Тема: АНАЛИТИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ СПЕКТРАЛЬНЫМИ МЕТОДАМИ

В настоящее время, несмотря на большие успехи в области синтеза новых биологически активных веществ, расширяется ассортимент и перспективы использования лекарственных средств растительного происхождения. Растения являются хорошими природными источниками жизненно необходимых химических элементов. Минеральный состав лекарственного растительного сырья позволяет определить его терапевтическую значимость, оценить район произрастания растительного сырья для дальнейшего использования в целях разработки новых лекарственных препаратов. Кроме того, растения являются индикаторами, которые указывают на степень загрязненности ареала их произрастания. Поэтому актуальной является задача определения содержания микроэлементов, тяжелых и токсичных элементов в растительных образцах.
Также в работе представлены исследования по определению элементного состава органов подопытных крыс, что является перспективным направлением в биологии, физиологии и ряде других дисциплин. Геном подопытных крыс часто сравнивают с геномом человека. По результатам мультиэлементного анализа можно судить не только о функциональных резервах организма, но и о его элементном статусе, который характеризует достоверное отражение биохимических процессов, происходящих в организме человека и животных. Разработка новых лекарственных препаратов не может обойтись без качественной и количественной оценки фармакологического действия на живой организм. Первичные исследования такого рода могут быть проведены только на лабораторных животных.
Следующим объектом исследования в работе были клещи. В последние годы среди ученых получило широкое развитие новое направление исследований - прогнозирование распространения природно - очаговых инфекций в современной эпидемиологической обстановке в мире. В настоящее время существует большое количество причин для расширения ареала иксодовых клещей: глобальное потепление климата, загрязнение окружающей среды тяжелыми и токсичными металлами (ТМ) (Cd, Zn, Cu, Pb, Ni, Mn Fe, Co и др.) и т.д. Все это приводит к ухудшению состояния экосистем в результате загрязнения атмосферного воздуха, воды и почвы. Учеными исследовано влияние загрязнения почвы токсичными металлами на биологию и морфологию клещей, и установлено снижение иммунитета кровососущих, и, как следствие, повышение восприимчивости клещей к патогенным агентам.
Для выбранных аналитических объектов на рынке аналитических услуг либо нет, либо имеется ограниченное количество методов и методик для элементного анализа. Наиболее близкая к нашим объектам методика «Определение элементного состава образцов растительного происхождения (трава, листья) атомно-эмиссионным и масс-спектральным методами анализа» (НСАМ № 512-МС Отраслевая методика III категории точности) [1] обладает рядом недостатков, в частности, на наш взгляд, не корректно представлены показатели качества измерений. По данной методике делается вывод о том, что главное, от чего зависят показатели качества измерений — это диапазон определяемых содержаний, при этом не учитывается природа самого определяемого элемента и возможности, связанные со спектральными и не спектральными помехами и интерференциями.
Работа выполнена на кафедре аналитической химии в лаборатории мониторинга окружающей среды (ЛМОС) и в испытательной лаборатории «Аналитический центр геохимии и природных систем» (ИЛ АЦГПС), аккредитованного испытательного центра «Томский региональный центр коллективного пользования» (ТРЦКП) (аттестат аккредитации RA.RU.21BO08 от 16.11.2017) Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет». Исследования проводились в рамках федеральной целевой программы (ФЦП РФ) Субсидия 14.594.21.0001 от 15 августа 2014 г. «Развитие Томского регионального центра коллективного пользования научным оборудованием для реализации перспективных междисциплинарных исследовательских проектов по направлению клеточная и регенеративная
медицина» (2014-2015 гг., руководитель О.В. Бабкина), конкурса
исследовательских проектов лабораторий в рамках программы «Научный фонд им. Д.И. Менделеева Томского государственного университета», «Биоценотические связи в структуре биоразнообразия естественной и урбанизированной среды» (2019 г., руководитель: Н.С. Москвитина) и Государственного задания Министерства науки и высшего образования РФ № 0721-2020-0041 «Геохимические параметры эволюции магматизма и рудогенезиса Центрально-Азиатского складчатого пояса» (2020-2024 гг., руководитель: П.А. Тишин).
Цель работы. Разработка аналитических подходов к элементному анализу биологических объектов растительного и животного происхождения с использованием методов ДАЭС с МАЭС, ИСП-МС и ПФ.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- провести метрологическое моделирование возможности получения достоверных результатов количественного химического анализа исследуемых объектов методами ДАЭС с МАЭС (спектрометр «Гранд») и ИСП-МС (Agilent 7500cx) низкого разрешения в широком диапазоне концентраций;
- определить факторы, оказывающие негативное влияние на получение достоверных результатов методами ДАЭС с МАЭС и ИСП-МС, и найти способы повышения точности анализа;
- с помощью физико-химических методов изучить элементный, молекулярный и фазовый состав зольных остатков исследуемых объектов;
- исследовать возможности учета и устранения матричных влияний при атомно-эмиссионном спектральном анализе исследуемых объектов;
- исследовать возможности учета и устранения неспектральных помех и спектральных интерференций для метода ИСП-МС низкого разрешения;
- разработать подходы, позволяющие проводить анализы исследуемых объектов с применением комбинации методов ИСП-МС и ДАЭС с МАЭС;
- разработать и провести предварительную аттестацию методик определения элементного состава исследуемых объектов для методов ИСП-МС и ДАЭС с МАЭС;
- провести практическую апробацию разработанных методик.
Научная новизна выполненной работы состоит в следующем:
1. Впервые предложена и обоснована метрологическая модель для оценки возможности применения спектральных методов (ДАЭС с МАЭС, ИСП-МС, ПФ) в элементном анализе биологических объектов и лекарственного растительного сырья.
2. Изучены закономерности матричных влияний при атомно-эмиссионном спектральном анализе лекарственного растительного сырья, зольных остатков клещей и подопытных животных на основе проведения их элементного, молекулярного и фазового состава.
3. Предложены эффективные способы устранения матричных влияний путем введения специально подобранных добавок - носителей, которые способны стабилизировать горение плазмы дугового разряда и регулировать процесс поступления компонентов пробы в зону разряда, тем самым значительно повышая точность и правильность проведения анализа.
4. Предложена комбинация спектральных методов, позволяющая проводить полный количественный химический анализ зольных остатков лекарственного растительного сырья, клещей и подопытных животных на разных концентрационных уровнях с улучшенными показателями качества измерений в сравнении с существующими методиками.
Практическая значимость работы. Разработаны и предварительно метрологически аттестованы методики анализа исследуемых объектов методами ДАЭС с МАЭС, ИСП-МС и ПФ. Разработанные методики прошли апробацию в Сибирском государственном медицинском университете (СибГМУ), Биологическом институте Томского государственного университета и Клинике НИИ фармакологии и регенеративной медицины имени Е.Д.Гольдберга. Результаты, полученные на основе разработанных методик использованы для разработки лекарственных препаратов ноотропного, противоопухолевого и ритмомодулирующего действия из лекарственного сырья флоры Сибири.
Достоверность научных положений обусловлена представительным объемом проведенных экспериментов, проведенных на метрологически обеспеченном оборудовании в аккредитованных лабораториях с использованием современных физико-химических методов исследований, метрологической обработкой результатов и сличительными испытаниями.
Защищаемые положения:
1. Метрологические подходы выбора аналитических методов для
определения примесей и микропримесей в исследуемых объектах.
2. Научно обоснованный метод оценки и устранения источников погрешности при оптимизации пробоподготовки и условий проведения атомноэмиссионного спектрального анализа.
3. Методики атомно-эмиссионного спектрального анализа и метода ИСП- МС для определения примесей и микропримесей в исследуемых объектах.
4. Результаты экспериментальных исследований качественного и количественного химического состава лекарственного растительного сырья, органов подопытных животных и клещей.
Личный вклад автора. Автором самостоятельно выполнен анализ литературных данных по теме диссертации, проведены экспериментальные исследования по определению элементного состава анализируемых образцов, разработке аналитических подходов к выявлению и способам учета матричных влияний; проведена предварительная метрологическая аттестация разработанных методик и их апробация.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлены на международных, всероссийских форумах, симпозиумах и конференциях: Х1У международный симпозиум «Применение анализаторов МАЭС в промышленности» (Новосибирск, 2014, 2018), Международная научная конференция «Полифункциональные химические материалы и технологии» (Томск, 2015), XXI международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» (Томск, 2015), Х Всероссийская научная конференция с международным участием «Аналитика Сибири и дальнего востока» (Барнаул, 2016), XX Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и образование» (Томск, 2016), AIP Conference Proceedings XIII International Conference of Students and Young Scientists «Prospects of Fundamental Sciences Development» (Tomsk, 2016, 2018), XIV Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2017, 2018), XVIII Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых имени профессора Л.П.Кулёва «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2017), Сборник научных трудов пятой научно-практической конференции «Молодые учёные и фармация XXI века» (Москва, 2017).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 21 научных работах, из них 3 статьи в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий (из них 2 статьи в российских научных журналах, входящих в Scopus); 2 статьи в сборниках материалов конференций, представленных в изданиях, входящих в Web of Science и/или Scopus; 6 статей в прочих научных журналах; 10 публикаций в сборниках материалов международных и всероссийских с международным участием научных и научно-практических конференциях и симпозиумах.
Структура и объём диссертации. Результаты диссертационной работы изложены на 109 страницах машинописного текста, включающих в себя введение, 5 глав, список цитируемой литературы, состоящий из 108 источников. Работа содержит 29 рисунков, 31 таблицу.
Купить

