитик) может оценить содержание нитратов в овощах (сахара в моче, тяжелых металлов в питьевой воде и т.п.), воспользовавшись специальной индикаторной бумагой. Результат будет виден на глаз, поскольку содержание компонента определяется с помощью прилагаемой к бумаге шкалы окрасок. Тест-методы не требуют доставки пробы в лабораторию, какой-либо обработки исследуемого материала; в этих методах не применяется дорогостоящее оборудование, не проводятся расчеты. Важно лишь, чтобы результат не зависел от присутствия в исследуемом материале других компонентов, а для этого надо, чтобы реактивы, которыми пропитывают бумагу при ее изготовлении, были бы специфическими. Обеспечить специфичность тест-методов очень трудно, и широко распространенным этот вид анализа стал лишь в последние годы ХХ века.. Конечно, тест-методы не могут обеспечить высокой точности анализа, но она требуется далеко не всегда.
Прямая противоположность экспресс-анализу - арбитражный анализ. Основное требование к нему - обеспечить как можно большую точность результатов. Арбитражные анализы проводят довольно редко (например, для разрешения конфликта между изготовителем и потребителем промышленной продукции). Для выполнения таких анализов привлекают наиболее квалифицированных исполнителей, применяют самые надежные и многократно проверенные методики. Время, затраченное на выполнение такого анализа, как и его стоимость, - не имеют принципиального значения.
Промежуточное место между экспрессным и арбитражным анализом - по точности, длительности, стоимости и другим показателям - занимают так называемые рутинные анализы . Основная часть анализов, выполняемых в заводских и других контрольно-аналитических лабораториях, относится именно к этому типу.
Существуют и другие способы классификации, другие виды анализов. Например, учитывают массу исследуемого материала, непосредственно используемую в ходе анализа. В рамках соответствующей классификации выделяют макроанализ (килограммы, литры), полумикроанализ (доли грамма, миллилитры) и микроанализ . В последнем случае применяют навески порядка миллиграмма и менее, объемы растворов измеряют в микролитрах, а результат реакции иногда приходится наблюдать под микроскопом. Микроанализ используется в аналитических лабораториях довольно редко.
1.3. Методы анализа
Понятие «метод анализа» является важнейшим для аналитической химии. Этот термин используют, когда хотят выявить суть того или иного анализа, его основной принцип. Методом анализа называют достаточно универсальный и теоретически обоснованный способ проведения анализа, безотносительно к тому, какой компонент определяют и что именно анализируют. Существуют три основных группы методов (рис.1-1). Одни из них нацелены преимущественно на разделение компонентов исследуемой смеси (последующий анализ без этой операции оказывается неточным или вообще невозможным). В ходе разделения обычно происходит и концентрирование определяемых компонентов (см. главу 8). Примером могут быть методы экстрагирования или методы ионного обмена. Другие методы применяют в ходе качественного анализа, они служат для достоверного опознания (идентификации) интересующих нас компонентов. Третьи, наиболее многочисленные, предназначены для количественного определения компонентов. Соответствующие группы называют методами разделения и концентрирования, методами идентификации и методами определения. Методы двух первых групп, как правило, играют вспомогательную роль; они будут рассмотрены позднее. Наибольшее значение для практики имеют методы определения .
Кроме трех основных групп, существуют гибридные методы. На рис.1.1 эти методы не показаны. В гибридных методах разделение, идентификация и определение компонентов органично сочетаются в одним приборе (или в едином комплексе приборов). Важнейшим из таких методов является хроматографический анализ. В специальном приборе (хроматографе) компоненты исследуемой пробы (смеси) разделяются, поскольку они с разной скоростью двигаются сквозь колонку, заполненную порошком твердого вещества (сорбента). По времени выхода компонента из колонки судят о его природе и таким образом опознают все компоненты пробы. Вышедшие из колонки компоненты по очереди попадают в другую часть прибора, где специальное устройство – детектор - измеряет и записывает сигналы всех компонентов. Нередко тут же проводится автоматический расчет содержаний всех компонентов. Понятно, что хроматографический анализ нельзя считать только методом разделения компонентов, или только методом количественного определения, это именно гибридный метод.
Каждый метод определения объединяет множество конкретных методик, в которых измеряется одна и та же физическая величина. Например, для проведения количественного анализа можно измерить потенциал электрода, опущенного в исследуемый раствор, а потом по найденной величине потенциала рассчитать содержание некоторого компонента раствора. Все методики, где основной операцией является измерение потенциала электрода, считают частными случаями потенциометрического метода . При отнесении методики к тому или иному аналитическому методу не важно, какой объект исследуется, какие именно вещества и с какой точностью определяются, какой прибор используют и как проводят расчеты - важно лишь, какую величину мы измеряем. Измеряемую в ходе анализа физическую величину, зависящую от концентрации определяемого компонента, принято называть аналитическим сигналом .
