Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА І. МЕТОДЫ МИКРОАНАЛИЗА И ИХ ПРИЛОЖЕНИЯ ДЛЯ ГИГИЕНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ (обзор литературы) 10
ГЛАВА II. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА РЕЖИМОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА БИОМАТЕРИАШ И ПРОБЫ АЭРОЗОЛЕЙ В ПРИБОРЕ ЭМАЛ-2 С ЦЕЛЬЮ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ БЕЗЭТАЛОННОГО КОЛИЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА
2.1. Физические предпосылки безэталонного количественного масс-епектрометричёскрго анализа при лазерном возбуждении пробы 36
2.2. Устройство и принцип работы прибора ЭМАЛ-2 37
2.3. Этапы образования масс-спектра и вляние основных факторов на структуру регистрируемых спектров в приборе ЭМАЛ-2 43
2.4. Экспериментальное определение оптимальных условий воздействия на сложные аэрозоли и биологические материалы с целью проведения безэталонного количественного анализа 51
ГЛАВА III. МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ МАСС-СПЕКТРОВ И КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА КОНЦЕНТРАЦИЙ СОСТАВЛЯЮЩИХ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБ И СЛОЖНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ 66
3.1. Особенности детектирования ионных токов лазерной плазмы 67
3.2. Идентификация элементов масс-спектра биологических проб и аэрозолей, отобранных на органический фильтр при фотодетектировании ионов 73
3.3. Оценка интенсивности ионных токов, зарегистрированных на фотопластинке 76
3.4. Методика расчета концентраций по балансу суммирования аналитических сигналов всех составляющих масс-спектра органических проб 90
3.5. Расчет концентраций элементов в широком диапазоне масс при регистрации массового спектра проб с органической основой 98
3.6. Аналитические характеристики лазерного масс-спект-рометрического метода анализа образцов с матрицей органического происхождения 100
ГЛАВА ІV. ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО МСС-СПЕКТР0МЕТРИЧЕСК0Г0
МЕТОДА В ПРАКТИКЕ САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ III
4.1. Анализ элементного состава сложных аэрозолей, выделяющихся в воздух рабочей зоны промышленных предприятий 112
4.2. Оценка биологического действия угольной пыли 128
4.3. Изменение состава внутренних органов при действии угольной и угольно-породной пыли 139
4.4. Исследование накопления и выведения калия, магния, кальция и натрия при пероральном поступлении в организм бесхлорных калийных удобрений 144
4.5. Оценка электролитного состава крови при воздействии на организм излучения аргонового лазера Ї5І
Выводы 156
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 158
ЛИТЕРАТУРА 171
ПРИЛОЖЕНИЯ 195
- МЕТОДЫ МИКРОАНАЛИЗА И ИХ ПРИЛОЖЕНИЯ ДЛЯ ГИГИЕНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ (обзор литературы)
- Физические предпосылки безэталонного количественного масс-епектрометричёскрго анализа при лазерном возбуждении пробы
- Особенности детектирования ионных токов лазерной плазмы
- Анализ элементного состава сложных аэрозолей, выделяющихся в воздух рабочей зоны промышленных предприятий
Введение к работе
В программном документе "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 г.г. и на период до 1990 г.", принятом на ГОІ съезде КПСС предусмотрено "...обеспечение дальнейшего экономического прогресса общества, глубокие качественные сдвиги в материально-технической базе на основе ускорения научно-технического прогресса, интенсификация общественного производства, повышения его эффективности " /I/.
Интенсификация и механизация процессов промышленного производства могу* приводить к увеличению выбросов вредных веществ, загрязнению рабочих зон промышленных предприятий и воздушного бассейна. В связи с этим в настоящее время все большее значение приобретают мероприятия, направленные на разработку практических мер по снижению поступления вредных веществ в окружающую среду. Для получения объективных данных по оценке действия факторов внешней среды и состояния здоровья населения, разработки надежных гигиенических регламентов важное значение имеет совершенствование и внедрение в гигиеническую практику объективных наиболее современных высокочувствительных методов анализа /116/.
