МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РФ

ПЕРВЫЙ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. АКАДЕМИКА И.П. ПАВЛОВА

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

РЕФЕРАТ

Микроэлементный анализ тканей и биологических жидкостей

Гринина А.А., группа № 103

Мерзляков В.М., группа № 105

Преподаватель к.х.н., доцент, Дульнева Л.В.

Санкт-Петербург

2015 г.

Оглавление

Введение 2

1.Микроэлементы в медицине 4

2.Понятие о микроэлементном анализе 17

3.Микроэлементный анализ тканей и биологических жидкостей 26

Заключение 30

Список использованной литературы 31

Введение

Как известно, высшую ценность в науке составляет истина, которая в человеческом восприятии выражается в законах природы. В свою очередь, такие законы фиксируют устойчивые связи различных объектов или явлений. Один из законов, открытых в XX веке и касающихся непосредственно человека, связывает содержание элементов в организме человека и состояние его здоровья. При этом под состоянием здоровья можно понимать не только наличие уже проявляющихся заболеваний, но также риск их проявления или активизации, включая ту или иную предрасположенность. Бывает так, что человек постоянно лечится, например, от простудных заболеваний, а первопричина – снижение его иммунитета, вызванное отклонением от нормы содержания какого-то элемента или нарушением соотношения между двумя элементами. 

Потребность в микроэлементах последние годы удовлетворяется зачастую приемами биологически активных добавок, в которых содержание элементов определяется национальными стандартами. Однако в некоторых случаях врачу назначают повышенные дозы тех или иных элементов, из-за чего может произойти нарушение элементного баланса. Вследствие явлений синергизма и антагонизма прием какого-либо одного элемента влияет на содержание многих других элементов. 

Отсюда следует, что каждый человек должен знать и постоянно контролировать содержание элементов в своем организме. При этом для первоначального исследования желательно выбрать наибольший набор элементов, а в последующем определять содержание тех наборов элементов, которые порекомендует врач. 

Цель данной работы- рассмотреть, для чего и как используется микроэлементный анализ тканей и биологических жидкостей

Задачи данной работы: 1. Раскрыть понятие микроэлементов 2. Рассмотреть суть микроэлементного анализа 3. Изучить использование микроэлементного анализа в медицине

По литературным данным, роли микроэлементов в функционировании живого организма велика. Рядом авторов установлено, что в сочетании они усиливают свое органотоксическое действие, особенно на нервную систему из-за их вовлечения во многие физиологические процессы.

После длительного периода накопления учеными множества ценных, но слабо систематизированных фактов учение о микроэлементах встало перед необходимостью своего осознания в качестве особого раздела патологии, предметом которого является новый класс болезней человека с уже установленной этиологией, но с еще не ясным патогенезом. Несмотря на то, что болезни эти были давно известны клинической медицине, под объединяющим названием они никогда не выделялись и фигурировали в современных классификациях в разных рубриках. Самое важное, однако, что подавляющее большинство болезней и синдромов этого класса почти не регистрировалось, так как на них не обращали достаточного внимания.

Таким образом, на основании использованных мной источников полно рассматривается понятие микроэлементов и анализов, связанных с изучением их соотношения и количества в различных тканях и биологических жидкостях. Актуальность этой темы в наше время сложно недооценить, так как это связано с развитием науки и прогрессирующими заболеваниями, болезнями накопления, которым сопутствует техногенное загрязнение окружающей среды. Также этот метод может дать точные представления о возможных последующих заболеваниях и позволяет использовать его в качестве профилактики, что сразу указывает на огромный спектр его полезных свойств.

1. Микроэлементы в медицине

Все минеральные элементы делят на три группы в соответствии с их содержанием в организме: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.

Микроэлементы (Trace elements-«следовые элементы»)- это группа химических элементов, которые содержаться в тканях человека и животных в очень маленьких количествах, в пределах 10^-3-10^-6 %. Микроэлементы- это не случайные составляющие тканей и жидкостей живых организмов, а компоненты закономерно существующей очень древней и сложной физиологической системы, участвующей в регулировании жизненных функций организмов на всех стадиях развития.

