Определение эссенциальных и токсичных элементов в моче методом ICP-MS для диагностических исследований и оценки рисков здоровью населения

Автор: Уланова Т.С., Гилева О.В., Стенно Е.В., Вейхман Г.А., Недошитова А.В.

Журнал: Анализ риска здоровью @journal-fcrisk

Рубрика: Экспериментальные модели и инструментальные исследования

Статья в выпуске: 3 (7), 2014 года.

Бесплатный доступ

Представлены результаты разработки методики определения 12 элементов в моче с использованием квадрупольного масс-спектрометра с индуктивно-связанной плазмой Agilent 7500cx (USA) с октопольной реакционно/столкновительной ячейкой (ORS) в реакционном режиме. Образцы мочи анализировались непосредственно после разбавления 1/10 1% водным раствором HNO 3. Правильность результатов подтверждена анализом стандартных образцов мочи Seronorm TM urine (Norway). Разработанная методика позволяет точно и достоверно определять ванадий, хром, марганец, никель, медь, цинк, селен, стронций, кадмий, титан и свинец в образцах мочи. Предел определения для V, Cr, Mn, Ni, Sr, Cd, Tl, Pb составляет 0,1 мкг/дм 3, для Сu 1,0 мкг/дм 3, для Se 5,0 мкг/дм 3, для Sr и Zn 50,0 мкг/дм 3 с погрешностью определения, не превышающей 25 %. Исследования биосубстратов детского населения Пермского края, проживающего в экологически благополучных условиях, выполненные разработанным методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой, позволили установить фоновые уровни содержания 12 элементов как критериев сравнения для задач гигиенических оценок, эпидемиологических исследований, обследований, экспертиз.

Еще

Метод масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (icp-ms), октопольная реакционно/столкновительная ячейка, внутренний стандарт, моча

Короткий адрес: https://sciup.org/14237881

IDR: 14237881

Текст научной статьи Определение эссенциальных и токсичных элементов в моче методом ICP-MS для диагностических исследований и оценки рисков здоровью населения

но прямые методы определения токсичных соединений и элементов в биологических средах человека являются неоспоримым доказательством неблагоприятного техногенного воздействия, а в совокупности с маркерами эффекта – причиненного вреда здоровью [7, 15].

В настоящее время для высокоточных и селективных определений большого спектра элементов используется метод масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS). Сочетание таких характеристик, как низкие пределы обнаружения, высокая воспроизводимость, широкий диапазон определяемых концентраций, низкий расход анализируемых веществ и возможность выполнения анализа с минимальным объемом, обеспечивает высокую информативность метода для определения микро- и ультрамикросодержаний в биологических жидкостях [12].

С точки зрения доступности наиболее распространенным неинвазивным объектом исследования биологических сред человека является моча. В то же время основной проблемой при определении элементов в моче является высокое содержание солей – хлоридов, сульфатов, фосфатов, которое значительно повышает матричное влияние и ведет к завышению результатов анализа за счет интерференционных помех [6, 8, 11].

Цель данного исследования – разработка высокочувствительного и точного метода количественного определения V, Cr, Mn, Ni, Сu, Zn, As, Se, Sr, Cd, Tl, Pb в моче как маркеров экспозиции в условиях воздействия химических факторов среды обитания.