Развитию методов исследования в медицине и биологии уделяется большое внимание. В Постановлениях ЦК КПСС и Совета Министров СССР її 773 (1982 г.) и № 870 (1977 г.) намечены и выполняются в настоящее время работы, по развитию и внедрению новых инструментальных методов, обеспечивающих современные медико-биологические исследования.
В гигиене совершенствование и > разработка новых методов анализа является весьма актуальными, так как для используемых в настоящее время атошо-абсорбод'онного, эмиссионного и спект-рофотометрического методов требуются трудоемкие подготовительные операции проб, в основном предполагающие разрушение органической структуры способами мокрого и сухого озолешя, в результате чего не обеспечивается полнота данных по всем составляющим элементам; возможны потери элементов и загрязнения в ходе подготовки проб, что снижает точность результатов /209/,
Количественная интерпретация результатов требует обязательного использования стандартных образцов, что в случае исследования многокомпонентных биологических объектов и аэрозолей представляет серьезные трудности из-за отсутствия эталонных образцов.
Указанные методы позволяют проводить только поэлементный анализ и для получения данных по всем составляющим с требуемой чувствительностью необходимо сочетать несколько типов приборов.
Среди существующих инструментальных методов только эмиссионный спектральный и масс-спектральный позволяют определять широкий круг элементов одновременно. Эмиссионный спектральный -5 метод обеспечивает в основном чувствительность анализа 10 г, что для современных исследований является недостаточным.
Маес-спектрометрический метод обладает высокими аналити- -12 ческими характеристиками, абсолютная чувствительность - 10 г, кроме того метод позволяет анализировать пробу одновременно по всем составляющим и не требует специальной подготовки образцов /131/.
Новые достижения в развитии маес-спектрометрического метода связаны с использованием лазера в качестве источника для возбуждения пробы. В Советском Союзе в последние годы проводились работы по созданию прибора, реализующего масс-спектрометри- - б -ческий метод с лазерным источником ионов, и в настоящее время освоен серийный выпуск такого прибора - энергомасс-анализато-ра лазерного ЭЁАЛ-2. Первые образцы с успехом использовались для анализов g высокой чувствительностью и разрешением в микроэлектронике , изучении распределения микропримесей в сварных швах, геохимических исследованиях.
С целью исследования возможности применения прибора ЭМАЛ-2 для решения гигиенических задач во ВНИИ медицинской техники МЗ СССР совместно с сотрудниками Московского НИИ гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана МЗ РСФСР и разработчиками прибора - сотрудниками кафедры твердого тела Московского инженерно-физического института и ПО "Электрон" были проведены предварительные испытания.
Рассмотрев результаты испытаний, специализированная комиссия комитета по новой технике МЗ СССР по приборам и аппаратам, применяемым для оснащения учреждений санитарно-гигиенического и санитарно-эпидемиологического профиля, рекомендовала применение ЭМАЛ-2 в практике санитарно-гигиенических и санитарно-эпидемиологических учреждений и разработку высокочувствительного безэталонного количественного метода анализа на данном приборе.
Целью настоящей работы является разработка высокочувствительного безэталонного метода элементного анализа с одновременным исследованием всех компонентов биологических материалов и аэрозолей для гигиенической оценки факторов внешней среды. Работа выполнялась в рамках тем № 7944, В 8408 по Постановлению ЦК КПСС и Совета Министров СССР В 870 (1977 г.), В 773 (1982 г.).
