Методы и практика контроля анализа содержания тяжелых металлов в биологических средах
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.
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 ком-плексообразователе [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].