Хімія аналітична. Хімічні та електрохімічні методи дослідження в медицині Хімічний аналіз у медицині

Хімічний практикум Мета: дослідження хімічної природи аналізованого зразка Мета: дослідження хімічної природи аналізованого зразка Якісний аналіз Кількісний аналіз Сукупність експериментальних методик, що дозволяють визначити в зразку, що аналізується, кількісний зміст окремих складових частин, виражене у вигляді меж довірчого інтервалу або числа із зазначенням погріш що дозволяють визначити в зразку, що аналізується, кількісний зміст окремих складових частин, виражене у вигляді меж довірчого інтервалу або числа із зазначенням похибки

Підготовка зразка Причини: зразок є сумішшю речовин, що не піддається спільному визначенню зразок є сумішшю речовин, що не піддається спільному визначенню вміст аналізованої речовини нижче межі чутливості методу вміст аналізованої речовини нижче межі чутливості методу Необхідні дії: Поділ Концентрування

Підготовка зразка Способи підготовки: Осадження Виділення з розчину твердої фази малорозчинного осаду Виділення з розчину твердої фази малорозчинного осаду Екстракція Вилучення речовини з водної фази органічним розчинником, що не змішується з нею, Витяг речовини з водної фази, що не змішується з ней Концентрування речовини на межі розділу фаз Електроміграція Поділ іонів у розчині, заснований на різній рухливості іонів Розділення іонів у розчині, заснований на різній рухливості іонів

Обробка отриманих даних Використання готових формул Висновок формули з основних законів Метод калібрувального графіка Застосування формул вимагає повного дотримання умов експерименту, для яких вони розроблені! Застосування формул вимагає повного дотримання умов експерименту, котрим вони розроблені!

Обробка отриманих даних Метод калібрувального графіка 1. Приготувати декілька (3-5) зразків із заздалегідь відомим вмістом шуканої речовини. Межі діапазону приготовлених концентрацій повинні свідомо включати очікувані значення 2. Провести аналіз стандартних зразків обраним методом. 3. Нанести результати аналізу на графік, що відображає залежність величини аналітичного сигналу від концентрації речовини, що аналізується (занести в пам'ять комп'ютера). 4. Провести аналіз невідомого зразка, повністю дотримуючись умов експерименту. 5. Графічно або за допомогою комп'ютерної обробки результатів визначити концентрацію речовини у зразку.

Обробка отриманих даних Метод калібрувального графіка С(m) Х o o o o Сх Сх Необхідно бути впевненим у тому, що залежність між концентрацією та величиною аналітичного сигналу носить прямолінійний характер.

Оформлення результатів Подання результату Сукупність експериментальних методик, що дозволяють визначити в аналізованому зразку кількісний зміст окремих складових частин, виражене у вигляді меж довірчого інтервалу або числа із зазначенням похибки. інтервалу або числа із зазначенням похибки Приклади правильного подання результату: m к-ти на 100 мл розчину = 350 мг m к-ти на 100 мл розчину = мг 20 мг похибка довірчий інтервал

Безпосередній аналіз Основні характеристики методів аналізу: Чутливість Та концентрація речовини, яка може бути визначена на серійній апаратурі зі стандартною для даного методу похибкою Та концентрація речовини, яка може бути визначена на серійній апаратурі зі стандартною для даного методу похибкою Межа виявлення Межа виявлення Мінімальна концентрація речовини яка може бути якісно виявлена ​​даним методом Мінімальна концентрація речовини, яка може бути якісно виявлена ​​даним методом Повторюваність результатів кількох експериментів, виконаних в одних і тих же умовах одного і того ж зразка Правильність Відсоток помилок визначення даним методом та його систематична похибка Процент помилок визначення даним методом та його систематична похибка

КЛАСИФІКАЦІЯ МЕТОДІВ ХІМІЧНОГО АНАЛІЗУ Хімічні Фізико-хімічні Фізичні Гібридні Припускають використання хімічних реакцій і візуальне визначення результату Засновані на вимірі за допомогою приладів фізичних властивостей речовини, що залежать від його кількісного складу з'єднані способи поділу та визначення, або два або більше способи визначення

Класифікація методів хімічного аналізу Засновані на поступовому додаванні до обмірюваного обсягу аналізованої речовини розчину реагенту відомої концентрації з одночасним спостереженням за змінами в розчині.

ГРАВІМЕТРІЯ Метод осадження Речовину осаджують як малорозчинну сполуку, фільтрують, сушать і зважують. Приклад Визначення іонів Ag + за допомогою іодидів Метод відгону Речовину випаровують, уловлюють іншим реагентом і за зміною маси реагенту судять про кількість речовини. Приклад При визначенні вологості об'єкт нагрівають, поглинають пару відомою кількістю безводного СаСl 2 і зважують його. Електролітичні методи Осадження речовини, що визначається на поверхні електрода Осадження речовини, що визначається на поверхні електрода Приклад Виділення іонів міді з кислого розчину у вигляді металу на поверхні мідного електрода.

Реакція нейтралізації Приклад: Точка еквівалентності – момент, коли речовини відреагують в еквівалентних кількостях. Обсяг титранта, витрачений для досягнення точки еквівалентності, називають еквівалентним обсягом Досягнення точки еквівалентності фіксують за допомогою індикатора

Загальні закономірності Еквівалентна та нейтральна точки не завжди збігаються. Еквівалентна точка та зона стрибка титрування можуть лежати як у лужній, так і в кислотній ділянці. Для виявлення еквівалентної точки придатний лише індикатор, чий діапазон зміни забарвлення знаходиться в зоні стрибка титрування.

Основні поняття об'ємного аналізу 1. ЕКВІВАЛЕНТ HnXHnXB(OH) m Me n m+ X m n- АЛЕ! Якщо в-во бере участь в окислювально-відновній реакції реальна або умовна частка, яка може приєднувати або вивільняти в реакції нейтралізації один іон водню

Основні поняття об'ємного аналізу Показує, яка частка реальної частки речовини еквівалентна одному іону водню (одного електрону) у цій конкретній реакції. HnXHnX B(OH) m Z = n Z = m Звертається до еквівалентного числа z речовини. Фактор еквівалентності – f eq H 2 SO 4 + 2NaOH Na 2 SO 4 + 2H 2 O f eq (H 2 SO 4) = ½ H 2 SO 4 + NaOH NaHSO 4 + H 2 O Приклад: f eq (H 2 SO 4 ) = 1 Але:

2. ЕКВІВАЛЕНТНА МАСА Молярна маса еквівалента (M 1/z) – маса одного моля еквівалента речовини (г), г/моль Основні поняття об'ємного аналізу H 2 SO 4 + 2NaOH Na 2 SO 4 + 2H 2 O f eq (H 2 SO 4) = ½ Приклад: H 2 SO 4 + NaOH NaHSO 4 + H 2 O f eq (H 2 SO 4) = 1 Але: M 1/z (H 2 SO 4) = M f eq = 98 ½ = 49 г /моль M 1/z (H 2 SO 4) = M f eq = 98 1 = 98 г/моль