Из проделанной работы следуют выводы:
1. Проведено метрологическое моделирование, заключающееся в предварительном назначении показателей качества измерений, ниже которых предполагаемые методы и методики не приемлемы для анализа выбранных объектов. Метрологическое моделирование позволило наметить пути усовершенствования применяемых методов в части улучшения метрологических характеристик и целесообразность использования комбинаций методов ДАЭС с МАЭС и ИСП-МС для решения конкретных поставленных задач в области медицины, экологии и биологии.
2. На основании проведенных физико-химических исследований установлены и подробно изучены матричные влияния при определении примесей и микропримесей изучаемых объектов методом атомной спектроскопии. Показано, что учет матричных влияний целесообразно проводить при концентрации примесей ниже (1 ± 0,1) мкг/г, при разбавлении пробы 1:10.
3. Разработаны и предварительно аттестованы методики атомноэмиссионного спектрального анализа и метода ИСП-МС для определения примесей и микропримесей в исследуемых объектах.
4. Получены результаты экспериментальных исследований качественного и количественного химического состава лекарственного растительного сырья, органов подопытных животных и клещей. Результаты могут быть использованы при разработке новых лекарственных препаратов, изучении распределения элементов в органах живого организма, оценки экологической ситуации района, степени восприимчивости клещей к патогенным агентам.

Купить