В настоящее время выделены две группы микроэлементов. Во-первых, это эссенциальные микроэлементы, являющиеся незаменимыми нутриентами. К ним относятся: Cu, Zn, Cr, Se, Mo, J, Co. Кроме этих, еще восемь элементов относятся к условно эссенциальным: As, B, F, Li, Ni, Si, V. Элемент считается эссенциальным, если при его отсутствии или недостаточном поступлении организм перестает расти и развивать, не может осуществить свой биологический цикл, в частности, не способен к репродукции. Введение недостающего элемента устраняет признаки его дефицита и возвращает организму его жизнеспособность.

Вторую значительную группу составляют токсичные микроэлементы. Если при гипомикроэлементозах- заболеваниях, вызываемых дефицитом эссенциальных микроэлементов, возникают болезни недостаточности, то при самых разнообразных формах контакта организмов с токсичными микроэлементами возникает синдром интоксикаций-токсикопатий.¹

Из этого следует, что при приеме препаратов минералов и микроэлементов очень важно знать суточную потребность человека в них, а также взаимодействие основных элементов при их одновременном потреблении и усвояемость каждого из них в желудочно-кишечном тракте. (табл. 1)

Таблица 1. Усваиваемость элементов в желудочно-кишечном тракте

Для того чтобы в дальнейшем раскрывать функциональную составляющую микроэлементного анализа, необходимо рассмотреть несколько элементов с точки зрения их местоположения и воздействия на живой организм.

Кобальт (Co^-2) - комплексообразователь (d²sp³), связан с пентадентатным лигандом и группой CN- цианкобаламин (витамин B12, рисунок 1). Ковалентная связь кобальт-углерод в структуре цианкобаламина- единственный в живой природе пример ковалентной связи металл-углерод. В 1926-м году американские врачи Джордж Мино и Уильям Мэрфи обнаружили, что включение в состав питания больших количеств полусырой печени оказывает лечебное воздействие при злокачественной анемии. В 1934 году два гарвардских врача, Джордж Майкот и Уильям Парри Мёрфи, получили Нобелевскую премию за открытие лечебных свойств цианокобаламина. В 1948 году Э. Лестер Смит (Англия), а также Эдвард Рикес и Карл Фолкерс из Соединенных Штатов Америки получили витамин В12 в кристаллическом виде. За расшифровку его структуры в 1955 году Дороти Ходжкину была присуждена нобелевская премия.

Витамин В12 единственный водорастворимый витамин, который в организме человека и животных синтезируется микрофлорой кишечника, откуда поступает в органы, накапливаясь в наибольших количествах в почках, печени, стенке кишечника и селезенке. Синтезом в кишечнике потребность организма в цианокобаламине полностью не обеспечивается; дополнительные количества его поступают с продуктами животного происхождения.

Рисунок 1. Цианокобаламин

Витамин В12 - это единственное из питательных веществ, которое содержит необходимый для человека микроэлемент кобальт. Цианокобаламин играет огромную роль в организме: необходим для нормального кроветворения и созревания эритроцитов, регулирует функцию кроветворных органов, обладает выраженными липотропными свойствами, предупреждает жировую инфильтрацию печени, повышает активность окислительного фермента сукцинатдегидрогеназы, увеличивает потребление кислорода клетками при острой и хронической гипоксии, удаляет из организма фактор риска сердечных заболеваний – гомоцистеин – аминокислоту, повышенное содержание которой в крови приводит к инсультам и инфарктам миокарда, совместно с витамином А участвует в клеточном делении, присущем всем живым клеткам. Без него невозможен синтез тканей нашего тела, обеспечивает вступление каротинов в обмен веществ и превращение их в активный витамин А, играет огромную роль в снижении содержания холестерина в крови, уменьшает симптомы старческого слабоумия и спутанности мышления, во взаимодействии с другими веществами приводит в действие основной жизненный процесс – синтез рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислот. А они являются белковыми веществами, из которых состоят клеточные ядра и которые содержат всю наследственную информацию, участвует в выработке мелатонина – гормона, ответственного за перестройку ритма наших биологических часов, восстанавливает способность иммунной системы противостоять бактериям, облегчает боль, связанную с повреждением нервов при диабетической невропатии, помогает исправить пониженное кровяное давление, является основным питательным веществом, необходимым для здоровья репродуктивных органов у мужчин и женщин, увеличивает содержания сперматозоидов в семенной жидкости, поддерживает здоровье нервной системы,необходим для превращения пропионовой и метилмалоновой кислот в янтарную, которая входит в состав липидной части миелина, совместно с витамином С, фолиевой и пантотеновой кислотами.

