Введение к работе
Актуальность работы.
Длительное накопление большого числа ценных, но недостаточно обобщенных фактов привело к тому, что учение об особенностях микроэлементного обмена в живом организме потребовало осознания в качестве особого раздела патологии, в основе которого лежит новый класс заболеваний человека с установленной микроэлементной этиологией, однако с не всегда ясным и недостаточно изученным пато- и морфогенезом. Патология человека и животных, обусловленная дефицитом жизненно необходимых (или «эссенциальных») элементов, избытком как эссенциальных, так и токсичных микроэлементов, а также дисбалансом макро- и микроэлементов, получило свое объединяющее название — микроэлементозы (Авцын А.П., М.,1989).
Изучению биологической роли микроэлементов (МЭ) в процессе жизнедеятельности человека и животных посвящено большое количество исследований. Они касаются как регулирования физиологических процессов и поддержания гомеостаза, так и роли МЭ в возникновении и развитии тех или иных заболеваний. Медики уже давно отмечали, что многие болезни связаны с недостаточностью поступления и содержания в организме определенных МЭ. Так, например, была обнаружена связь между железодефицитным состоянием организма и возникновением анемии. Еще в конце прошлого века была доказана роль дефицита йода в патогенезе эндемического зоба. С тех пор объем информации о роли дефицита и избытка определенных микроэлементов в формировании болезни лавинообразно возрастает.
Другим аспектом влияния МЭ на организм человека является применение различных имплантируемых материалов и изделий медицинского назначения, которые при длительном контакте с органами способны оказывать вредное воздействие на человека. Так как область
применения имплантатов в медицине чрезвычайно широка (стоматология, ортопедия, сердечно-сосудистая, торакальная и пластическая хирургия, офтальмология), создание огромной гаммы имплантатов из новых материалов с более совершенными свойствами (силикон, тефлон, поликарбонаты, композиционные материалы, титан, специальные сорта нержавеющей стали, различные сплавы на никелевой и кобальтовой основе) повышают вероятность попадания МЭ в организм.
Санитарно-химические и токсикологические показатели испытаний, проводимые до постановки на производство различных материалов и изделий медицинского назначения позволяют сделать количественное исследование миграций различных МЭ в органы и кровь.
Используемые в медицине и биологии различные методы микроэлементного анализа биологических проб: атомно-абсорбционный, эмиссионный, спектрофотометрический, а также масс-спектрометрический метод с ионизацией в индуктивно связанной плазме (ИСП), связаны с проведением трудоемких подготовительных операций — разрушением органической структуры биологической пробы путем мокрого или сухого озоления. Из-за возможных потерь и «загрязнений» в ходе подготовки проб не представляется возможным получить полные данные о составе исследуемого материала.
Количественная же интерпретация результатов возможна только при наличии стандартных образцов, что в случае исследования многокомпонентных биологических проб представляет серьезные трудности из-за отсутствия эталонов.
Указанные методы позволяют проводить только поэлементный анализ, и для получения данных по всем элементам с требуемой чувствительностью необходимо сочетать несколько типов приборов. Среди существующих инструментальных методов элементного анализа только эмиссионный спектральный и масс-спектральный позволяют определить
широкий круг элементов одновременно. Высокочувствительный современный метод ИСП масс-спектрометрии позволяет получить количественные данные по всему составу образца (кроме оргеногенов), но только при вводе эталонов для каждого исследуемого элемента.
Метод лазерной масс-спектрометрии (ЛМС) обладает высокими аналитическими характеристиками и абсолютной чувствительностью 10'12 г. Он позволяет одновременно анализировать пробу по всем элементам периодической таблицы Менделеева Д.И., а использование лазера как источника ионизации не требует специальной подготовки образцов.
Было показано, что безэталонный микроанализ для металлов, геологических проб, полупроводников возможен при определенной плотности потока лазерного излучения более 2-Ю9 Вт/см2. При этом свойства элементов не влияют на количественные результаты.