НОРМАЛЬНА КОНЦЕНТРАЦІЯ (нормальність, молярна концентрація еквівалента) Показує кількість моль еквівалентів речовини в одному літрі розчину N = С м, якщо M 1/z = М Оскільки M 1/z М, то N С м Основні поняття об'ємного аналізу Позначення: С н, N, З 1/z 4. ТИТР Т р-ну = N розчину. M 1/z Розмірність: г/л, мг/мл. Показує, скільки міліграмів речовини міститься в одному мілілітрі розчину

При титруванні в точці еквівалентності кількість еквівалентів однієї речовини дорівнює кількості еквівалентів іншої: 1/z (A) = 1/z (B) або C 1/z (A) V(A) = C 1/z (B) V(B ) Або, як писали раніше: N 1. V 1 = N 2. V 2 ЗАКОН ЕКВІВАЛЕНТІВ m в-ва = N р-ну. M 1/z. V р-ра Розрахунок маси речовини в розчині: Звідси:

ТИТРИМЕТРІЯ Пряме титрування Безпосереднє додавання стандартного реагенту до аналізованого розчину Безпосереднє додавання стандартного реагенту до аналізованого розчину Приклад NaOH(ан.р-р) + HCl (стандарт) = NaCl + H 2 O Індикатор - фенолфталеїн Непряме титрування Косвенне титрування Косвенне титрування Косвен - Вує з титрантом, але його можна зв'язати кількісно з іншою речовиною, що взаємодіє з титрантом. Приклад Визначення іонів Са 2+ Ca 2+ + KMnO 4 = не взаємодіють, але Са 2+ + (COOH) 2 = CaC 2 O 4 (осад), далі CaC 2 O 4 + H 2 SO 4 + KMno 4 = CaSO 4 + CO 2 + MnO Реакція, що лежить в основі методу, має бути... - вибірковою- кількісною- швидкою

ТИТРИМЕТРІЯ Зворотне титрування Титрування непрореагованої речовини, яке додано в надлишку до аналізованого розчину у вигляді стандартного розчину Титрування непрореагувала речовини, яке додано в надлишку до аналізованого розчину у вигляді стандартного розчину Замісне титрування Замісне розчину додають допоміжний реагент, що утворює з певною речовиною еквівалентну кількість речовини-заступника. Приклад Визначення KMnO 4 KMnO 4 + KI + H 2 SO 4 = I 2 (еквівалентна кількість) +... I 2 + Na 2 S 2 O 3 = NaI + Na 2 S 4 O 6 (Індикатор - крохмаль) Приклад Визначення змісту KBr KBr + AgNO 3 (поз.) = KNO 3 + AgBrг + AgNO 3 (зуп.) AgNO 3 (зуп.) + NH 4 CNS = NH 4 NO 3 + AgCNSг Індикатор - Fe 3+ (Fe CNS - = Fe(CNS) 3 (червоний))

Фізичні методи аналізу Електрохімічні Засновані на процесах, що протікають у розчині під дією струму Засновані на процесах, що протікають у розчині під дією струму Потенціометрія (іонометрія) Вольтаметрія Кулонометрія Кондуктометрія Визначення концентрації іонів іоноселективними електродами Вимірювання електродних потенціалів, що залежать від концентрації ході електродних реакцій. Вимірювання концентрації електроліту в розчині з його електропровідності.

ФІЗИЧНІ МЕТОДИ Спектральні методи Засновані на взаємодії речовини з електромагнітним випромінюванням. Засновані на взаємодії речовини з електромагнітним випромінюванням., м E = h = hC/ Мікрохвилі Радіохвилі УФ промені Ренгенівське та -випромінювання ІЧ випромінювання Переорієнтація спина електрона деяких атомів (1 Н, 13 С,…) Коливання атомів Перехід електронів кратних зв'язків на збуджені рівні ЯМР спектроскопія ІЧ спектроскопія УФ спектроскопія

Спектроскопія ЯМР Завдання, що вирішуються: - встановлення структури невідомих речовин - підтвердження чистоти та індивідуальності сполуки відомої структури Об'єкти аналізу: Рідкі органічні речовини, розчини органічних речовин ІЧ спектроскопія Об'єкти аналізу: Тверді, рідкі, газоподібні речовини будь-якої природи УФ спектроскопія Об'єкти аналізу: газоподібні речовини, що мають у структурі кратні зв'язки. Спектральні методи Межа виявлення г

Можливості сучасних методів хімічного аналізу в медицині Можливості сучасних методів хімічного аналізу в медицині Високоефективна газорідинна хроматографія Метаболічний профіль органічних компонентів сечі здорової людини Метаболічний профіль органічних компонентів сечі здорової людини I t

Можливості сучасних методів хімічного аналізу в медицині Можливості сучасних методів хімічного аналізу в медицині I t ,2,3-триметилбензол 3 - 1,2,4-триметилбензол 5 - м,п-диметилтолуол 8 - п-ксилол 9 - м-ксилол 11 - етилбензол 12 - нонан 13 - толуол 14 - н-октан 15 - н-гептан метилгексан метилгексан 18 - н-гексан метилпентан 20 - н-пентан Аналіз проби повітря (проба взята на Виборзькій набережній)

Існує безліч видів аналізу. Їх можна класифікувати за різними ознаками.

- за характером одержуваної інформації. Розрізняють якісний аналіз(у цьому випадку з'ясовують, з чого складається дана речовина, які саме компоненти входять до її складу) та кількісний аналіз(визначають вміст тих чи інших компонентів, наприклад, % по масі, або співвідношення різних компонентів). Грань між якісним та кількісним аналізом дуже умовна, особливо при дослідженні мікродомішок. Так, якщо в ході якісного аналізу деякий компонент не був виявлений, то обов'язково вказують, яку мінімальну кількість цього компонента можна було б виявити за допомогою цього методу. Можливо, негативний результат якісного аналізу пов'язаний не з відсутністю компонента, а недостатньою чутливістю використаного методу! З іншого боку, кількісний аналіз завжди виконується з урахуванням наперед знайденого якісного складу досліджуваного матеріалу.

- класифікація з об'єктів аналізу: технічний, клінічний, криміналістичнийта ін.

- класифікація з об'єктів визначення.

Не слід плутати терміни аналізуватиі визначати.Об'єктами визначенняназивають компоненти, зміст яких потрібно встановити чи достовірно виявити. З урахуванням природи визначається компонента виділяють різні види аналізу (табл.1.1).

Таблиця 1-1. Класифікація видів аналізу (за об'єктами визначення чи виявлення)

Класифікація «по об'єктах визначення» є дуже важливою, оскільки допомагає вибрати відповідний спосіб проведення аналізу (аналітичний метод). Так, для елементного аналізучасто застосовують спектральні методи, засновані на реєстрації випромінювання атомів різних довжинах хвиль. Більшість спектральних методів передбачає повну деструкцію (атомізацію) аналізованої речовини. Якщо ж треба встановити природу та кількісний вміст різних молекул, що входять до складу досліджуваної органічної речовини ( молекулярний аналіз), то одним із найбільш підходящих методів виявиться хроматографічний, що не передбачає деструкції молекул.

В ході елементного аналізуідентифікують або кількісно визначають елементи незалежно від їхнього ступеня окислення або від входження до складу тих чи інших молекул. Повний елементний склад досліджуваного матеріалу визначають у поодиноких випадках. Зазвичай досить визначити деякі елементи, які впливають на властивості досліджуваного об'єкта.