Цинк (Zn⁺²) - комплексообразователь, sp³-гибридизация, тетраэдр. Биологическая роль цинка была установлена, когда Дж. Раулин в 1869 году показал, что данный элемент необходим для Aspergillus niger (вид высших плесневых грибов из рода Аспергилл). В дальнейшем это положение было подтверждено для растений и животных. Принципиальное значение цинка было выявлено Д. Кейлином в 1940 году. Он установил, что цинк является составной частью карбонатдегидратазы (карбоангидразы, рисунок 2)-это фермент, катализирующий обратимую реакцию гидратации диоксида углерода (CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃ ↔ H⁺ + HCO₃). Этот фермент содержится в эритроцитах, клетках слизистой оболочки желудка,коре надпочечников, почках, поджелудочной железе и других органах. Роль карбонатдегидратазы в организме связана с поддержанием кислотно-щелочного равновесия, транспортом СО₂, образованием соляной кислоты слизистой оболочкой желудка. Активность в крови в норме довольно постоянна, но при некоторых патологических состояниях она резко меняется. Повышение активности в крови отмечается при анемиях различного генеза, нарушениях кровообращения, некоторых заболеваниях легких, а также при беременности. Снижение активности этого фермента в крови происходит при ацидозе почечного генеза, гипертиреозе.

Рисунок 2 Хелатированный цинк (П) в активном центре карбоангидразы

Молимбден (Mo⁺⁵) – кофактор ферментов, обеспечивающих метаболизм аминкислот, пуринов, пиримидинов. Он образует кислородсодержащие (Mo-O-Mo), серосодержащие (Mo-S-Mo) мостики. В комплексах образуется ковалентная связь с другими металлами. Нитрогеназа содержит в активном центре ионы Fe⁺² и Mo⁺⁵ одновременно. В биокомплексах катионы молибдена связаны с группами –COOH, -OH, -SН, встречается и в оксоформе Mo=O. Впервые внимание на молибден было обращено в связи с его токсическим действием на организм сельскохозяйственных животных. Первые исследования молибденоза позволили предположить эффективное средство его предупреждения-подачу животным сульфата меди. Таким образом, с самого начала был обнаружен физиологический антагонизм этих двух металлов. Выяснение роли молибдена в обмене веществ животного организма связано с открытием трех молибденсодержащих ферментов-ксантинооксидазы, альдегидоксидазы, сульфитоксидазы.

Ксантиноксидаза - молибден-содержащая оксидоредуктаза,это высокомолекулярный димерный белок. Каждый мономер включает в себя 2 флавина в виде ФАД, 2 атома молибдена в виде молибдено-птерина и 8 атомов железа в составе железо-серных кластеров фермент. Ксантиноксидаза катализирует окисление гипоксантина в ксантин и ксантина в мочевую кислоту: гипоксантин + O₂ + H₂O ↔ ксантин + H₂O₂, ксантин + O₂ + H₂O ↔ мочевая кислота + H₂O₂

Рисунок 3. Ксантиндегидрогеназа

Альдегидоксидазы- цитозольный фермент (рисунок 4). Подобно ксантиоксидазе альдегидоксидаза в процессе каталитического акта генерирует активные формы кислорода, участвующие в реакциях с ацетальдегидом и образующие при этом соответствующие радикалы. Экспрессируется альдегидоксидаза в различных органах и тканях животных и человека. Особенно высоки уровни активностей этого фермента в печени, легких и селезенке травоядных млекопитающих. В организме человека ее распространение несколько ограничено и включает, практически, только печень, а следовые количества наблюдаются в почках и сердечной мышце.

Рисунок 4. Альдегидоксидаза

Сульфитоксидазы- фермент, превращающий сульфит в сульфат, является строго специфичным к своему субстрату. Фермент присутствует преимущественно в печени, где он локализуется в межмембранном пространстве митохондрий. Его физиологическим акцептором электронов является митохондриальиый цитохром С. Сульфитоксидаза выделена из печени человека, крупного рогатого скота, кроликов и крыс. Она представляет собой димер, образованный двумя идентичными субъединицами с молекулярной массой 55000 - 60000, из которых каждая содержит по одному атому молибдена и одной молекуле цитохрома.