Аналогичным образом можно выделить метод спектрального анализа. В этом случае основная операция - измерение интенсивности света, излучаемого пробой на определенной длине волны. Метод титриметрического (объемного) анализа основан на измерении объема раствора, затраченного на химическую реакцию с определяемым компонентом пробы. Слово «метод» часто опускают, говорят просто «потенциометрия», «спектральный анализ», «титриметрия» и т.п. В рефрактометрическом анализе сигналом является показатель преломления света исследуемым раствором, в спектрофотометрии – поглощение им света (на определенной длине волны). Перечень методов и соответствующих им аналитических сигналов можно продолжить, всего известно несколько десятков независимых методов.
Каждый метод определения имеет свои собственные теоретические основы и связан с применением специфического оборудования. Области применения разных методов существенно различаются. Одни методы преимущественно используются для анализа нефтепродуктов, другие – для анализа лекарственных препаратов, третьи – для исследования металлов и сплавов, и т.д. Аналогично можно выделять методы для проведения элементного анализа, методы изотопного анализа и т.д. Есть и универсальные методы, применяемые в анализе самых разных материалов и пригодные для определения в них самых разных компонентов. Например, спектрофотометрический метод может служить и для элементного, и для молекулярного, и для структурно-группового анализа.
Точность, чувствительность и другие характеристики отдельных методик, относящихся к одному и тому же аналитическому методу, различаются, но не так сильно, как характеристики разных методов. Любую аналитическую задачу всегда можно решить несколькими разными методами (скажем, хром в легированной стали можно определить и спектральным методом, и титриметрическим, и потенциометрическим). Аналитик выбирает метод, учитывая известные возможности каждого из них и конкретные требования к данному анализу. Нельзя раз и навсегда выбрать “лучшие” и “худшие” методы, все зависит от решаемой задачи, от требований к результатам анализа. Так, гравиметрический анализ дает, как правило, более точные результаты, чем спектральный, но требует больших затрат труда и времени. Поэтому гравиметрический анализ хорош для проведения арбитражных анализов, но не годится для экспресс-анализа.
Методы определения делят на три группы: химические, физические и физико-химические . Нередко физические и физико-химические методы объединяют общим названием “инструментальные методы”, поскольку в обоих случаях используются приборы, причем одни и те же. Вообще границы между группами методов весьма условны.
Химические методы основаны на проведении химической реакции между определяемым компонентом и специально добавляемым реагентом. Реакция проходит по схеме:
Здесь и далее символом Х обозначается определяемый компонент (молекула, ион, атом и т.п.), R - добавляемый реагент, Y - совокупность продуктов реакции. К группе химических методов относят классические (давно известные и хорошо изученные) методы определения, прежде всего гравиметрию и титриметрию. Число химических методов сравнительно невелико, все они имеют одни и те же теоретические основы (теорию химических равновесий, законы химической кинетики и т.п.). В качестве аналитического сигнала в химических методах обычно измеряют массу или объем вещества. Сложные физические приборы, за исключением аналитических весов, и специальные эталоны химического состава в химических методах не используются. Эти методы имеют много общего и по своим возможностям. Они будут рассмотрены в главе 4.
Физические методы не связаны с проведением химических реакций и применением реагентов. Их основной принцип – сопоставление однотипных аналитических сигналов компонента Х в исследуемом материале и в некотором эталоне (образце с точно известной концентрацией Х). Заранее построив градуировочный график (зависимость сигнала от концентрации или массы Х) и измерив значение сигнала для пробы исследуемого материала, рассчитывают концентрацию Х в этом материале. Существуют и другие способы расчета концентраций (см.главу 6). Физические методы обычно чувствительнее, чем химические, поэтому определение микропримесей ведут преимущественно физическими методами. Эти методы легко поддаются автоматизации, требуют меньших затрат времени на проведение анализа. Однако физические методы нуждаются в специальных эталонах, требуют довольно сложного, дорогого и весьма специализированного оборудования, К тому же они, как правило, менее точны, чем химические.