Речовийаналіз стали виділяти у самостійний вигляд порівняно недавно, раніше його розглядали як частину елементного. Мета речового аналізу - окремо визначити зміст різних форм одного й того елемента. Наприклад, хрому (III) та хрому (VI) у стічній воді. У нафтопродуктах роздільно визначають «сірку сульфатну», «сірку вільну» та «сірку сульфідну». Досліджуючи склад природних вод, з'ясовують, яка частина ртуті існує у вигляді міцних (недисоціюючих) комплексних та елементоорганічних сполук, а яка – у вигляді вільних іонів. Ці завдання складніше, ніж завдання елементного аналізу.

Молекулярний аналізособливо важливий щодо органічних речовин і матеріалів біогенного походження. Прикладом може бути визначення бензолу в бензині або ацетону в повітрі, що видихається. У разі необхідно враховувати як склад, а й структуру молекул. Адже в досліджуваному матеріалі можуть бути ізомери і гомологи обумовленого компонента. Так, часто доводиться визначати вміст глюкози в присутності багатьох її ізомерів та інших споріднених сполук, наприклад, сахарози.

Коли йдеться про визначення сумарного змісту всіх молекул, що мають деякі загальні структурні особливості, одні й ті ж функціональні групи, а отже й близькі хімічні властивості, користуються терміном структурно-груповий(або функціональний)аналіз. Наприклад, суму спиртів (органічних сполук, що мають ОН-групу) визначають, проводячи загальну для всіх спиртів реакцію з металевим натрієм, а потім вимірюючи обсяг водню, що виділяється. Суму ненасичених вуглеводнів (мають подвійні або потрійні зв'язки) визначають, окислюючи їх йодом. Сумарні змісти однотипних компонентів іноді встановлюють і неорганічному аналізі - наприклад, сумарний вміст рідкісноземельних елементів.

Специфічним видом аналізу є фазовий аналіз. Так, вуглець у чавунах і сталях може розчинятися в залозі, може утворювати хімічні сполуки із залізом (карбіди), а може й утворювати окрему фазу (графіт). Фізичні властивості виробу (міцність, твердість тощо) залежать не тільки від загального вмісту вуглецю, а й від розподілу вуглецю між цими формами. Тому металургів цікавить як загальний вміст вуглецю в чавуні чи сталі, а й наявність у цих матеріалах окремої фази графіту (вільного вуглецю), і навіть кількісний зміст цієї фази.

Основна увага в базовому курсі аналітичної хімії приділяється елементному та молекулярному аналізу. У інших видах аналізу застосовують дуже специфічні методи, й у програму базового курсу ізотопний, фазовий і структурно-груповой аналізи не входять.

Класифікація за точністю результатів, тривалістю та вартістю аналізів.Спрощений, швидкий та дешевий варіант аналізу називають експрес-аналізом. Для їх виконання часто застосовують тест-методи.Наприклад, будь-яка людина (не аналітик) може оцінити вміст нітратів в овочах (цукору в сечі, важких металів у питній воді тощо), скориставшись спеціальним індикаторним папером. Результат буде видно на око, оскільки вміст компонента визначається за допомогою шкали забарвлень, що додається до паперу. Тест-методи не вимагають доставки проби в лабораторію будь-якої обробки досліджуваного матеріалу; у цих методах не застосовується дороге обладнання, не проводять розрахунків. Важливо лише, щоб результат не залежав від присутності в досліджуваному матеріалі інших компонентів, а для цього треба, щоб реактиви, якими просочують папір під час його виготовлення, були б специфічними. Забезпечити специфічність тест-методів дуже важко, і широко поширеним цей вид аналізу став лише останніми роками ХХ століття. Звичайно, тест-методи не можуть забезпечити високої точності аналізу, але вона потрібна далеко не завжди.

Пряма протилежність експрес-аналізу - арбітражний аналіз.Основна вимога щодо нього - забезпечити якомога більшу точність результатів. Арбітражні аналізи проводять досить рідко (наприклад, для вирішення конфлікту між виробником та споживачем промислової продукції). Для виконання таких аналізів залучають найбільш кваліфікованих виконавців, застосовують найнадійніші та багаторазово перевірені методики. Час, витрачене виконання такого аналізу, як та її вартість, - немає принципового значення.

Проміжне місце між експресним та арбітражним аналізом - за точністю, тривалістю, вартістю та іншими показниками - займають так звані рутинні аналізи. Основна частина аналізів, що виконуються у заводських та інших контрольно-аналітичних лабораторіях, відноситься саме до цього типу.

Існують інші способи класифікації, інші види аналізів. Наприклад, враховують масу досліджуваного матеріалу, що безпосередньо використовується в ході аналізу. У рамках відповідної класифікації виділяють макроаналіз(кілограми, літри), напівмікроаналіз(долі грама, мілілітри) та мікроаналіз. В останньому випадку застосовують навішування порядку міліграма і менше, обсяги розчинів вимірюють у мікролітрах, а результат реакції іноді доводиться спостерігати під мікроскопом. Мікроаналіз використовують у аналітичних лабораторіях досить рідко.

1.3. Методи аналізу

Поняття «метод аналізу» є найважливішим для аналітичної хімії. Цей термін використовують, коли хочуть виявити суть тієї чи іншої аналізу, його основний принцип. Методом аналізу називають досить універсальний та теоретично обґрунтований спосіб проведення аналізу, безвідносно до того, який компонент визначають та що саме аналізують.Існують три основні групи методів (рис.1-1). Одні з них націлені переважно на поділ компонентів досліджуваної суміші (наступний аналіз без цієї операції виявляється неточним або взагалі неможливим). У ході поділу зазвичай відбувається концентрування визначених компонентів (див. розділ 8). Прикладом можуть бути методи екстрагування або іонного обміну. Інші методи застосовують у ході якісного аналізу, вони служать для достовірного пізнання (ідентифікації) компонентів, що цікавлять нас. Треті, найбільш численні, призначені для кількісного визначення компонентів. Відповідні групи називають методами поділу та концентрування, методами ідентифікації та методами визначення.Методи двох перших груп, як правило , відіграють допоміжну роль; вони будуть розглянуті пізніше. Найбільше значення для практики мають методи визначення.

Крім трьох основних груп, існують гібридніметоди. На рис.1.1 ці методи не показано. У гібридних методах поділ, ідентифікація та визначення компонентів органічно поєднуються в одному приладі (або в єдиному комплексі приладів). Найважливішим із таких методів є хроматографічний аналіз. У спеціальному приладі (хроматографі) компоненти досліджуваної проби (суміші) поділяються, оскільки вони з різною швидкістю рухаються крізь стовпчик, заповнений порошком твердої речовини (сорбенту). За часом виходу компонента з колонки судять про його природу і таким чином упізнають усі компоненти проби. Компоненти, що вийшли з колонки, по черзі потрапляють в іншу частину приладу, де спеціальний пристрій - детектор - вимірює і записує сигнали всіх компонентів. Нерідко відразу проводиться автоматичний розрахунок змісту всіх компонентів. Зрозуміло, що хроматографічний аналіз не можна вважати лише методом поділу компонентів, або лише методом кількісного визначення, це гібридний метод.