Рисунок 5. Сульфитоксидаза

Молибден в организме содержатся ориентировочно в количестве 9 г, из которых 56% приходится на кости, 22% на печень и 22% на кровь. В литературе уже давно обсуждается вопрос о возможной связи избытка молибдена и возникновением подагры. Предполагается, что повышенный синтез ксантиноксидазы и интенсификация пуринового обмена ведут к накоплению избыточных количеств мочевой кислоты, с выделением которых не справляются почки. В результате чего мочевая кислота и ее соли откладываются в сухожилиях и суставах. Молибден принимает участие также в метаболизме жиров и углеводов, в качестве антиоксиданта способствует нормальной работе мужской половой функции, активизирует работу антиокислителей, включая витамин С, является важным компонентом системы тканевого дыхания, активирует выработку аминокислот, способствует накоплению азота., также содействует утилизации железа, являясь важной частью фермента, помогает устранить последствия отравления сульфитами и алкоголем.

Медь (Cu⁺²) - комплексообразователь, dsp²-гибридизация, конфигурация-плоский квадрат, координационное число-4. Один из важнейших незаменимых микроэлементов, необходимых для жизнедеятельности человека. Половина количества меди в организме содержится в мышцах и костях, тканях печени, мозге. Небольшие количества этого элемента находятся в легких, кишечнике, селезенке, коже и волосах, эндокринных железах. В крови в среднем содержится около 100 мкг меди, причем в эритроцитах-60 мкг. Значительная часть меди плазмы крови находится в церулоплазмине-важнейшем мудьсодержащем белке. Медь найдена в супероксиддисмутазе эритроцитов и лейкоцитов.²

Медь участвует в биохимических процессах как составная часть электронпереносящих белков, осуществляющих реакции окисления органических субстратов молекулярным кислородом. Этой ролью она обязана своим особым свойством как переходного металла. Имя два обычных валентных состояния, она в зависимости от природы расположения лигандов позволяет медьсодержащим белкам охватывать широкий интервал окислительно-восстановительных потенциалов, а также обратимо связывать кислород и окись углерода. Каталитические центры медьпротеинов могут быть одноядерными и двуядерными. Многие белки содержат по одному такому центру. Например, в галактозооксидазе присутствует одиночный одноядерный медный центр, а в тирозиназе-двуядерный. Ряд белков содержит четыре и более ионов меди, входящих в состав центров обоих типов.

Медьсодержащие аминоксидазы с одноядерным центром катализируют общую реакцию R¹CH₂NR₂ + O₂ + H₂O = R¹CHO + HNR₂ + H₂O₂. Они широко распространены в природе. В связи с тем, что аминоксидазы животных принимают участие в катаболизме и инактивации многих физиологически активных аминов, таких как гистами, адреналин, тирамин, путресцин, спермин, они подвергались разностороннему интенсивному изучению. К аминоксидазам относят цитохром-оксидазу (рисунок 7), церулоплазмин (рисунок 6).

Рисунок 6.Церулоплазмин

Рисунок 7.Цитохром-оксидаза

Медь требуется для фермента, который отвечает за выработку эластина, коллагена, соединительных белковых тканей.

Супероксиддисмутаза (рисунок 8) - антиоксидант, противовоспалительного фермента, который защищает организм от действия свободных радикалов, способствует повышению устойчивости к яду инфекций, связывая микробные токсины и усиливая воздействия антибиотиков. Медь, обладая противовоспалительным свойством, ослабляет симптомы аутоиммунных заболеваний, к примеру, ревматоидного артрита.

Рисунок 8. Супероксиддисмутаза

Также медь требуется для фермента гистаминазы, управляющего метаболизмом гистамина; меланина, участвующего в продуцировании натурального пигмента волос и кожи; для синтеза фосфолипидов, находящихся в клеточных мембранах; участвует в расщеплении жиров, углеводов, в синтезе простагландина и способствует нормальной работе и активизации инсулина; принимает участие в производстве эритроцитов (медь достает железо из резервов, содействует его усвоению и выработке гемоглобина. Также медь участвует в доставке кислорода к мышцам. Во время интенсивной физической нагрузки повышает скорость кровообращения.); медь укрепляет сопротивляемость организма инфекциям. (во время инфекции или воспаления в организме мобилизуются два фермента, содержащие медь – церулоплазмин и супероксиддисмутаза.).

