CC BY
14
Методы гигиенических исследований
® КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2005 УДК 614.3:612.461.08:621.317.725
Г. Б. Слепченко, Н. П. Пикула, Э. А. Захарова, В. М. Пичугина, О. Г. Филичкина, Е. Г. Черемпей, Т. И. Щукина
ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПРОБАХ МОЧИ
Томский политехнический университет
При решении задач улучшения здоровья населения России в настоящее время огромную роль играет контроль пищевых продуктов, экологических и биологических объектов. Так, актуальным является определение содержания в моче человека как токсичных (уран, ртуть, мышьяк, кадмий, свинец), так и жизненно важных (медь, селен, йод, железо) микроэлементов. Эти элементы поступают в организм человека с продуктами растительного и животного происхождения, а также с питьевой водой; они же и частично выводятся с мочой из организма человека. Количество этих элементов, поступивших и выведенных из организма человека, составляет от долей до десятков микрограммов. Именно поэтому среднее содержание токсичных элементов в моче человека варьирует в очень широком диапазоне — от 1 • Ю-5 мг/дм3 (для урана) до 20 мг/дм3 (для меди) [1, 3, 11 — 13].
Кроме того, в последнее время обострилась проблема дефицита незаменимых микронутриентов (Еитаминов, йода, селена, железа и др.), решение ее связывают с введением в пищевой рацион населения биологически активных добавок, в состав которых входят указанные ком-
поненты [10]. Однако 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 [2].
Целью работы являются разработка и аттестация методик выполнения измерений массовых концентраций ряда элементов в пробах мочи вольтамперометрическим методом. Метод вольтамперометрии (ВА), в частности инверсионной вольтамперометрии (ИВ), отличается высокой чувствительностью и в то же время простотой, дешевизной оборудования, он нашел применение в анализе пищевых продуктов, фармпрепаратов и лекарственного сырья, биологических объектов [4—9].
В работе использованы серийные полярографы (ПУ-1, РА-2) и компьютеризованный вольтамперометрический анализатор СТА, внесенный в Государственный реестр средств измерений [14]. Вольтамперометрический комплекс СТА (производитель ООО ИТМ, Томск) содержит
Таблица 1
Условия вольтамперомстричсских измерений аналитических сигналов определяемых элементов при анализе проб мочи
Определяемый элемент Индикаторный электрод Режим ВА-измерений Фоновый электролит Потенциал электронакопления, В Диапазон развертки по тенциалов, В
Cd, Pb, Си РПЭ Анодная ИВ Соляная или муравьиная кислота -1,2 От -1,1 ДО 0,1
Hg ЗГЭ in situ Анодная ИВ Хлорная или азотная кислота 0,0 От 0,0 до 0,8
As ЗГЭ Анодная ИВ Трилон Б -1,0 От -0,6 до 0,6
и РПЭ Адсорбционная катодная ВА Хлорид калия, бура, оксихинолин -0,2 От-0,4 до-1,2
Se ГЭ Катодная ВА Соляная кислота, Си (2+), (2+) -0,2 От -0,2 до-1,2
I РПЭ Катодная ИВ Нитрат калия, аскорбиновая кислота -0,2 От-0,2 до -1,2
Примечание. РПЭ — ртутно-пленочный электрод (ртуть, нанесенная на серебряную подложку); ГЭ — графитовый электрод; ЗГЭ — золото-графитовый электрод (графитовый электрод, модифицированный золотом путем электролиза заранее или в режиме in situ); in situ — режим формирования модифицированного электрода в процессе совместного электролиза модифицирующего элемента (золота) и определяемого элемента.
