Элементы, определяемые с помощью РФА в биологических материалах

 
Растительные материалы
РФА используется для определения содержаний большого числа элементов в растительных образцах. Определяются содержания как основных, так и следовых элементов. При подготовке проб используют либо непосредственно высушенный материал (тща тельное измельчение с последующим прессованием таблеток), либо предварительное озоление. Реже применяется предварительное химическое обогащение.
Решаемые с использованием полученных аналитических данных задачи довольно разнообразны:
- анализируют листья капусты, берёзы, дуба, персика и других фруктовых деревьев, сосновые иглы, листья и корни овощных культур, травы, корма для животных, солому, сено, силос, кукурузу, репу, топинамбур, хлебные злаки, орехи, измельчённые семена рапса, перец, табак, водные растения, вереск, тропические растения, лишайники;
- определяют содержания ряда элементов в зерновых материалах на различных стадиях роста;
- определяют следовые количества 12 химических элементов в отдельных годовых кольцах 32-летней сосны, выросшей вблизи ТЭС, работающей на каменном угле;
- фитопланктон, водоросли и другие водные растения;
- для установления баланса эмиссии газа и частиц для трав из саванны при сжигании (основной источник атмосферных загрязнений для ряда стран) анализируют сжигаемые растения и золу после их сжигания;
- оценивают корреляцию между содержаниями Fe и Zn в различных частях кукурузы и количеством органического субстрата EKOFERT, вносимого в почву в качестве органического удобрения. При этом найдено, что увеличение количества органического субстрата в почве приводит к уменьшению содержания тяжёлых металлов в некоторых частях растений;
- оценивают содержание разновалентных форм серы в листьях растений, поражённых вирусом табачной мозаики;
- изучают возможности использования лишайников в качестве биоиндикаторов загрязнения атмосферного воздуха. Лишайники экспонировали в течение 3-10 месяцев в городских и промышленных регионах на северо-западе Италии;
- решают проблема определения содержаний азота в растениях.

Почки и печень
При лечении Pt-содержащими препаратами определение Pt выполняли непосредственно на пациентах с использованием 57Co (США, граница обнаружения 10 ppm). Небольшой образец ткани (по объему <1 мл) отрезали в замороженном виде с помощью микротома. Тонкие срезы нарезают при температуре - 20 oC, толщина их ?15 мкм, диаметр < 10 мм. Образец помещается на кварцевую подложку, негидрофобную в отличие от применяемых при анализе растворов. С помощью пипетки добавляется 5 мкл раствора с внутренним стандартом. После высушивания в течение 10 мин выполняется измерение при экспозиции 100 с. Аналогично анализируются ткани почек и печени. В одной из работ с использованием частично поляризованного излучения испытана возможность определения Cd, I, Pt, Au, Hg и Pb в органах пациентов. Авторы утверждают, что полученная граница обнаружения в этом варианте для почки на глубине 50 мм оказалась равной 10 ррм для Cd. Измеренные в печени людей концентрации достигали 400 ppm, однако, средние содержания были в основном вблизи границы обнаружения. При определении Cd поглощённые дозы облучённой части кожи и почки составляли 10 и 2 миллигрэя соответственно. Ряд элементов (Cu, Zn, Fe, Br, Rb и Sr) может быть определён непосредственно в порошке высушенных рыб. Исследованы следующие виды рыб: плотва, хариус, окунь, ленок. Содержания Fe, Zn, Br, Rb и Sr, например, для плотвы составили (%): 0.08, 0.034, 0.0032, 0.0014, 0.015 соответственно. Отмечены существенные колебания содержаний Br, Rb, Sr в зависимости от вида рыб.

Кровь
В крови обычно содержится от 10-2 мкг/мл (Pb, Cd, Se), до ? 500-900 мкг/мл (Fe). Простота, малый объём требуемого материала, высокая пропускная способность и возможность автоматизации измерений делают РФА пригодным для проведения массовых анализов крови и сыворотки. При приготовлении излучателей обычно используется либо нанесение пробы на майлар и высушивание (применяется способ внутреннего стандарта) или сушка, замораживание и прессование таблеток.

Кости
Исследованы человеческие зубы и кости. Во всех зубных образцах отмечены Ca, P, Cl, Fe, Zn, Sr и К. В образцах костей также регистрировался Ni. В некоторых пробах случайно представлены Sn, Pb, Mn, Ag, Cu, Cr, Co, Sb, Br, Pd и Zr.