Марганец (Mn⁺²) – концентрируется в костной ткани в составе нерастворимых фосфатов и комплексах с белками. В других органах – вмитохондриях является комплексообразователем (MnАТФ^2- замещает ион магния). В гипофизе [ Mn(H₂O)5]²⁺. В норме в организме мужчины массой 70 кг имеется 10-20 мг марганца. В норме в костях, особенно трубчатых, а также в печени и почках находятся более высокие концентрации марганца. Уровень его в сыворотке крови повышен при заболеваниях сердца, инфекциях и некоторых психозах. Марганец имеет жизненно важное значение для функции мозга. Наиболее высока его концентрация в эпифизе, обонятельных луковицах, срединном возвышении гипоталамуса и в базальных ганглиях. Он аккумулируется преимущественно в меланинсодержащих структурах центральной нервной системы. Характерно высокое содержание марганца в клетках органов, богатых митохондриями. Дефицит его ведет к селективному поражению этих органелл, они удлиняются, нарушается правильная ориентация крист. Также марганец входит в состав многих металлоферментов и кофакторов. Он необходим для формирования костной ткани, синтеза белков, молекул АТФ и регуляции клеточного метаболизма. Кроме того, марганец выступает в роли кофактора одной из разновидностей супероксиддисмутазы (марганцевой, рисунок 9), нейтрализующей свободные радикалы, и ферментов глюконеогенеза. Снижение экспрессии марганцевой супероксиддисмутазы снижает время заживления ран и ангиогенеза на модели диабета.

Рисунок 9.Марганцевая супероксиддисмутаза

2. Понятие о микроэлементном анализе

Результаты исследования минерального обмена являются дополнением биохимических анализов. Микроэлементный анализ, в сочетании с врачебным опросом или осмотром, является ценным источником информации, который позволяет полностью оценить состояние здоровья и характерные черты метаболического типа.

На скорость метаболических процессов могут влиять многие факторы, в том числе физический труд, умственный труд, эмоциональные состояния, низкая либо высокая температура окружающей среды, состояние пищеварения и переваривания пищи, повышение содержания некоторых гормонов в крови, особенно гормонов щитовидной железы и коры надпочечников. Соответствующая интерпретация врачебного опроса и результата микроэлементного анализа делает возможным указать оптимальный способ питания организма. Используемые в описании характеристики "увеличенное количество" или "повышенное количество" и т.п. не нужно рассматривать как патологию, а лишь как отображение состояния метаболических процессов. Правильные величины концентрации микроэлементов и пропорции между ними могут оцениваться только как один из параметров, которые характеризуют недостаток либо избыток данного элемента. Исследования минерального обмена производятся более 30 лет во многих научных центрах мира. Результаты микроэлементного анализа могут: обнаружить склонности к определенным заболеваниям, усилить эффективность проводимых терапевтических мероприятий, обнаружить нарушения, которые являются сопутствующими при многих патологиях.³

На основании результатов исследований назначаются индивидуальные диететические рекомендации, а также программа суплементации (витамины-минералы- антиоксиданты), целью которой является улучшение состояния здоровья.

Одним из способов микроэлементного анализа является спектральный анализ -  совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц. зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральные анализы позволяют определять элементарный и молекулярный состав вещества, соответственно. В эмиссионном и адсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения. Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта.

Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах.

Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10—30 мг), необходимого для анализа на большое число элементов.

Атомарные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000—10000 °C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов.

В последнее время, наибольшее распространение получили эмиссионные и масс-спектрометрические методы спектрального анализа, основанные на возбуждении атомов и их ионизации в аргоновой плазме индукционных разрядов, а также в лазерной искре.

Спектральный анализ — чувствительный метод и широко применяется в аналитической химии, астрофизике, металлургии, машиностроении, геологической разведке, археологии и других отраслях науки.

В теории обработки сигналов, спектральный анализ означает анализ распределения энергии сигнала (например, звукового) по частотам, волновым числам и т. п.