Промежуточное место между химическими и физическими методами по своим принципам и возможностям занимают физико-химические методы анализа. В этом случае аналитик проводит химическую реакцию, но за ее ходом или за ее результатом следит не визуально, а с применением физических приборов. Например, постепенно добавляет к исследуемому раствору другой – с известной концентрацией растворенного реагента, и при этом контролирует потенциал электрода, опущенного в титруемый раствор (потенциометрическое титрование ), По скачку потенциала аналитик судит об окончании реакции, измеряет затраченный на нее объем титранта и рассчитывают результат анализа. Такие методы, как правило, столь же точны, как и химические, и почти столь же чувствительны, как и физические методы.
Инструментальные методы часто разделяют по другому, более четко выраженному признаку – по природе измеряемого сигнала. В этом случае выделяют подгруппы оптических, электрохимических, резонансных, активационных и других методов. Существуют также немногочисленные и пока что недостаточно развитые методы биологические и биохимические методы.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
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
Факультет химия
по предмету: Аналитическая химия
на тему: I Всероссийская конференция с международным участием на тему «Химический анализ и медицина»
Выполнила:
Ходжаева Хидоятхон
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.
Возможности
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 < 10 %. Полученные значения ФС для предла-гаемых методик показаны в табл. 1.
Исследование антиоксидантной активности офтальмологических растворов потенциометрическим методомс использованием комплексов металлов
Свободнорадикальное повреждение клеток сопровождает большое количество заболеваний, в т.ч. заболевания глаз, среди которых особое значение уделяется катаракте. В хрусталике глаза, поврежденные свободными ра-дикалами белки, аминокислоты, нуклеиновые кислоты и углеводы образуют нерастворимые агрегаты большой молекулярной массы и размера, которые и являются причиной помутнения хрусталика. Одним из эффективных способов лечения и профилактики катаракты является использование офтальмологических растворов с антиоксидантным действием. В данной работе предложен потенциометрический метод исследования антиоксидантной активности (АОА) офтальмологических растворов, основанный на использовании окисленной формы металла в составе комплекс-ного соединения в качестве модели окислителя1. Измерение потенциала проводится после прохождения хими-ческой реакции между антиоксидантамиисследуемого образца и окислителем (Е1), и последующей добавки окислителя (Е2). Типичная кривая изменения потенциала от вре-мени приведена на рисунке 1.Предложенным методом были исследованы наиболее часто при-меняемые при лечении катарактыофтальмологические растворы: Офтан Катахром, Квинакс, Эмоксипин. АОА исследуемых препара-тов составила от 1,00·10-5 до 7,5?10-4М-экв.Достоверность получен-ных результатов была подтверждена спектрофотометрическим мето-дом на модели стабильного радикала ДФПГ. Коэффициент корреля-ции составил 0,94. Таким образом, предложенный метод может быть успешно использован для определения АОА офтальмологических растворов и других лекарственных препаратов.
Рисунок. Зависимость потенциала от времени при добавлении к окислите-лю исследуемого образца (Е1) и добавку окислителя (Е2).
Доступный способ определения связанных тиолов в плазме крови с использованием капиллярного электрофореза
Введение.Гомоцистеин (Гцис) является независимым фактором риска развития осложнений большого числа сердечно-сосудистых заболеваний. Для повышения его диагностической значимости в начале XXI в. Хортином и коллегами было предложено использовать соотношение содержания цистеина (Цис) к Гцис в плазме крови . К сожалению, эффективные биохимические подходы, основанные на применении хроматографических и электрофоретических методах, пока остаются малодоступными для кли-нической диагностики при решении данной задачи.
Цель исследования.Разработать доступный подход, позволяющий определять связанные формы Цис и Гцис, а также их соотношение с использованием системы КЭ, оснащенной диодно-матричным УФ-детектором.
Так как в крови большая часть Гцис (~80%) и около половины Цис находится в связанном с белками состоянии и емкость белков плазмы многократно превышает нормальную концентрацию Гцис в плазме (<10 мкМ), то свя-занные формы хорошо отражают их общее содержание .
Материал и методы исследования.Для анализа были использованы 19 образцов венозной крови доноров, собранных в пробирки с цитратом Na. После получения плазмы были выделены её белки ультрафильтраци-ей, связанные тиолы переведены в востановленную форму и модифицированы 1,1"-тиокарбонилдиимидазо-лом. Аналиты были очищены от белков также ультрафильтрацией. КЭ проводили в обращенном поле с рН-зависимым концентрированием аналитов в капилляре.
Полученные результаты, их обсуждение.Разработанный метод показал высокую чувствительность (ме-нее 1мкМ), воспроизводимость (<5%), линейность в диапазоне 0-500 мкМ Цис и 0-100 мкМ Гцис (r>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.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
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.