Исследовано изменение содержания Fe в ископаемых костях третичного периода. Полученные результаты показали, что Fe привносилось в ходе диагенезиса (палеоцен - ср. СFe = 0.92 %, олигоцен - 0.25 %, миоцен - 0.1 % и плиоцен - 0.11 %). На его содержание влияли многие факторы, но статистически значимая положительная корреляция отмечена между содержанием Fe и температурой.
В одной из работ предпринята успешная попытка определения содержаний редкоземельных элементов и Ba в образцах костей динозавра с помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра с полупроводниковым детектором.

При исследовании распределения следовых элементов в костях носовой полости и в области уха зафиксированы различия как в пределах одной кости, так и между костями из разных зон одного индивидуума. Выявлены следующие факторы, влияющие на уровень содержаний следовых элементов: метаболизм, окружающая среда, пол и возраст. В то время как определение содержания Pb в костях с использованием возбуждения изотопом 109Cd применяется достаточно давно, применение для возбуждения флуоресценции рентгеновской трубки сравнительно ново.

В качестве примеров последних достижений можно указать попытки измерения концентраций ряда элементов (токсичных металлов) в отдельных органах живых организмах. На Денверской конференции по применению рентгеновского излучения в 1994 г. одно рабочее совещание было полностью посвящено применению РФА на живых организмах в естественных условиях. В частности, отмечается неравномерное распределение отдельных элементов в пределах нескольких сантиметров в костях, например, Pb (вариация до 20 %). Полученные данные представляют большой интерес для медицины.

Нами разработана методика рентгено-флуоресцентного определения содержаний ряда элементов в головках бедренных костей и оссификатов больных коксартрозом. При операциях тотального эндопротезирования тазобедренного сустава имеется возможность прижизненного получения образцов костной ткани. Образцы костной ткани высушивали в сушильном шкафу до постоянного веса и помещали в стеклоуглеродные тигли. Озоление проводили при температуре 450-470oC в течение двух часов. По разнице массы образца до и после озоления оценивали содержания минеральных веществ (%). Порошок золы помещали в Al-кювету с дном из тонкой кальки при измерениях в коротковолновой области спектра (спектрометр VRA-30). В качестве излучателей в случае измерения интенсивностей K?-линий Mg, Al, Si, P, S, K, Ca, Ti, Mn и Fe использовали таблетки из прессованного порошка на подложке из борной кислоты (спектрометр СРМ-25).

Полученные результаты показали, что в головках бедренных костей и оссификатах повышено по сравнению с контрольными образцами содержание Sr, Nb и Pb и понижено Zn, Zr и Rb. Возможно, что тяжёлые металлы, встраиваясь в кристаллическую решетку гидроксиапатита головки бедренной кости, не обеспечивают должной прочности костной ткани (что подтверждается клиническими данными). Снижение содержания Zn в головках бедренной кости больных коксартрозом согласуется с известным фактом снижения активности окислительно-восстановительных реакций в поврежденной патологическим процессом кости, поскольку Zn входит в активный центр некоторых ключевых ферментов, катализирующих эти процессы. Физиологическое значение Zr и Nb неизвестно, поэтому объяснение полученных результатов представляется затруднительным. Выявлена тенденция некоторого повышения концентрации Ca в костной ткани больных коксартрозом по сравнению с образцами из контрольной группы. Одна из возможных интерпретаций этого результата: часть Ca, определяемого в образцах больных коксартрозом, возможно, не входит в структуру гидроксиапатита, а представляет собой соли, которые из-за нарушения кровообращения не могли быть утилизированы организмом.

Кроме того, как в головках бедренных костей, так и в оссификатах выявлено снижение содержания Fe, К, S и повышение Si, что возможно объяснить нарушением кровообращения бедренного сустава (по данным литературы содержание Fe и К в кости зависит от ее кровенаполнения). Низкое содержание S возможно связано с нарушением обмена соединительной ткани поражённого сустава.

Волосы
В отдельных публикациях авторы рассматривают проблемы приготовления излучателей, в качестве которых используются непосредственно волосы, измельчённые волосы, а также материал после химической обработки. Выявлена зависимость содержания отдельных элементов от пола, цвета волос, расы и длины волос. Из-за этого отмечаются трудности в интерпретации результатов анализа, например, при сравнении экземпляров для здоровых и больных индивидов.

Таким образом, проведённое рассмотрение показывает возможности использования РФА для решения задач аналитического контроля биологических материалов.