Другим методом исследования является рентгенофлуоресцентный анализ (РФА)⁴- один из современных спектроскопических методов исследования вещества с целью получения его элементного состава, то есть его элементного анализа. С помощью него могут анализироваться различные элементы от бериллия (Be) до урана (U). Метод РФА основан на сборе и последующем анализе спектра, полученного путём воздействия на исследуемый материал рентгеновским излучением. При облучении атом переходит в возбуждённое состояние, заключающееся в переходе электронов на более высокие энергетические уровни. В возбуждённом состоянии атом пребывает крайне малое время, порядка одной микросекунды, после чего возвращается в основное состояние. При этом электроны с внешних оболочек либо заполняют образовавшиеся вакантные места, а излишек энергии испускается в виде фотона, либо энергия передается другому электрону из внешних оболочек. При этом каждый атом испускает фотон с энергией строго определённого значения, например, железо при облучении рентгеновскими лучами испускает фотоны Кα = 6,4 кэВ. Далее соответственно по энергии и количеству квантов судят о строении вещества.

В качестве источника излучения могут использоваться как рентгеновские трубки, так и изотопы каких-либо элементов. Поскольку каждая страна имеет свои требования к ввозу и вывозу излучающих изотопов, в производстве рентгенофлуоресцентной техники в последнее время стараются использовать, как правило, рентгеновскую трубку. Трубки могут быть как с родиевым, так и с медным, молибденовым, серебряным или другим анодом. Анод трубки, в некоторых случаях, выбирается в зависимости от типа элементов, требующих анализа, для решения которой будет использоваться данный прибор. Для разных групп элементов используются различные значения силы тока и напряжения на трубке. Для исследования лёгких элементов вполне достаточно установить напряжение 10 кВ, для средних 20-30 кВ, для тяжелых — 40-50 кВ. Кроме того, при исследовании лёгких элементов большое влияние на спектр оказывает атмосфера, поэтому камеру с образцом либо вакуумируют, либо заполняют гелием. После возбуждения спектр регистрируется на специальном детекторе. Чем лучше спектральное разрешение детектора, тем точнее он сможет отделять друг от друга фотоны от разных элементов, что в свою очередь скажется и на точности самого прибора. В настоящее время наилучшей возможной разрешающей способностью детектора является 123 эВ.

После попадания на детектор фотон преобразовывается в импульс напряжения, который в свою очередь подсчитывается счётной электроникой и наконец передается на компьютер. По пикам полученного спектра можно качественно определить, какие элементы присутствуют в образце. Для получения точного количественного содержания необходимо обработать полученный спектр с помощью специальной программы калибровки (количественной градуировки прибора). Калибровочная программа должна быть предварительно создана с использованием стандартных образцов, чей элементный состав точно известен. Упрощённо, при количественном анализе спектр неизвестного вещества сравнивается со спектрами полученными при облучении стандартных образцов, таким образом получается информация о количественном составе вещества.

Рентгенофлуоресцентный метод широко используется в промышленности, научных лабораториях. Благодаря простоте, возможности экспресс-анализа, точности, отсутствию сложной пробоподготовки, сферы его применения продолжают расширяться.⁵

Рисунок 10. Спектр, выполненный спектрометром

Полярография⁶— один из важнейших электрохимических методов анализа веществ, исследования кинетики химических процессов.Предложен Я. Гейровским в 1922 году, когда он изучал влияние напряжения, приложенного к ртутной капле, погруженной в водный раствор, на величину поверхностного натяжения, (так называемый «электрокапиллярный эффект»). Он заметил, что величина тока через каплю зависит от состава раствора. Доработав эту идею, он создал метод, который основан на измерении зависимости тока от напряжения на ртутно-капельном электроде. Получающиеся зависимости, так называемые вольтамперные кривые или вольтамперограммы, зависят от состава раствора и позволяют проводить одновременно качественный и количественный анализ содержащихся в растворе микропримесей. В 1959 году за метод полярографии Гейровскому была присуждена Нобелевская премия по химии.

Протекание электрического тока в водном растворе связано с движением ионов, образованных в результате электролитической диссоциации. Протекание тока через ртуть, другие металлические и углеродные материалы – с движением электронов. Поэтому на границе электрод/раствор должен существовать какой-то процесс, обеспечивающий переход потока ионов в поток электронов, иначе ток не пойдет.Метод основан на анализе кривых зависимостей силы тока от приложенного к электрохимической ячейке напряжения — так называемых полярограмм. В зависимости от формы и скорости изменения поляризующего напряжения различают постояннотоковую (классическую), переменнотоковую, высокочастотную, импульсную, осциллографическую полярографию, варианты метода имеют различные чувствительность (минимально определяемая концентрация вещества) и разрешающую способность (допустимое отношение концентраций определяемого компонента и сопутствующих).Полярография широко используется в металлургии, геологии, органической химии, медицине, электрохимии для определения ряда ионов (кадмий, цинк, свинец и др.), органических веществ (аминокислот, витаминов), их концентрации, для изучения механизма электродных и фотохимических реакций, протекающих в фотоэлектрохимических ячейках.