Кожен метод визначення поєднує безліч конкретних методик, у яких вимірюється одна й та сама фізична величина. Наприклад, щодо кількісного аналізу можна виміряти потенціал електрода, опущеного в досліджуваний розчин, та був за знайденої величині потенціалу розрахувати вміст деякого компонента розчину. Усі методики, де основною операцією є вимір потенціалу електрода, вважають окремими випадками. потенціометричного методу. При віднесенні методики до того чи іншого аналітичного методу не важливо, який об'єкт досліджується, які саме речовини і з якою точністю визначаються, який прилад використовують і як проводять розрахунки - важливо лише, яку величину ми вимірюємо.Вимірювану в ході аналізу фізичну величину, яка залежить від концентрації обумовленого компонента, прийнято називати аналітичним сигналом.

Аналогічним чином можна виділити метод спектрального аналізуУ цьому випадку основна операція - вимірювання інтенсивності світла, що випромінюється пробою на певній довжині хвилі. Метод титриметричного (об'ємного) аналізузаснований на вимірюванні об'єму розчину, витраченого на хімічну реакцію з визначальним компонентом проби. Слово "метод" часто опускають, кажуть просто "потенціометрія", "спектральний аналіз", "титриметрія" тощо. У рефрактометричний аналізсигналом є показник заломлення світла досліджуваним розчином, спектрофотометрії- Поглинання ним світла (на певній довжині хвилі). Перелік методів та відповідних їм аналітичних сигналів можна продовжити, всього відомо кілька десятків незалежних методів.

Кожен метод визначення має свої власні теоретичні основи та пов'язаний із застосуванням специфічного обладнання. Області застосування різних методів суттєво різняться. Одні методи переважно використовуються для аналізу нафтопродуктів, інші – для аналізу лікарських препаратів, треті – для дослідження металів та сплавів тощо. Аналогічно можна виділяти методи щодо елементного аналізу, методи ізотопного аналізу тощо. Є й універсальні методи, що застосовуються в аналізі різних матеріалів і придатні для визначення в них різних компонентів. Наприклад, спектрофотометричний метод може бути і для елементного, і для молекулярного, і для структурно-групового аналізу.

Точність, чутливість та інші характеристики окремих методик, які стосуються одному й тому аналітичному методу, різняться, але негаразд сильно, як характеристики різних методів. Будь-яке аналітичне завдання завжди можна вирішити декількома різними методами (скажімо, хром у легованій сталі можна визначити і спектральним методом, і титриметричним, і потенціометричним). Аналітик вибирає метод, враховуючи відомі можливості кожного з них та конкретні вимоги до цього аналізу. Не можна раз і назавжди вибрати "найкращі" і "найгірші" методи, все залежить від завдання, що вирішується, від вимог до результатів аналізу. Так, гравіметричний аналіз дає, як правило, більш точні результати, ніж спектральний, але потребує великих витрат праці та часу. Тому гравіметричний аналіз хороший для проведення арбітражних аналізів, але не годиться для експрес-аналізу.

Методи визначення ділять на три групи: хімічні, фізичні та фізико-хімічні. Нерідко фізичні та фізико-хімічні методи поєднують загальною назвою “інструментальні методи”, оскільки в обох випадках використовуються прилади, причому одні й ті самі. Взагалі межі між групами методів дуже умовні.

Хімічні методизасновані на проведенні хімічної реакції між визначеним компонентом і реагентом, що спеціально додається. Реакція відбувається за схемою:

Тут і далі символом Х позначається визначається компонент (молекула, іон, атом і т.п.), R - реагент, що додається, Y - сукупність продуктів реакції. До групи хімічних методів відносять класичні (давно відомі та добре вивчені) методи визначення, насамперед гравіметрію та титриметрію. Число хімічних методів порівняно невелике, вони мають одні й самі теоретичні основи (теорію хімічних рівноваг, закони хімічної кінетики тощо.). Як аналітичний сигнал у хімічних методах зазвичай вимірюють масу або обсяг речовини. Складні фізичні прилади, за винятком аналітичних ваг, та спеціальні еталони хімічного складу у хімічних методах не використовуються. Ці методи мають багато спільного та за своїми можливостями. Вони будуть розглянуті у розділі 4.

Фізичні методине пов'язані з проведенням хімічних реакцій та застосуванням реагентів. Їхній основний принцип - зіставлення однотипних аналітичних сигналів компонента Х в досліджуваному матеріалі і в деякому зразку (зразок з точно відомою концентрацією Х). Заздалегідь побудувавши градуювальний графік (залежність сигналу від концентрації або маси Х) та вимірявши значення сигналу для проби досліджуваного матеріалу, розраховують концентрацію Х у цьому матеріалі. Існують інші способи розрахунку концентрацій (див. главу 6). Фізичні методи зазвичай чутливіші, ніж хімічні, тому визначення мікродомішок ведуть переважно фізичними методами. Ці методи легко піддаються автоматизації, вимагають менших витрат на проведення аналізу. Проте фізичні методи потребують спеціальних еталонах, вимагають досить складного, дорогого і спеціалізованого устаткування, До того ж вони, зазвичай, менш точні, ніж хімічні.

Проміжне місце між хімічними та фізичними методами за своїми принципами та можливостями займають фізико-хімічніметоди аналізу. У цьому випадку аналітик проводить хімічну реакцію, але за її перебігом або її результатом стежить не візуально, а із застосуванням фізичних приладів. Наприклад, поступово додає до досліджуваного розчину інший - з відомою концентрацією розчиненого реагенту, і при цьому контролює потенціал електрода, опущеного в розчин, що титрується. (потенціометричне титрування), за стрибком потенціалу аналітик судить про закінчення реакції, вимірює витрачений на неї обсяг титранта і розраховують результат аналізу. Такі методи, як правило, такі ж точні, як і хімічні, і майже настільки ж чутливі, як і фізичні методи.

Інструментальні методи часто поділяють за іншою, чіткіше вираженою ознакою – за природою вимірюваного сигналу. І тут виділяють підгрупи оптичних, електрохімічних, резонансних, активаційних та інших методів. Існують також нечисленні і поки що недостатньо розвинені методи біологічні та біохімічні методи.

ХІМІЧНИЙ АНАЛІЗ

Аналітична хімія. Завдання та етапи хімічного аналізу. аналітичний сигнал. Класифікації методів аналізуза. Ідентифікація речовин. Докладний аналіз. Систематичний аналіз.

Основні завдання аналітичної хімії

Одним із завдань при проведенні природоохоронних заходів є пізнання закономірностей причинно-наслідкових зв'язків між різними видами людської діяльності та змінами, що відбуваються в природному середовищі. Аналіз- це головний засіб контролю над забрудненістю довкілля. Науковою основою хімічного аналізу є аналітична хімія. Аналітична хімія -наука про методи та засоби визначення хімічного складу речовин та матеріалів. Метод- це досить універсальний та теоретично обґрунтований спосіб визначення складу.