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи: - провести сравнительный анализ современных методов иссле- -7.-дования элементного состава биологического материала и аэрозолей и обосновать целесообразность метода, обеспечивающего достижение поставленной в работе цели; разработать оптимальный режим воздействия лазерного излучения на медико-биологические образцы и аэрозоли с целью осуществления безэталонного количественного элементного анализа на приборе ЭМАЛ-2; разработать методику расчета концентраций элементов, составляющих медико-биологические образцы и аэрозоли в широком диапазоне масс и концентраций; апробировать безэталонную методику лазерного масс-спектро-метрического метода для анализа аэрозолей, выделяющихся в воздух рабочих зон промышленных предприятий; апробировать безэталонную методику лазерного масс-спектро-метрического анализа элементного состава биологического материала при изучении; вопросов этиологии и патогенеза пневмокониозов на примере экспериментального антракоза; перераспределения макро- и микроэлементов внутренних;.; органов при действии шлей различного происхождения; характера и длительности нарушений водно-солевого обмена во внутренних органах экспериментальных животных при действии на организм бесхлорных калийных удобрений; направленности изменений в электролитном составе крови под воздействием излучения аргонового лазера.
Научная новизна работы. В работе впервые: - разработан оптимальный режим воздействия на сложные аэро золи и биоматериалы лазерного излучения с плотностью потока в диапазоне 5*10 Вт/см^ - 1-Ю Вт/см для цели осуществления безэталонного высокочувствительного количественного элементного анализа на приборе ЭМАЛ-2; - разработана методика проведения элементного анализа и расчета всех компонентов аэрозолей и биологического материала - в широком диапазоне концентраций (10 % - 100%) и масс (от водорода до урана).
При гигиенической оценке факторов внешней среды апробирована методика безэталонного анализа с помощью лазерного масс-спектрометрического метода проведен одновременный по всем элементам анализ проб сложных аэрозолей, позволивший получить новые сведения о роли вещественного состава пыли для оценки ее патогенного действия; проведена дифференцированная оценка состояния микроэлементного состава легочной ткани при экспериментальном антракозе; изучено перераспределение макро- и макроэлементов органической и минеральной структуры ведущих внутренних органов при действии пылей различного происхождения; установлены характер и длительность нарушений водно-солевого обмена во внутренних органах экспериментальных животных при действии на организм бесхлорных калийных удобрений; получены новые данные по изменению электролитного состава крови под воздействием излучения аргонового лазера.
Практическая значимость работы состоит в том, что разработанный метод позволяет: - проводить анализ сложных аэрозолей и биологического ма- -12 териала с чувствительностью 10 г без специальной подготовки проб (озоление, отделение мешающих элементов и др.), что дает значительную экономию времени, затрачиваемого на проведение - 9 -анализа, повышает точность и производительность; - одновременно исследовать элементы как органической, так и неорганической части проб и таким образом повысить информа тивность и объективность анализа, что в случае оценки измене ний в организме способствует повышению точности диагностики.
На основании результатов испытаний специализированная комиссия комитета по новой медицинской технике МЗ СССР по приборам и аппаратам, применяемым для оснащения учреждений санитарно-гигиенического и санитарно-эпидемиологического профиля рекомендовала лазерный масс-спектрометрический метод, реализуемый в настоящее время на приборе ЭМАЛ-2, для применения в практике учреждений санитарно-гигиенического профиля ( протокол $ І от 20.04.1983 г.).
Получено положительное решение по заявке на изобретение "Способ диагностики антракоза" ( № 3629908 ).
Результаты работы использованы при подготовке методических рекомендаций по применению прибора ЭМАЛ-2 в медицинских учреждениях санитарно-гигиенического и санитарно-эпидемиологического профиля ( Утв. МЗ СССР 6.05.J985 г. $ 3873 - 85 ).
Основные положения, которые выносятся на защиту оптимальный режим воздействия лазерного излучения на медико-биологические пробы и сложные аэрозоли, отобранные на органический фильтр, который составляет 5*10 Вт/см -1-Ю9 Вт/см2; методика расчета концентраций элементов, составляющих медико-биологические пробы, в широком диапазоне масс ( от во-дорода до урана ) и концентраций ( 10" % - 100% ); методика расчета элементного состава сложных аэрозолей; изменения элементного состава внутренних органов и крови при действии некоторых факторов внешней среды.