Исследуя зависимость состава масс-спектра и коэффициента относительной чувствительности (КОЧ) от свойств определяемых элементов, можно сделать вывод, что условия воздействия на пробы необходимо подбирать в зависимости от свойств матрицы исследуемой пробы, так как величина сегрегации (отклонения состава ионного луча от состава анализируемой пробы) зависит от условий воздействия лазерного излучения для однотипных матриц. Следовательно, условия воздействия на пробы для безэталонного микроанализа необходимо подбирать конкретно для каждой матрицы. Матрица МБП состоит в основном из органической основы, и поэтому условия воздействия на нее должны существенно отличаться от условий воздействия на пробы с неорганической основой. Поэтому проведение безэталонного микроанализа МБП, т.е. условия, при котором состав ионного пучка адекватен составу анализируемой пробы по всем элементам (КОЧ=1), требует исследования процессов плазмообразования МБП, которое включает в себя физические процессы (атомизацию, ионизацию и рекомбинацию), при различных плотностях
потока лазерного излучения и длинах волн. Это позволит решить важную задачу количественного микроэлементного анализа МБП без использования эталонов и специальной пробоподготовки, связанной с разрушением органической структуры.
Цель работы. Разработка теоретических основ безэталонного
лазерного масс-спектрального метода микроэлементного анализа медико-
биологических проб и внедрение этого метода в медицинскую практику для
решения санитарно-гигиенических, токсикологических и
микроэлементозных задач
Задачи диссертационной работы:
1. Провести сравнительный анализ современных методов
исследования элементного состава медико-биологических проб (МБП) и
обосновать целесообразность лазерного масс-спектрального метода,
обеспечивающего достижение поставленной в работе цели.
-
Провести анализ основ безэталонного масс-спектрального анализа МБП при лазерной ионизации.
-
Определить режимы ионизации лазерным излучением МБП для проведения безэталонного микроанализа.
4. Разработать методику расчета концентраций элементов,
составляющих МБП, в широком диапазоне масс и концентраций.
-
Разработать методику безэталонного элементного анализа МБП с помощью лазерного масс-спектрометра.
-
Апробировать методику безэталонного элементного анализа МБП с помощью лазерного масс-спектрометра для решения медицинских задач:
санитарно-гигиенических — вопросы этиологии и патогенеза
пневмокониоза на примере экспериментального антракоза,
перераспределения микроэлементов внутренних органов при действии
пылей различного происхождения; длительности нарушения водно-солевого обмена внутренних органов экспериментальных животных при действии на организм бесхлорных калийных удобрений;
токсикологических — вопросы идентификации различных соединений в тканях и в средах организма экспериментальных животных при оценке токсичности новых материалов и изделий медицинского назначения;
микроэлементоза - вопросы изменения элементного состава лимфы, крови, органов при перитоните и онкологических заболеваниях.
Основные научные результаты работы, выносимые на защиту
-
Результаты экспериментального исследования влияния процессов лазерной ионизации МБП на безэталонный масс-спектральный микроанализ при плотностях потока лазерного излучения в диапазоне 1x108 - 7x109 Вт/см2 с длинами волн излучения X ,-1064 нм и удвоенной Х2- 532 нм.
-
Физическая модель и полученное эмпирическим путем уравнение процесса ионизации МБП лазерным излучением, отражающее вклад сегрегации на этапах атомизации, ионизации и рекомбинации.
-
Безэталонная методика количественного расчета концентраций элементов, составляющих МБП, в широком диапазоне концентраций (от 10"7 до 100 масс %) и масс (от водорода до урана).
-
Оптическая и лазерная системы для возможного использования лазера в масс-спектрометрах в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра.
5. Автоматизированная система количественного анализа масс-
спектрограмм, улучшающая воспроизводимость и точность анализа.
6. Исследования микроэлементного состава МБП методом лазерной
масс-спектрометрии для решения медицинских задач: санитарно-
гигиенических, токсикологических и микроэлементозных.