Основні вимоги до методів та методик аналітичної хімії:

1) правильність та хороша відтворюваність;

2) низький межа виявлення- це найменший зміст, при якому за цією методикою можна виявити присутність обумовленого компонента із заданою довірчою ймовірністю;

3) вибірковість (селективність)- характеризує вплив різних факторів, що заважає;

4) діапазон вимірюваних змістів(концентрацій) за допомогою даного методу за даною методикою;

5) експресність;

6) простота в аналізі, можливість автоматизації, економічність визначення.

Хімічний аналіз- це складний багатостадійний процес, що являє собою сукупність готових прийомів та відповідних служб.

Завдання аналізу

1. Ідентифікація об'єкта, тобто. встановлення природи об'єкта (перевірка присутності тих чи інших основних компонентів, домішок).

2. Кількісне визначення змісту того чи іншого компонента в аналізованому об'єкті.

Етапи аналізу будь-якого об'єкта

1. Постановка задачі та вибір методу та схеми аналізу.

2. Відбір проб (грамотний відбір частини проби дозволяє зробити правильний висновок про склад всієї проби). Проба- це частина аналізованого матеріалу, представницько отр ахімічний склад, що його дає. В окремих випадках як пробу використовують весь аналітичний матеріал. Час зберігання відібраних проб має бути мінімальним. льним. Умови та способи зберігання повинні виключати неконтрольовані втрати легколетких сполук та будь-які інші фізичні та хімічні зміни у складі аналізованого зразка.

3. Підготовка проб до аналізу: переведення проби в необхідний стан (розчин, пара); поділ компонентів або відділення заважають; концентрування компонентів;

4. Отримання аналітичного сигналу. Аналітичний сигнал- це зміна будь-якої фізичної чи фізико-хімічної властивості обумовленого компонента, функціонально пов'язане з його змістом (формула, таблиця, графік).

5. Обробка аналітичного сигналу, тобто. поділ сигналу та шумів. Шуми- Побічні сигнали, що виникають у вимірювальних приладах, підсилювачах та інших апаратах.

6. Застосування результатів аналізу. Залежно від якості речовини, покладеної в основу визначення, методи аналізу поділяються:

на хімічні методианалізу, засновані на хімічній аналітичній реакції, що супроводжується яскраво вираженим ефектом. До них відносяться гравіметричний та титриметричний методи;

- фізико-хімічні методи,засновані на вимірі будь-яких фізичних параметрів хімічної системи, що залежать від природи компонентів системи та змінюються в процесі хімічної реакції (наприклад, фотометрія заснована на зміні оптичної густини розчину в результаті реакції);

- фізичні методианалізу, що не пов'язані з використанням хімічних реакцій. Склад речовин встановлюється за виміром характерних фізичних властивостей об'єкта (наприклад, щільність, в'язкість).

Залежно від вимірюваної величини всі методи поділяються такі види.

Методи виміру фізичних величин

Ідентифікація речовинґрунтується на методах якісного розпізнавання елементарних об'єктів (атомом, молекул, іонів та ін), з яких складаються речовини та матеріали.

Дуже часто аналізовану пробу речовини переводять у форму, зручну для аналізу шляхом розчинення у відповідному розчиннику (зазвичай це вода або водні розчини кислот) або сплавлення з будь-якою хімічною сполукою з подальшим розчиненням.

Хімічні методи якісного аналізу засновані на використання реакцій ідентифікованих іонів з певними речовинами - аналітичними реагентамиТакі реакції повинні супроводжуватися випаданням чи розчиненням осаду; виникненням, зміною чи зникненням фарбування розчину; виділенням газу із характерним запахом; освітою кристалів певної форми.

Реакції, що протікають у розчинах, за способом виконаннякласифікуються на пробіркові, мікрокристалоскопічні та крапельні. Мікрокристаллоскопічні реакції проводять на предметному склі. Спостерігають утворення кристалів характерної форми. Крапельні реакції виконують на фільтрувальному папері.

Аналітичні реакції, що застосовуються в якісному аналізі, по галузі застосуванняділяться:

1.) на групові реакції- це реакції для осадження цілої групи іонів (застосовується один реагент, який називається груповим);

2;) характерні реакції:

а) селективні (виборчі)- дають однакові або подібні аналітичні реакції з обмеженим числом іонів (2-5 шт.);

б) специфічні (високоселективні)- вибіркові по відношенню до одномукомпоненту.

Селективних і специфічних реакцій небагато, тому їх застосовують у поєднанні з груповими реакціями і зі спеціальними прийомами для усунення компонентів, що заважають впливу компонентів, присутніх в системі поряд з визначеною речовиною.

Нескладні суміші іонів аналізують дробовим методом,без попереднього відділення іонів, що заважають, за допомогою характерних реакцій визначають окремі іони. М іон іон- це іон, що у умовах виявлення шуканого дає подібний аналітичний ефект із тим самим реактивом чи аналітичний ефект, маскує необхідну реакцію. Виявлення різних іонів у дробовому аналізі проводять в окремих порціях розчину. При необхідності усунення іонів, що заважають, користуються наступними способами відділення та маскування.

1. Переклад іонів, що заважають, в осад.В основі лежить відмінність у величині добутку розчинності опадів, що виходять. При цьому ПР з'єднання іона з реагентом повинно бути більше, ніж ПР з'єднання заважає іона.

2. Зв'язування іонів, що заважають, в міцне комплексне з'єднання.Отримуваний комплекс повинен мати необхідну стійкість, щоб здійснити повне зв'язування іона, що заважає, а шуканий іон - зовсім не реагувати з введеним реагентом або його комплекс повинен бути неміцним.

3. Зміна ступеня окислення іонів, що заважають.

4. Використання екстракції.Метод заснований на вилученні з водних розчинів іонів, що заважають, органічними розчинниками і розділенні системи на складові частини (фази), щоб заважає і визначається компоненти були в різних фазах.

Переваги дробового аналізу:

Швидкість виконання, оскільки скорочується час тривалі операції послідовного відділення одних іонів від інших;

Дробні реакції легко відтворювані, тобто. їх можна повторювати кілька разів. Однак у разі труднощі підбору селективних (специфічних) реакцій виявлення іонів, що маскують реагентів, розрахунку повноти

видалення іонів та інших причин (складність суміші) вдаються до виконання систематичного аналізу.

Систематичний аналіз- це повний (докладний) аналіз об'єкта, що досліджується, який проводиться шляхом поділу всіх компонентів у пробі на кілька груп у певній послідовності. Розподіл на групи йде на основі подібності (всередині групи) та відмінності (між групами) аналітичних властивостей компонентів. У виділеній групі аналізу застосовується ряд послідовних реакцій поділу, поки в одній фазі залишаться лише компоненти, що дають характерні реакції із селективними реагентами (рис. 23.1).

Розроблено декілька аналітичних класифікацій катіонів та аніонів на аналітичні групи, в основі яких лежить застосування групових реагентів (тобто реагентів для виділення в конкретних умовах цілої групи іонів). Групові реагенти в аналізі катіонів служать як виявлення, так поділу, а аналізі аніонів - лише виявлення (рис. 23.2).

Аналіз сумішей катіонів

Груповими реагентами в якісному аналізі катіонів є кислоти, сильні основи, аміак, карбонати, фосфати, сульфати лужних металів, окислювачі та відновники. Об'єднання речовин в аналітичні групи засноване на використанні подібності та відмінностей у їх хімічних властивостях. До найважливіших аналітичних властивостей відносяться здатність елемента утворювати різні типи іонів, колір і розчинність сполук, здатність вступати вті чи інші реакції.