Потенциометрия — метод определения различных физико-химических величин, основанный на измерении электродвижущих сил (ЭДС) обратимых гальванических элементов. Иначе говоря, зависимость равновесного потенциала электрода от активности концентраций определяемого иона, описываемая уравнением Нернста. Широко применяют потенциометрию в аналитической химии для определения концентрации веществ в растворах (потенциометрическое титрование), для измерения рН.

Вольтамперометрия⁷— метод анализа, основанный на исследовании зависимости тока поляризации от напряжения, прикладываемого к электрохимической ячейке, когда электрический потенциал рабочего электрода значительно отличается от равновесного значения. По разнообразию методов вольтамперометрия — самая многочисленная группа из всех электрохимических методов анализа, широко используемая для определения веществ в растворах и расплавах.

Активационный анализ относится к основным ядерно-физическим методам обнаружения и определения содержания элементов в различных природных и техногенных материалах и объектах окружающей среды. Метод базируется на фундаментальных понятиях и данных о структуре атомных ядер, сечениях ядерных реакций, схемах и вероятностях распада радионуклидов, энергиях излучения, а также на современных способах разделения и предварительного концентрирования микроэлементов. Широкое распространение активационный анализ получил благодаря таким преимуществам перед другими методами, как низкие пределы обнаружения элементов (10^–12–10^–13 г), экспрессность и воспроизводимость анализа, возможность неразрушающего одновременного определения в пробе 20 и более элементов. Применение специальных химических методик и аппаратурных приемов позволяет определять следовые количества примесей в биологических объектах, особо чистых веществах и устанавливать химическую форму элементов в исследуемых пробах. Следует отметить, что относительная погрешность определения содержания элементов в пробах активационным методом не выходит за пределы 10%. Общим является активация вещества нейтронами, гамма-квантами или заряженными частицами и последующая регистрация спектрального состава излучения возбужденных ядер или образовавшихся радиоактивных изотопов. Активационный анализ на заряженных частицах, в связи с их малым пробегом в веществе, используется главным образом для анализа тонких слоев и при изучении поверхностных эффектов.

Для осуществления активационного анализа исследуемый образец (проба) подвергается облучению потоком бомбардирующих частиц, например нейтронов в ядерном реакторе. При этом образуются как стабильные, так и радиоактивные нуклиды (радионуклиды), характеризующиеся различными временами жизни и энергиями распада. Радиоактивность облученного образца прямо пропорциональна количеству образовавшихся радионуклидов. Поэтому количество радионуклида удобно выражать его активностью A, т. е. числом распадов в единицу времени, т.к. эту величину можно измерить с помощью различных детекторов. В результате распада количество радиоактивных ядер в образце непрерывно уменьшается и, следовательно, изменяется и активность.⁸

Рентгеноспектральный микроанализ -определения атомного состава вещества в малом объёме. Для данного метода применяется микрозонд. Принцип действия микрозонда следующий: генерируется пучок электронов, который собирается электромагнитными линзами в узкий пучок — электронный зонд. Попадая в образец электроны выбивают электроны с оболочек атомов вещества, и генерируют характеристическое рентгеновское излучение. Каждый элемент излучает на характерном для него наборе частот, и может быть по нему идентифицирован. Концентрации элементов определяются по интенсивности излучения.

В настоящее время микрозонд обычно является вариантом растрового электронного микроскопа, оптимизированного для рентгеноспектрального анализа. Поэтому большинство микрозондов может выполнять также функции электронного микроскопа.

Для выполнения количественного микрозондового анализа поверхность образца должна быть отполирована и очищена. неровности приводят к нетипичному рассеиванию рентгеновских лучей и значительным ошибкам в определении концентрации элементов. Для того чтобы на поверхности диэлектрического образца не накапливался заряд, на него напыляют тонкую токопроводящую пленку, обычно углерод.