Научная новизна
1. Исследован процесс ионизации МБП с помощью лазера,
работающего на основной X] = 1064 нм и удвоенной частоте X 2 — 532 нм с
плотностью потока от 1х108 до 7x109 Вт/см2 для проведения безэталонного
микроэлементного анализа .
2. Разработаны оптическая и лазерная системы для возможного
использования лазера с различными длинами волн и плотностью потока.
-
Систематизированы методы количественного анализа при фотодетектировании масс-спектров и разработана методика проведения безэталонного количественного микроэлементного анализа МБП в широком диапазоне концентраций 10"7 % - 100% и масс от водорода до урана одновременно.
-
Разработана автоматизированная система обработки масс-спектрограмм, включающая в себя систему сканирования, интерфейс и компьютер.
5. Апробирована методика безэталонного микроэлементного анализа
МБП:
проведена дифференциальная оценка микроэлементного состава легочной ткани при экспериментальном антракозе;
изучено перераспределение микроэлементов органической и минеральной структуры внутренних органов при действии пыли различного происхождения;
установлены характер и длительность нарушения водно-солевого обмена во внутренних органах экспериментальных животных при действии на организм бесхлорных калийных удобрений.
6. Разработана методика МЭ анализа при токсикологических
испытаниях изделий медицинского назначения и имплантатов, позволяющая
изучать миграцию микроэлементов из имплантатов в ткани и внутренние
органы экспериментальных животных или модельные растворы, и
проведена оценка токсичности материалов, объясняющая причину токсического действия исследуемого материала на организм.
7. Исследован по микроэлементный состав лимфы и крови у животных
с моделированным перитонитом. Установлено, что у здоровых животных
элементный состав крови идентичен элементному составу лимфы, а при
перитоните — в крови происходит резкое снижение концентрации
алюминия, тогда как в лимфе концентрация многих элементов начинает
увеличиваться.
8. Проведен микроэлементный анализ методом лазерной масс-
спектрометрии онкологических проб (легкое, прямая кишка, желудок,
тератома), где показано, что образование опухолевой ткани ведет к
изменению ее микроэлементного состава.
Практическая значимость работы.
Решена важная социальная задача по разработке и применению в медицинской практике (санитария и гигиена, токсикология, микроэлементоз) безэталонного метода микроэлементного анализа МБП с помощью лазерного масс-спектрометра без предварительной подготовки проб одновременно по всем элементам таблицы Менделеева Д.И.
По полученным результатам разработаны «Методические рекомендации по применению энергомасс-анализатора лазерного» утвержденные Минздравом СССР № 3873-85 и внедрены в медицинскую практику для специалистов, проводящих исследования элементного состава МБП в Госсанэпидемстанциях России и МНИИ гигиены им Ф.Ф. Эрисмана Минздрава России.
Разработанная методика позволяет исследовать миграцию микроэлементов из имплантатов в ткани и внутренние органы экспериментальных животных с чувствительностью и точностью, достаточной для оценки их потенциального действия на организм, а также проводить коррекцию уровня различных элементов при микроэлементозах.
Результаты работы использованы при подготовке стандарта ГОСТ Р ИСО 10993.9-99 «Основные принципы идентификации и количественного определения потенциальных продуктов деградации. Приложение В. «Некоторые методы определения концентрации металлов и других элементов в медико-биологических пробах»
Апробация работы.
О результатах работы было доложено на 3-ей Всесоюзной конференции «Проблемы создания аппаратуры для медицинских и лабораторных исследований», Ленинград, 1986 г.; 2-ом Съезде стоматологов Узбекистана, г. Ташкент, 1986 г.; симпозиуме с международным участием «Проблемы развития работ по лабораторной диагностической технике», г. Смоленск, 1988 г.; научно-практической конференции, «Актуальные проблемы практической медицины», Москва, 1990 г.; республиканской научно-практической конференция «Критерии выбора и перспективы применения био- и синтетических трансплантатов (имплантатов) в челюстно-лицевой хирургии», г. Нальчик, 2000 г.; научно-практической конференции «Патофизиология и современная медицина», Москва, 2000 г.