Материалы и методы. Количественное определение V, Cr, Mn, Ni, Сu, Zn, Se, Sr, Cd, Tl, Pb в образцах мочи осуществляли на квадрупольном масс-спектрометре с индуктивно-связанной плазмой Agilent 7500cx (USA) с октопольной реакционно/столк-новительной ячейкой (ORS). Использование ORS позволяет избавиться от влияния поли-атомных ионов за счет их столкновений или реакций с атомами газа, заполняющими ячейку. В качестве газа ячейки использовали гелий. Экспериментально было установлено значение скорости потока гелия 5,0 мл/мин, позволяющее значительно снизить поли-атомные наложения при сохранении высокого уровня чувствительности. Мощность высокочастотного сигнала 1550 Вт. Для введения проб использовалась двухканальная распылительная камера Скотта. Температура распылительной камеры 2,0 °С. Скорость подачи образца в распылительную камеру составляла 0,4 мл/мин. Скорость работы детектора – ≥ 100 мкс на 1 ион. В качестве газа-реактанта использовался гелий. Для настройки применяли раствор 7Li, 59Co, 89Y и 205Tl в 2 % HNO3 с концентрацией 1 мкг/л для каждого элемента (Tuning Solution, USA). Соотношения 140Ce16O+/140Ce+ + составляли < 1 %, а для 140Ce2+/140Ce+ + < 3 %. Использовали жидкий аргон высокой чистоты 99,99 % (ТУ-2114-005-00204760-99). Максимальная скорость потока аргона составляла 20 л/мин, давление в канале подводки газа 700±20 кПа, Тплаз-мы = 8000–10000 К. Автоматизация процесса проведения анализа обеспечивалась автосэмплером марки G3160B (Germany). В качестве основного стандартного раствора использовали раствор, содержащий 27 элементов с концентрацией 10 мг/л в 5 % водном растворе HNO3 (Multi-Element Calibration Standard-2A, USA). Для приготовления градуировочных растворов и подготовки проб использовали особо чистую HNO3 (Sigma – Aldrich, USA). Концентрации градуировочных растворов для определения Cd и Tl составляли 0,0; 0,1; 0,5; 1,0 мкг/л, для Mn, Ni, Cr, V, Se, Cu – 0,0; 0,1; 0,5; 1,0; 5,0 мкг/л, для As, Sr, Zn – 0,0; 1,0; 5,0; 10,0; 50,0 мкг/л соответственно. Для приготовления растворов внутреннего стандарта (ВС) использовали комплексный стандартный раствор 209Bi, 73Ge, 115 In, 6Li, 45Sc, 159Tb, 89 Yс с концентрацией 10 мг/л в 5 % водном растворе HNO3 (Internal Standard Mix, USA). В качестве внутреннего стандарта для определения Pb и Tl применяли 159Tb, при определении Cd – 115 In, а для остальных элементов – 72Ge, вследствие близости потенциалов ионизации и атомной массы.

Все растворы разбавляли деионизированной водой с удельным сопротивлением 18,2 Mом∙см, очищенной в системе Milli-Q Integral (Millipore SAS, France). Холостую пробу готовили аналогично рабочей. Для подготовки к анализу лабораторной посуды из стекла, тефлона, полипропилена использовали ультразвуковую мойку Elmasonic S 100H (Germany). Посуду выдерживали 20 мин в бидистиллированной воде при 55 °С, далее 20 мин в водном растворе азотной кислоты (1:5) при 55 °С, далее 20 мин в деионизованной воде при 55 °С.

Стандартные образцы мочи SeronormTM urine (LOT 0511545, Sero AS, Billingstad, Norway) разбавляли в 5 мл деионизированной воды.

Отбор проб утренней мочи производили в стерильные полипропиленовые контейнеры на 125 мл с винтовой крышкой (F.L.Medical S.r.l., Torreglia, Italy). Для последующего масс-спектрометрического исследования к 0,5 мл мочи добавляли 4,45 мл

1 % водного раствора HNO 3 и 0,05 мл раствора внутреннего стандарта.

Результаты и их обсуждение. Разработанная методика определения 12 элементов в моче методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой отличается от действующих в настоящее время МУК 4.1.1483-03 [10] отработанной схемой про-боподготовки для минимизации матричных эффектов, выбором внутреннего стандарта для каждого определяемого элемента, использованием столкновительной ячейки с гелием для коррекции полиатомных интерференций. Методика аттестована центром «Сертимет» (№ 88-16374-102-01.00076) и зарегистрирована в Федеральном информационном фонде по обеспечению единства измерений ФР.1.31.2014.17064.