Групові реагенти вибирають із загальних реактивів, оскільки необхідно, щоб груповий реагент виділяв відносно велику кількість іонів. Основний спосіб поділу - осадження, тобто. розподіл на групи, заснований на різній розчинності опадів катіонів у певних середовищах. Під час розгляду дії групових реагентів можна назвати такі групи (табл. 23.2).

Крім того, залишаються три катіони (Na + , К + , NH4), які не утворюють опадів із зазначеними груповими реагентами. Їх також можна виділити окрему групу.

Групи катіонів

Крім зазначеного загального підходу, при виборі групових реагентів виходять із значень творів розчинності опадів, так як, варіюючи умови осадження, можна розділити речовини групи дією одного і того ж реагенту.

Найбільшого поширення набула кислотно-основна класифікація катіонів. Переваги кислотно-основного методу систематичного аналізу:

а) використовуються основні властивості елементів – їх відношення до кислот, лугів;

б) аналітичні групи катіонів більшою мірою зівідповідають групам періодичної системи елементів Д.І. Менделєєва;

в) значно скорочується час проведення аналізу порівняння із сірководневим методом. Дослідження починають з попередніх випробувань, в яких встановлюють рН розчину за універсальним індикатором і виявляють іони NH 4 , Fe 3+ , Fe 2+ специфічними та селективними реакціями.

Поділ на групи.Загальна схема поділу на групидана в табл. 23.3. В аналізованому розчині передусім відокремлюють катіони І та ІІ груп. Для цього 10-15 крапель розчину поміщають у пробірку і додають краплями суміш 2М HCl і 1М H 2 S0 4 . Залишають осад на 10 хв, потім центрифугують його і промивають водою, підкисленої НС1. В осаді залишається суміш хлоридів і сульфатів Ag + , Pb 2+ , 2+ , Са 2+ . Можлива присутність основних солей сурми. У розчині – катіони III-vi груп.

З розчину відокремлюють III групу додаванням декількох крапель 3%-ного Н 2 0 2 і надлишку NaOH при нагріванні та перемішуванні. Надлишок пероксиду водню видаляють кип'ятінням. В осаді - гідроксиди катіонів IV-V груп, в розчині - катіони III і VI груп і частково Са 2+ , який може не повністю осідати у вигляді CaS0 4 при відділенні I і II груп.

З осаду відокремлюють катіони V групи. Осад обробляють 2н Na 2 CO 3 потім надлишком NH 3 при нагріванні. Катіони V групи переходять у розчин у вигляді аміакатів, в осаді - карбонати та основні солі катіонів IV групи.

Гідність систематичного аналізу- Отримання достатньо повної інформації про склад об'єкта. Нестача- громіздкість, тривалість, трудомісткість. Цілком схеми систематичного якісного аналізу здійснюються рідко. Зазвичай їх використовують частково, якщо є відомості про походження, приблизний склад зразка, a такж у навчальних курсах аналітичної хімії.

Гідроксид магнію розчиняється у суміші NH 3 + NH 4 C1. Таким чином, після поділу катіонів на групи отримали чотири пробірки, що містять: а) осад хлоридів і сульфатів катіонів I-П груп; б) розчин суміші катіонів III та VI груп; в) розчин аміакатів катіонів V групи; г) осад карбонатів та основних солей катіонів IV групи. Кожен із цих об'єктів аналізують окремо.

Аналіз сумішей аніонів

Загальна характеристика аніонів, що вивчаються. Aніони утворюються в основному елементами груп IV, V, VI та VII періодичної системи. Один і той самий елемент може утворювати кілька аніонів, що відрізняються своїми властивостями. Haприклад, сірка утворює аніони S 2 -, S0 3 2 ~, S0 4 2 ~, S 2 0 3 2 ~ та ін.

Усі аніони є складовою частиною кислот і соотвітальних солей. Залежно від цього, до складу якого речовини входить аніон, властивості його значно змінюються. Наприклад, для іона SO 4 2 "у складі концентрованої cepной кислоти властиві реакції окислення-відновлення, а у складі солей - реакції осадження.

Стан аніонів у розчині залежить від середовища розчину. Деякі аніони розкладаються при дії концентрованих кислот з виділенням відповідних газів: С0 2 (аніон СО 2- 3), H 2 S (аніон S 2 "), N0 2 (аніон N0 3) та ін. При дії розведених кислот аніони МоО 4 2 - , W0 4 2 ~, SiO 3 2 " утворюють не розчинні у воді кислоти (H 2 Mo0 4 , H 2 W0 4 * H 2 0, H 2 SiПро 3 ). Аніони слабких кислот (С0 3 2 ~, Р0 4 ", Si0 3 2 ~, S 2 ") у водних розчинах частково або повністю гідролізуються, наприклад:

S 2 "+ H 2 0 →HS" + OH _ .

Більшість елементів, що утворюють аніони, мають змінну валентність і при дії окислювачів або відновників змінюють ступінь окислення, при цьому змінюється склад аніону. Хлорид-іон, наприклад, можна окислити до С1 2 , СlО", СlO 3 , СlO 4 . Іодид-іони, наприклад, окислюються до I 2 , IO 4 ; сульфід-іон S 2 ~ - до S0 2 , SO 4 2- аніони N0 3 можна відновити до N0 2 , NO, N 2 , NH 3 .

Аніони-відновники (S 2 ~, I - , CI -) відновлюють у кислому середовищі іони Мп0 4 - викликаючи їх знебарвлення. Іони-окислювачі (NO3 , CrO 4 2 ", V0 3 - , Mn0 4 ~) окислюють іодид-іони в кислий ойсередовищі до вільного іона, забарвлюють дифеніламін в синій колір. їххарактерних реакцій

Групові реакції аніонів.Реагенти за своєю дією паніони поділяють на наступні групи:

1) реактиви, що розкладають речовини з виділенням газів. До таких реактивів відносяться розведені мінеральні кислоти (НС1, H2S04);

2) реактиви, що виділяють аніони з розчинів у вигляді малорозчинених опадів (табл. 23.4):

а) ВаС1 2 в нейтральному середовищі або в присутності Ва(ОН) 2 осаджує: SO 2- , SO, 2 ", S 2 0 3 2 ~, 3 2 ", РО 4 2 ", В 4 0 7 2 ~, As0 3 4", SiO 3 2";

б) AgNO 3 в 2н HNO 3 тримає в облозі: СГ, Br - , I - , S 2- (SO 4 2 тільки в концентрованих розчинах);

3) реактиви-відновники (КІ) (табл. 23.5);

4) реактиви-окислювачі (КМп0 4 розчин I 2 в KI, НNО 3(конц) , H 2 S0 4).

Аніони при аналізі переважно не заважають виявленню один одного, тому групові реакції застосовують задля поділу, а попередньої перевірки наявності чи відсутності тієї чи іншої групи аніонів.

Систематичні методи аналізу суміші аніонів, заснований ніна розподілі їх на групи, використовуються рідко, головним чином зомна дослідження нескладних сумішей. Чим складніша суміш аніонів, тим більш громіздкими стають схеми аналізу.