Методы микроанализа и их приложения для гигиенических исследований (обзор литературы)
Аналитические характеристики инструментальных методов анализа Уровень современных исследований в медицине и биологии предъявляет высокие требования к методам анализа химического состава медико-биологических проб /78/. Для решения практических задач необходимы методы, обеспечивающие чувствительность обнаружения элементов на уровне естественного содержания их в биологическом материале (10" % - 10 %), на уровне ПДК и ниже при нормировании, исследовании токсичности веществ, изучении действующего фактора. В дальнейшем имеется тенденция к снижению этих пределов /71/. При этом метод должен обеспечивать полноту данных о составе всей пробы с высокой правильностью и точностью.
Для гигиенических исследований важно обеспечить, кроме того, возможность комплексного изучения как действующего фактора (определение элементного состава витающей пыли, аэрозолей и др.), так и оценку реакции организма на это воздействие.
Для определения микроколичеств элементов в биологических пробах и во внешней среде используются различные метода аналитической химии /93/, которые позволяют решать следующие задачи:
- прямое определение микроколичеств элементов в относительно большом объеме пробы;
- определение малых локальных концентраций примесей в большом объеме пробы;
- определение больших и малых количеств элементов в малых по объему пробах.
Наибольшее применение, в связи с обеспечением наилучших аналитических характеристик, находят инструментальные методы элементного анализа, сравнительная характеристика которых приведена в табл. I.
При выборе инструментального метода анализа в качестве критериев сравнения используют приведенные в табл. I характеристики.
Однако, эти характеристики дают общее представление о возможности метода. На практике, при решении задач элементного анализа определенных типов проб, значения таких характеристик как пределы обнаружения, воспроизводишсть колеблются в широком диапазоне (графы 6-8 табл. І) в зависимости от физико-химических свойств основы, определяемого элемента, и в каждом конкретном случае требуется дополнительная оценка этих параметров. Кроме того,при выборе метода необходимым является также учитывать операции подготовки проб и стандартов для анализа, способы и точность количественной интерпретации результатов /86/.
Физические предпосылки безэталонного количественного масс-епектрометричёскрго анализа при лазерном возбуждении пробы
Лазерный масс-спектрометрическии метод обладает высокими аналитическими характеристиками, однако основным достоинством данного метода является то, что при выборе оптимального режима воздействия на анализируемую пробу достигается соответствие состава аналитических сигналов составу образца и определение концентрации элементов проводится без стандартных и эталонных образцов. Количественный анализ без использования эталонов возможен вследствие особенностей экстракции лазерным лучом анализируемой пробы и взаимодействия лазерного излучения с веществом с образованием лазерной плазмы.
Время сообщения энергии пробе и образование ионов при взаимодействии лазерного импульса с мишенью не превышает 10 с. Вследствие такого малого времени воздействия на исследуемый образец слабо проявляются вторичные процессы в плазме и приповерхностных слоях пробы, приводящие к отклонениям ионного состава пучка от элементного состава анализируемого вещества. Не обнаружено влияние третьих элементов, а также фазового состава, особенностей кристаллической структуры, степени дисперсности пробы и т.д. /226/. В результате, аналитический сигнал линейно.зависит от концентрации элементов и в оптимальном режиме КОЧ - коэффициент относительной чувствительности (отношение концентрации, найденной гласе-спектрометрически, к истинной
концентрации элемента /равен І. В режиме, когда наблюдается соответствие регистрируемых на детекторе компонентов ионного тока составу анализируемой пробы количественный анализ проводится без стандартных образцов. Оптимальный режим воздействия на пробы как и для других физических методов необходимо разрабатывать с учетом свойств пробы и ее основы и для разных матриц это воздействие будет различным. При воздействиии на образцы лазерным излучением в режиме, не соответствующему данному типу проб, происходят сегрегации элементов и как следствие КОТ отличен от I. Сегрегации могут происходить в процессе образования масс-спектра на этапах атомизации, ионизации, разлета плазмы и зависеть от факторов, оказывающих влияние на протекание отдельных этапов образования масс-спектра: условий воздействия на пробу, свойств исследуемых элементов, состава и физико-химических свойств матрицы /89/.