Таблица 2
Цели и основные этапы предварительной подготовки проб мочи к вольтампсромстрмчсским измерениям
Определяемый элемент Объем пробы, см'
Цель проведения пробоподготовки
Этапы проведения пробоподготовки
Cd, Pb, Си
Hg As
U Se
1-2
2-5
1-2 10
0,5
0,2-0,3
Разрушение матрицы пробы
Разрушение матрицы пробы Разрушение матрицы пробы, перевод всех форм Аб в А$(5+), затем восстановление до А5(3+)
Отделение матрицы пробы и концентрирование и путем экстракции Разрушение матрицы пробы и перевод в 5е (6+), затем восстановление Эе (6+) в Бе (4+)
Разрушение матрицы, перевод всех форм (1-) восстановлением
в I
Мокрое озоление с помощью НМ03 и Н202 с последующим прокаливанием осадка Ультрафиолетовое облучение Мокрое озоление с помощью НЫ03 и Н202 в присутствии Mg(2+), затем добавление сернокислого гидразина Мокрое и сухое озоление, затем экстракция оксихинолинатного комплекса и Мокрое озоление с помощью НЫ03и Н202 в присутствии Mg (2+), затем обработка соляной кислотой
Щелочное окислительное плавление с N801-1 и КЫ03, добавление Н2804 и аскорбиновой кислоты
Таблица 3
Обобщение данных по определению показателей правильности
С использованием метода добавок С использованием образцов для аттестации
Определяемый компонент средний результат анализа исходной пробы, мкг/дм5 введенная добавка, мкг/дм' средний результат анализа пробы с добавкой, мкг/дм5 найденная добавка, мкг/дм' введено, мкг/дм' найдено, ыкг/дм!
са
РЬ Си Н8 Аз
и
Бе I
14,7 11,9 49,7 1,29 10,1 0,097 20,7 173
50,0 10,0 50,0 1,0 10,0 0,30 40,0 250
63.2 22,2
94.7 2,33
23.3 0,37
59.8 431
три электрохимических датчика, позволяющих проводить одновременно измерения трех проб, а также систему ультрафиолетового облучения проб, применяемую в процессе предварительной подготовки проб к измерениям.
В процессе предварительных исследований обоснован выбор индикаторных электродов, фоновых электролитов и режимов регистрации аналитических сигналов элементов, которые приведены в табл. 1.
В качестве электродов сравнения и вспомогательных электродов использованы хлоридсеребряные электроды.
В выбранных оптимальных условиях получения и регистрации аналитических сигналов градуировочные зависимости тока элемента от концентрации линейны, это позволяет использовать метод добавок стандартных растворов для определения концентрации элемента в пробе.
Как известно, моча представляет собой сложную смесь химических компонентов, в которой элементы находятся в связанном состоянии. Для устранения мешающего влияния органической матрицы и перевода определяемых элементов в электрохимически активную форму применяют различные варианты пробоподготовки, такие, как кислотное разложение, щелочное плавление или ультрафиолетовое облучение растворов.
Условия проведения предварительной подготовки проб мочи к измерениям выбраны на основе анализа данных литературы, нормативных документов и исследований, проведенных авторами.
Цели и основные этапы подготовки проб к измерениям приведены в табл. 2.
Электроактивными формами для вольтамперометри-ческого измерения элементов являются элементы со следующими степенями окисления: Сс! (2+), РЬ (2+), Си (2+), Нв (2+), А5 (3+), и (6+), Бе (4+), 1(1-).
Степени окисления (2+) для меди, свинца и кадмия сохраняются после растворения осадка озоленной пробы в растворе соляной или муравьиной кислоты, являющейся фоновым электролитом для вольтамперометрического измерения этих элементов.
Ртуть (2+) получается при обработке пробы мочи раствором азотной кислоты и перекисью водорода с дальнейшим ультрафиолетовым облучением.
Для перевода мышьяка (5+), получающегося при разложении проб мочи, в форму мышьяк (3+) используют соляно- или сернокислый гидразин.
Для определения следов урана методом адсорбционной катодной ВА в литературе предложено несколько ли-гандов (пирокатехин, купферрон, пропилгаллат, 8-окси-хинолин и др.), образующих с и (6+) (с уранилом) комплексы, адсорбирующиеся на поверхности ртутного электрода. Недостатком предложенных методик является использование капающего (висящего) ртутного электрода, требующего большого количества токсичной ртути. Нами проведены исследования с использованием стационарных электродов — графитовых, стеклоуглерод-ных, а также ртутно-пленочных электродов, нанесенных на различные подложки. Наилучшие результаты получе-
48,5 ± 1,8 10,3 ± 0,8
45.0 ± 8,0 1,04 ± 0,09
12.1 ± 3,1 0,28 ± 0,07 39,1 ± 4,8 258 ± 21
65,0 60,0 130 1,00 40,0 0,10 5,0 30,0
63.2 ± 4,2 56,9 ± 5,1 130 ± 5 1,21 ± 0,26
39.3 ± 1,5 0,13 ± 0,04
5,1 ± 0,7 28,1 ± 3,4
ны с ртутно-пленочным электродом на серебряной подложке. В качестве лиганда выбран оксихинолин на фоне хлористого калия и буры при рН 7,0—8,0. Проведены исследования по оптимизации сигнала урана на уровне концентраций 10~5—10"8 моль/дм3 методом адсорбционной катодной ВА. Для определения урана (6+) в пробах использовано 3 приема: удаление карбонат-ионов путем подкисления, разрушение поверхностно-активных веществ фотохимическим окислением и мокрое озоление органических веществ. Показано, что после фотохимической пробоподготовки градуировочный график для урана имеет прямо пропорциональную зависимость.