Дробний аналіз дозволяє виявити аніони, які не заважають один одному, в окремих порціях розчину.

У напівсистематичних методах має місце поділ аніонів на групи за допомогою групових реактивів та подальше дробове виявлення аніонів. Це призводить до скорочення кількості необхідних послідовних аналітичних операцій і зрештою спрощує схему аналізу суміші аніонів.

Сучасний стан якісного аналізу не обмежується класичною схемою. В аналізі як неорганічні, такі органічних речовин часто використовуються інструментальні методи, такі як люмінесцентний, абсорбційно-спектроскопічний, різні електрохімічні методи, які варіанти хроматографії і т.д. Однак у ряді випадків (польові, заводські експрес-лабораторії та ін.) класичний аналіз через простоту, доступність, дешевизну не втратив свого значення.

В основі хімічних методів виявлення та визначення лежать хімічні реакції трьох типів: кислотно-основні, ОВР та комплексоутворення. Найбільше значення мають гравіметричний та титриметричний.

Гравіметричнийаналіз полягає у виділенні речовини в чистому вигляді та її зважуванні.

Найчастіше виділення проводять осадженням. Недоліком гравіметричних методів є тривалість визначення, особливо при серійних аналізах великої кількості проб, а також неселективність – реагенти-осадники рідко бувають специфічними, тому часто потрібні попередні поділи.

Титриметричний аналізполягає в точному визначенні об'єму розчину хімічного реактиву з відомою концентрацією, який необхідний для повного протікання реакції з даним об'ємом аналізованого розчину.

Титриметричний аналіз широко застосовується у клінічних та санітарно-гігієнічних лабораторіях для аналізу крові, шлункового соку, сечі, харчових продуктів, питних та стічних вод.

Фізико-хімічні методи

Крім хімічних методів якісного аналізу, відомі інші методи ідентифікації хімічних елементів та їх сполук. Так, ту чи іншу речовину можна виявити фізичними методами аналізу, не вдаючись до хімічних реакцій, або фізико-хімічними методами шляхом вивчення та спостереження фізичних явищ, що відбуваються при хімічних реакціях.

До таких методів, які називають часто інструментальними, належать такі методи якісного аналізу:

спектральний;

Люмінесцентний;

Хроматографічний;

Полярографічний

деякі інші.

Дуже часто хімічні методи поєднують з фізичними та фізико-хімічними методами аналізу, що забезпечує більш високу чутливість та точніші результати аналізу. Підвищення чутливості та вибірковості методів має велике значення для аналізу особливо чистих речовин, що містять слідові кількості домішок. Для визначення малих кількостей (слідів) домішок використовують методи попереднього виділення, концентрування (збагачення) домішок. До цих методів належать:

хроматографічні методи;

екстрагування;

співосадження;

дистиляція (відгін) летких сполук та деякі інші методи.

Поєднуючи ті чи інші методи концентрування з фізичними або фізико-хімічними методами аналізу, можна досягти високого ступеня чутливості, яка у багато разів перевищує чутливість окремих методів.

Електрохімічні методи аналізу та дослідження засновані на вивченні та використанні процесів, що протікають на поверхні електрода або в приелектродному просторі. Будь-який електричний параметр (потенціал, сила струму, опір та ін.), функціонально пов'язаний з концентрацією аналізованого розчину та виміряний, може бути аналітичним сигналом.

Розрізняють прямі та непрямі електрохімічні методи. У прямих методахвикористовують залежність сили струму (потенціалу тощо) від концентрації обумовленого компонента. У непрямих методахсилу струму (потенціал і т.д.) вимірюють з метою знаходження кінцевої точки титрування обумовленого компонента відповідним титрантом, тобто. використовують залежність вимірюваного параметра від об'єму титранту.

Існують різні методи класифікації електрохімічних способів.

Класифікація електрохімічних методів аналізу за параметром електрохімічного осередку, що вимірюється.

ЖУРНАЛ АНАЛІТИЧНОЇ ХІМІЇ, 2014, тому 69, № 4, с. 359-362

СТАТТІ ЗАГАЛЬНОГО ХАРАКТЕРА

ХІМІЧНИЙ АНАЛІЗ І МЕДИЦИНА © 2014 р. Ю. А. Золотов

Московський державний університет імені М.В. Ломоносова 119991 Москва, Ленінські гори, 1, стор. 3 Надійшла до редакції 27.06.2013 р., після доопрацювання 14.10.2013 р.

Розглянуто основні напрямки використання хімічного аналізу в медицині: при діагностиці захворювань, санітарно-гігієнічному контролі, допінг-контролі, прямій ідентифікації мікроорганізмів, ДНК-аналізі та ін.

Ключові слова: хімічний аналіз у медицині, медична діагностика, санітарно-гігієнічний контроль, допінг-контроль, геномний аналіз.

DOI: 10.7868/S0044450214040173

Тема "Хімічний аналіз та медицина" надто широка, щоб її можна було висвітлити скільки-небудь детально. Однак вона обрана свідомо: хотілося кинути загальний погляд на цю область, спробувати її оконтурити та класифікувати, вичленувати найважливіші напрямки.

Об'єктами хімічного аналізу в області є біологічні рідини (кров, сеча, піт, слина, сльози, грудне молоко, шлунковий сік та інші); волосся, зрізи нігтів; м'які тканини; повітря, що видихається; гази, що виділяються організмом через шкіру. Ну і, звісно, ​​лікарські речовини. Що стосується хвороб, при профілактиці, діагностиці та лікуванні яких застосовується хімічний аналіз, то це практично всі патологічні стани (та й нормальні теж, якщо йдеться про диспансеризацію, про масовий скринінг). Однак особливо потрібен аналіз у разі соціально небезпечних захворювань – діабету, раку, серцево-судинних та легеневих хвороб. Перелік речовин (аналітів), які потрібно виявляти та кількісно визначати, включає хімічні елементи та форми їх існування (причому останні – чим далі, тим більше); деякі неорганічні речовини, особливо газоподібні та пероксид водню, численні низькомолекулярні органічні сполуки - глюкозу, холестерин, жирні кислоти, катехоламіни та інші; біополімери (білки, нуклеїнові кислоти, ліпіди тощо); субстанції ліків та домішки у фармпрепаратах.

Методи аналізу, що використовуються для вирішення медичних завдань, звичайно, різноманітні за принципами дії та аналітичними характеристиками. Однак у ряді випадків існує прагнення застосовувати методи, "м'яко" дію-

ють на об'єкт, як, наприклад, іонізація електророзпиленням у мас-спектрометрії в порівнянні з електронною іонізацією. Крім того, істотна націленість на неінвазивні методи, а також на методи, придатні для масового застосування, у тому числі, з одного боку, за рахунок автоматизації, а з іншого, шляхом широкого використання простих та недорогих тестів. У ряді випадків існує прагнення "мініатюрних" методів і засобів, особливо для аналізу in vivo, і навіть до дистанційно діючих. Зрозуміло, дуже затребувані найпотужніші сучасні методи аналізу, як, скажімо, ГХ-МС, ЖХ-МС, МС-ИСП, особливо у наукових дослідженнях.