Для разработки метода количественного анализа на приборе ЭММ-2 необходимо рассмотреть устройство и принцип его работы, основные этапы образования масс-спектра в приборе и возможность сегрегации на этих этапах, а также влияния условий воздействия на исследуемую пробу, свойств анализируемых элементов, свойств матрицы. В результате рассмотрения найти оптимальные режимы для осуществления безэталонного анализа медико-биологических образцов и аэродисперсных систем.
Особенности детектирования ионных токов лазерной плазмы
Детектирование ионных токов возможно электрометрическим, либо фотографическим способом.
Для регистрации ускоренных ионов лазерной плазмы, обладающих большой энергией1, используются ионно-чувствительные пластины и фотопленка. Электрорегистрация, не смотря на возможность достижения предела обнаружения 10" % и 10 %, одновременное с анализом образца получение результатов измерения сигнала в удобной форме, легко поддающихся обработке на ЭВМ,не находит в настоящее время применения в маес-спектрометрии для количественного анализа многокомпонентных проб, так как современная аппаратура, обеспечивающая последовательную регистрацию отдельных линий масс-спектра, позволяет фиксировать единичные ионы и при последовательной регистрации спектра в диапазоне тсс, равного 40, потребует времени в 300 раз больше, чем фоторегистрация /49/.
Кроме того, так как в каждый момент времени с помощью коллектора измеряется только одна линия и данные о других примесных элементах не регистрируются, то измерение для всех элементов невозможно проводить в одинаковых условиях. Электрорегистрацию с последовательным принципом фиксации ионов целесообразно использовать при анализе серии образцов на содержание одной примеси, а также для выполнения вспомогательных операций, таких как юстировка масс-анализатора, калибровка фотопластин.
Одновременная электрическая регистрация многих аналитических линий возможна на базе принципиально новых электронных устройств /204/ - позиционно-чувствительных электронно-оптических детекторов. Однако в реализации таких систем много трудностей, поэтому в приборах пока ни одна из таких систем не работает.
Использование пластин и пленок с фотографической эмульсией в качестве детекторов ионов позволяет регистрировать одновременно весь массовый спектр исследуемого образца с высокой чувствительностью, в широком диапазоне концентраций 10 % 100 автоматически производить усреднение нестабильных ионных токов. Ограниченный динамический диапазон преодолевается при помощи набора нескольких экспозиций на одну пластину.
class3 ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО МСС-СПЕКТР0МЕТРИЧЕСК0Г0
МЕТОДА В ПРАКТИКЕ САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ class3
Анализ элементного состава сложных аэрозолей, выделяющихся в воздух рабочей зоны промышленных предприятий
Многие производственные процессы сопровождаются выделением в воздух рабочей зоны твердых частиц - аэрозолей, длительное воздействие которых на организм может приводить к развитию профессиональных заболеваний.
При гигиенической характеристике пыли и при исследовании причин и механизма развития профессиональных заболеваний наряду с дисперсностью, весовым количеством пыли в единице объема важное значение имеет вещественный состав /70, 14/.Степень вредности компонентов шлей различна и степень прогноза воздействия ее на организм при гигиенической оценке во многом будет зависеть от полноты данных по элементному составу /15/. Лазерный масс-спектрометрический метод позволяет проводить анализ проб аэрозоля, отобранного на органический фильтр, по всем сос-тавлявдим элементам, что обеспечивает полноту данных о составе аэродисперсных систем в воздухе рабочих зон и внешней среде. . Однако, при взаимодействии сфокусированного лазерного излучения с пробой аэрозоля, отобранного на фильтр, происходит испарение и ионизация как пробы аэрозоля, так и материала фильтра. В связи с этим ионный компонент плазмы, регистрируемый на выходе прибора, представлен элементами содержащимися как в материале фильтра, так и в пробе аэрозоля.