Диапазоны измерений массовых концентраций V, Cr, Mn, Ni, Сu, Zn, As, Se, Sr, Cd, Tl, Pb и предел обнаружения (LOD) приведены в табл. 1.

Таблица 1

Диапазоны измерений в моче и пределы обнаружения в растворе, мкг/дм3

Наименование определяемого элемента

Массы изотопов, используемых при измерении

Диапазон измерений в моче, мкг/дм3

Показатель точности (границы относительной погрешности при Р = 0,95), ± δ , %

Предел обнаружения (LOD)в растворе, мкг/дм3

Ванадий

51

0,1–50,0

15–23

0,01

Хром

53

0,1–100,0

14–23

0,01

Марганец

55

0,1–100,0

14–25

0,01

Никель

60

0,1–100,0

15–22

0,01

Медь

63

1,0–200,0

14–20

0,1

Цинк

66

50,0–1000

13

5

Мышьяк

75

1,0–100,0

14

0,1

Селен

82

5,0–500,0

16

0,5

Стронций

88

50,0–1500

12

5

Кадмий

111

0,1–50,0

16–23

0,01

Таллий

205

0,1–50,0

15–19

0,01

Свинец

206

0,1–500,0

15–23

0,01

Правильность результатов определения 12 элементов в моче подтверждена анализом стандартных образцах мочи SeronormTM urine ( n = 5, рисунок).

Обобщенные результаты исследований анализа стандартных образцов мочи, полученные с использованием разработанного метода, показывают, что погрешность при определении всех элементов составляет от 2 до 5 %.

Разработанная методика определения была отработана на территориях Пермского края с минимальной антропогенной нагрузкой и позволила получить результаты, представленные в табл. 2.

Минимальный уровень аттестованного значения

Максимальный уровень аттестованного значения

Экспериментально найденные значения

Рис. Результаты определения микроэлементов относительно сертифицированных значений в образцах SeronormTM urine

Таблица 2

Фоновые уровни содержания элементов в моче детского населения Пермского края, полученные методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ICP–MS), мкг/дм3

Определяемый элемент

Фоновые уровни ( n = 73), M ± m , мкг/дм3

Референтные уровни, мкг/дм3, по Тицу [11]

Марганец

0,93±0,3

0,5–10,0

Мышьяк

13,0±2,5

5,0–50,0

Никель

2,2±0,56

0,1–10,0

Свинец

1,2±0,17

< 80,0

Стронций

166,0±26,0

20,0–350,0 [10]

Хром

1,4±0,13

0,1–2,0

Медь

12,0±2,0

2,0–80,0

Цинк

240,0±40,0

180,0–850,0

Кадмий

0,2±0,2

0,5–4,7

Ванадий

0,6±0,1

0,08–0,24

На основании выполненных исследований образцов мочи детского населения можно заключить, что разработанная методика позволяет получать достоверные данные, сопоставимые с референтными концентрациями, используемыми в качестве критериаль- ных оценочных величин в клинических исследованиях и доказательной медицине.

Выводы. Таким образом, отработанная схема подготовки образцов, оптимальные элементы внутреннего сравнения, отработанный комплекс инструментальных на- строек масс-спектрометра с индуктивносвязанной плазмой, в том числе октополь-ной реакционно/столкновительной ячейкой, позволили минимизировать матричное и интерференционное влияния солевого состава мочи на этапе пробоподготовки.

Разработанная методика позволяет точно и достоверно определять V, Cr, Mn, Ni, Сu, Zn, As, Se, Sr, Cd, Tl, Pb в образцах мочи, предел определения для V, Cr, Mn, Ni, Sr, Cd, Tl, Pb составляет 0,1 мкг/дм3, для Сu – 1,0 мкг/дм3, для Se – 5,0 мкг/дм3, для

Sr и Zn – 50,0 мкг/дм3 с погрешностью определения, не превышающей 25 %.