Напрямки самої медицини, що використовують хімічний аналіз, досить численні, хоч і неоднакові за важливістю. Розглянемо їх.

Хімічний аналіз як діагностики.

Істота цього напряму полягає в знаходженні, зазвичай спільно з медиками, речовин-меркерів, поява яких або суттєва зміна їх змісту, або зміна співвідношення, наприклад, в біорідинах або повітрі, що видихається, свідчать про патологію. Якщо такі речовини знайдені, практика полягатиме у визначенні цих речовин у конкретних зразках.

Щоб знайти речовини, зміст яких може бути показником захворювання, зазвичай потрібно систематичне дослідження великої кількості здорових і хворих людей (їх органів, тканин, біологічних рідин), набір великого масиву даних, їхня математична обробка, тепер, як правило, засобами хемо-метрики. Наприклад, щоб знайти мйркери раку

яєчників, досліджували вміст 169 білків у плазмі крові великих груп здорових та хворих жінок; було встановлено, що концентрація чотирьох білків (лептину, пролактину та ін.) у здорових та хворих відрізняється. На цій основі розроблено діагностичний тест; якщо результати показують, що концентрація принаймні двох білків з цих чотирьох лежить за межами норми, це з ймовірністю 95% говорить про захворювання. Або ще один приклад із сотень інших: проаналізовано проби сечі 62 жінок, хворих на рак молочної залози, та 100 здорових жінок на вміст змінених нуклеозидів. Статистична обробка результатів показала, що з цих груп жінок спостерігаються розбіжності у змісті нуклеозидів, і діагностична цінність цих відмінностей досить висока.

Звичайний клінічний лабораторний аналіз та масовий біохімічний аналіз сформувалися на основі подібних об'ємистих досліджень, що проводилися протягом десятиліть, та накопиченого досвіду.

Маркерами, індикаторами хвороби можуть бути низькомолекулярні неорганічні та органічні сполуки (NO, NH3, CO, CH4, вуглеводні, катехоламіни, ацетон, цукри, органічні кислоти); високомолекулярні сполуки органічної природи – пептиди, численні білки; окремі хімічні елементи.

Значний досвід накопичений, наприклад, з діагностики діабету шляхом контролю вмісту глюкози спочатку у сечі, потім у крові. Перші тести на цукор у сечі були створені ще у ХІХ столітті. Так, у 1841 р. Треммер запропонував визначати глюкозу в сечі за реакцією відновлення меді(11) глюкозою в гарячому лужному розчині. Пізніше для тієї ж мети використовували папір, імпрегнований індигокармін; перед використанням папірець змочували лугом. Потім було створено набагато ефективніші хімічні тест-засоби, які у ХХ столітті випускали багато фірм. Сучасні ж глюкозні аналізатори мають своїм прабатьком електрод Кларка - електрохімічний сенсор для визначення кисню. Наприкінці 50-х років Кларк ввів у свій електрод глюкозоксидазу, що дозволило визначати глюкозу у крові з високою чутливістю. Перший масовий прилад на продаж створила фірма Yellow Springs Instrument. Нині домашні глюкометри визначення глюкози у крові становлять 95% світового ринку електрохімічних приладів. Відомо, що при цьому потрібен дуже малий об'єм крові, особливо в мікрокулонометричних глюкометрах, створених А. Хеллером в Техаському університеті (Остін, США). Вирішується, поки що без особливого успіху, завдання визначення

цукру на крові неинвазивным шляхом, тобто. взагалі без добору крові.

Для діагностики легеневих захворювань (та й не тільки легеневих) перспективний аналіз повітря, що видихається. Ще давні лікарі намагалися за запахом видихуваного повітря визначити, на що хвора людина. Склад видихуваного повітря починав досліджувати Лавуазьє. У ХІХ столітті у цьому повітрі вже знаходили ацетон та етанол; велику кількість летких органічних речовин визначав у повітрі, що видихається, Лайнус Полінг у 70-х роках минулого століття, використовуючи мікроконцентрування. Давно відомо, що наявність ацетону в повітрі, що видихається, служить ознакою діабету. В останні роки аналізу повітря, що видихається, приділяють багато уваги і аналітики, і медики. Залучаються різні методи, насамперед газова хромато-мас-спектрометрія, газова хроматографія з іншими детекторами, а також лазерна спектроскопія.

Завдання такого аналізу досить складне, як мінімум, з двох взаємопов'язаних причин. По-перше, речовини, що є маркерами захворювань, можуть бути і в зовнішньому повітрі, яким дихає пацієнт. Це означає, що необхідно проводити контрольні експерименти, а й оцінювати дуже невеликі зміни у вмісті цих речовин. По-друге, абсолютні кількості речовин-маркерів, що виділяються, зазвичай дуже малі, і виявити їх можна лише найчутливішими методами. Тим не менш, подібні визначення не тільки можливі, але вже здійснюються; цьому напрямку присвячені сотні робіт.

При використанні хроматографічних методів проблему вирішують, використовуючи найчастіше сорбцію речовин, що визначаються, наступну термодесорбцію і визначення газової хромато-мас-спектрометрією. У дослідному центрі Менссана Рісерч (США) було досліджено проби видихуваного повітря кількох десятків людей і виявлено 3500 з'єднань, але лише 27 їх були загальними всім обстежених людей. Найпоширенішим летючим органічним компонентом повітря, що видихається, виявився ізопрен - проміжний продукт синтезу холестерину. Практично завжди у пробах присутні алкани, зокрема з великою молекулярною масою. Американське Агентство з харчових продуктів і лікарських препаратів (Food and Drug Administration) вже давно схвалило застосування аналізу повітря, що видихається, як тесту для оцінки стану хворих, які перенесли операції на серці.

З аналізом повітря, що видихається пов'язують і перспективи ранньої діагностики раку легень. У хворих у повітрі, що видихається зростає концентрація алканів і метилалканів (С4-С20). Для

ХІМІЧНИЙ АНАЛІЗ І МЕДИЦИНА

діагностики досить визначити дев'ять вуглеводнів: бутан, пентан, 3-метилтридекан, 7-метил-тридекан, 4-метилоктан, 3-метилгексан, гептан, 2-метилгексан, 5-метилдекан. Ці вуглеводні присутні на рівні нано- або пікомолів, тому для їх визначення потрібне попереднє концентрування на адсорбентах, що не поглинають вологу.

Фізики-спектроскопісти для аналізу повітря, що видихається використовують діодні лазери, що випромінюють в ІЧ-діапазоні (Інститут загальної фізики РАН). Цими методами можна визначати насамперед низькомолекулярні прості сполуки, включаючи оксиди азоту, аміак, монооксид вуглецю, пероксид водню, а також метан, метанол, етанол, сірковуглець та інші сполуки в діапазоні від 0.1 до 10 мг/м3, а також проводити ізотопний аналіз (13С/12С).

Багато робіт присвячується оцінці окислювального (оксидативного) стресу. Це та область, де професійні аналітики у Росії останніми роками активно працюють.

БРУСНИКІНА ОЛЬГА ОЛЕКСАНДРІВНА, ПІСКІВ АНАТОЛІЙ МИКОЛАЄВИЧ - 2014 р.