Существуют два подхода к получению аналитических сигналов селена методом ИВ: с использованием золотого электрода и анодной развертки потенциала [7] и с использованием ртутного электрода в виде висящей обновляемой капли и катодной развертки потенциала [15]. В обоих случаях электроактивной формой является селен (4+). Выполнены исследования по оптимизации условий получения катодного сигнала селена методом ИВ на ртутно-графитовом электроде (вместо сменных капель ртути) в присутствии ионов меди с целью разработки методики определения селена в пробах мочи.
Проведенные исследования отражают процессы электрохимического восстановления селена до селенида и электровосстановления меди (2+) до (1+) в хлоридной среде с образованием малорастворимого селенида меди на ртутной пленке, выделенной на поверхности графита.
Для определения содержания йода при обработке проб мочи использовали щелочь и спекание с азотнокислым калием для полного разложения органической основы. При этом все формы йода переводят в раствор в виде йодид-иона, который и является электроактивной формой. Измерение основано на способности йсдид-ио-нов накапливаться на поверхности ртутного стационарного электрода в виде малорастворимого соединения с ртутью при определенном потенциале с последующим катодным его восстановлением при линейно меняющемся потенциале.
Таблица 4
Относительные значения показателей точности (в %) методик анализа проб мочи методом ВА при доверительной вероятности 0,95
Определяемый элемент Диапазон определяемых концентраций, мкг/'дм5 Границы относительной погрешности Случайная погрешность Предел воспроизводимости
Сс! 4,0-200 46 12 33
РЬ 8,0-200 26 12 33
Си 15-250 26 12 33
не 1,0-450 39 20 55
Аэ 10,0-500 33 15 42
и 0,1-5,0 33 17 46
Бе 4-400 36 18 50
I 20-10 000 20 10 28
Предел повторяемости
17 17 17
30 28 28 30 22
Концентрация элемента в пробе оценивается по методу добавок. Добавки аттестованной смеси элемента в раствор измеряемой пробы делали из растворов, приготовленных путем последовательных разбавлений государственных стандартных образцов состава растворов соответствующих элементов: С<3 (2+), РЬ (2+1, Си (2+), Н8 (2+), Аз (3+), и (6+), Бе (4+), I (1-).
В процессе разработки и метрологической аттестации методик анализа проведена оценка характеристик погрешности и ее составляющих.
Показатель воспроизводимости, т. е. случайная погрешность, оценен исходя из большого статистического набора данных (более 200 результатов по каждому элементу), полученных при анализе проб мочи здоровых и больных людей, детей и взрослых, мужчин и женщин разного возраста.
Показатель правильности, т. е. систематическая погрешность, оценен различными способами: с использованием специально подготовленных образцов для аттестации, с использованием метода добавок, путем сравнения результатов, полученных по разным методикам. Некоторые результаты и обобщенные данные приведены в табл. 3.
При определении массовой концентрации урана показано, что метод содержит систематическую погрешность, обусловленную неполнотой образования оксихи-нолинового комплекса. Эта погрешность учтена путем введения поправочного коэффициента в формулу для расчета содержания урана в пробе.
Методики позволяют получать при доверительной вероятности 0,95 результаты анализов проб мочи с показателями точности, приведенными в табл. 4.
Все разработанные методики количественного химического анализа аттестованы аккредитованной метрологической службой Томского политехнического университета согласно требованиям ГОСТ Р 8.563—96 "Методики выполнения измерений". Метрологическая экспертиза и согласование свидетельств об аттестации проведены Уральским НИИ метрологии (Екатеринбург). Методики с успехом используются в различных медицинских центрах России.
Литература
1. Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия.
- М., 1983.
2. Бок Р. Методы разложения в аналитической химии. - М., 1984.
3. Вредные химические вещества. Неорганические соединения 5—8 групп / Под ред. В. А. Филова. — Л., 1989. - С. 257-284.
4. ГОСТ Р 51301—99. Продукты пищевые и продовольственное сырье. Инверсионно-вольтамперометри-ческие методы определения содержания токсичных элементов (кадмия, свинца, меди и цинка). — М., 1999.
5. ГОСТ Р 51962—2002. Продукты пищевые и продовольственное сырье. Инверсионно-вольтамперо-метрические методы определения содержания мышьяка. — М., 2002.
6. Захарова Э. А., Пичуги на В. М., Толмачева Т. П. // Журн. аналит. химии. — 1996. — Т. 51, № 9. — С. 1000-1005.
7. Захарова Э. А., Филичкина О. Г., Пикула Н. П. // Завод. лаборатория. — 1999. — Т. 65, № 2. — С. 3—6.
8. Захарова Э. А., Каминская О. В., Слгпченко Г. Б. и др. // Хим.-фарм. журн. — 2002. — Т. 36, № 5. — С. 52-54.
9. Захарова Э. А., Филичкина О. Г., Пикула Н. П., Слеп-ченко Г. Б // Завод, лаборатория. — 2002. — Т. 68, № 11. - С. 3-6.
10. Маюрникова JI. А. Гигиеническое обоснование производства продуктов питания специального назначения и их товароведческая характеристика. — Кемерово, 1998.
11. Микроэлементозы человека: этиология, классификация, органопатология / Авцын А. П., Жаворонков А. А., Рим М. А. и др. - М., 1991.
12. Некоторые вопросы токсичности ионов металлов / Под ред. X. Зигель, А. Зигель. - М., 1993. - С. 169— 178.
13. Покровский А. А. Метаболические аспекты фармакологии и токсикологии пищи. — М., 1979.
14. ТУ 4215-001-20694097-98. Комплекс аналитический вольтамперометрический СТА. Технические условия. — М.
15. Филичкина О. Г., Захарова Э. А., Слетенко Г. Б. // Журн. аналит. химии. - 2004. - Т. 59, № 5 — С. 1-6.
Поступила 24.03.04
О КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2005 УДК 614.7:616.316-008.823-074
М. И. Чубирко, Г. М. Басова, Н. Н. Степанова, Т. А. Попова, Л. Н. Якушкина, В. П. Куралесина БИОМОНИТОРИНГ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В СЛЮНЕ
Центр Госсанэпиднадзора в Воронежской области, Воронежская государственная медицинская академия
Высокая стабильность химического состава ротовой жидкости служит необходимым условием эффективного функционирования органов полости рта. В здоровом организме микроэлементы постоянно находятся в строго сбалансированных соотношениях, а при наличии патологических состояний недостаточное или избыточное содержание одного из микроэлементов сопровождается сдвигами в содержании другого микроэлемента, находящегося в функциональной связи с ним.
Цинк является активатором ферментов клеточного дыхания — цитохромоксидазы и сукцинатдегидрогеназы. В ротовой жидкости пациентов с развившейся патологией пародонта выявлено повышенное содержание цинка.
Благодаря своим физико-химическим свойствам медь в процессах обмена веществ занимает одно из ведущих мест. Ион меди может служить как донором, так и акцептором электронов в окислительно-восстановитель-ных реакциях. Медь присутствует в активном центре ли-зипоксидазы — фермента, осуществляющего формиро-
вание поперечных сшивок между полипептидными цепями коллагена и эластина. Недостаток меди приводит к образованию дефектного коллагена.
Вопросу разработки доступной методики атомно-аб-сорбционного исследования меди и цинка в ротовой жидкости, выявлению взаимосвязи содержания микроэлементов, изучению влияния профессиональной гигиены полости рта на содержание в ротовой жидкости микроэлементов, их изменению по этапам исследований была посвящена совместная работа Воронежской государственной медицинской академии и Центра Госсанэпиднадзора в Воронежской области.
Ротовая жидкость исследовалась у пациентов мужского и женского пола с хроническим катаральным гингивитом легкой и средней степени тяжести (табл. 1).
У всех пациентов не выявлено выраженных заболеваний внутренних органов и систем по данным консультаций врачей других специальностей.