Исследования мочи детского населения Пермского края, проживающего в экологически благополучных условиях, выполненные разработанным методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой, позволили установить фоновые уровни содержания V, Cr, Mn, Ni, Сu, Zn, As, Se, Sr, Cd, Tl, Pb в моче как критерии сравнения для задач гигиенических оценок, эпидемиологических исследований, обследований, экспертиз.

Список литературы Определение эссенциальных и токсичных элементов в моче методом ICP-MS для диагностических исследований и оценки рисков здоровью населения

  • Актуальные проблемы управления состоянием окружающей среды и здоровьем населения/Г.Г. Онищенко, В.Б. Гурвич, С.В. Кузьмин, С.В. Ярушин//Уральский медицинский журнал. -2008. -№ 11. -С. 4-10.
  • Зайцева Н.В. Диагностика и коррекция экологически обусловленных состояний у детей. Региональные проблемы//Экологически обусловленные заболевания человека: методологические проблемы и пути их решения: материалы пленума/под ред. Ю.А. Рахманина. -М., 2000. -С. 3-5.
  • Зайцева Н.В., Май И.В., Клейн С.В. К вопросу установления и доказательства вреда здоровью населения при выявлении неприемлемого риска, обусловленного факторами среды обитания//Анализ риска здоровью. -2013. -№ 2. -С. 14-26.
  • Май И.В., Хорошавин В.А., Евдошенко В.С. Алгоритм и методы санитарно-эпидемиологического расследования нарушений прав граждан на благоприятную окружающую среду обитания с этапом оценки риска для здоровья//Здоровье населения и среда обитания. -2010. -№ 11. -С. 28-30.
  • Методические подходы к оценке рисков воздействия разнородных факторов среды обитания на здоровье населения на основе эволюционных моделей/Н.В. Зайцева, В.П. Трусов, П.З. Шур, Д.А. Кирьянов, В.М. Чигвинцев, М.Ю. Цинкер//Анализ риска здоровью. -2013. -№ 1. -С. 15-22.
  • МУК 4.1.1483-03. Методы контроля. Химические факторы. Определение содержания химических элементов в диагностируемых биосубстратах, препаратах и биологически активных добавках методом масс-спектромерии с индуктивно связанной аргоновой плазмой. -М.: Минздрав России, 2003. -С. 28.
  • Определение токсичных веществ в биосредах для установления реальной химической нагрузки/М.Т. Дмитриев, Е.Г. Растянников, А.Г. Малышева [и др.]//Гигиена и санитария. -1986. -№ 3. -С. 48-50.
  • Определение химических форм микроэлементов в биологических объектах/Н.Б. Иваненко, Н.Д. Соловьев, А.А. Иваненко, Л.Н. Москвин//Аналитика и контроль. -2012. -Т.16, № 2 -С. 108-133.
  • Рахманин Ю.А., Румянцев Г.И., Новиков С.М. Методические проблемы диагностики и профилактики заболеваний, связанных с воздействием факторов окружающей среды//Гигиена и санитария. -2001. -№ 5. -С. 3-7.
  • Скальный A.B., Рудаков И.А. Биоэлементы в медицине. -М.: ОНИКС, 2004. -272 с.
  • Тиц Н. Клиническое руководство по лабораторным тестам. -М.: ЮНИМЕД-пресс, 2003. -960 с.
  • Уланова Т.С. Новые направления в физико-химических исследованиях в рамках социально-гигиенического мониторинга//Гигиенические и медико-профилактические технологии управления рисками здоровью населения. -Пермь, 2011. -С. 41-44.
  • Ong C.N., Shen H.M., Chia S.E.Biomarkers for male reproductive health Hazards: are they Available//Toxicology Letters. -2002. -Vol. 134, № 1-3. -С. 17-30.
  • Phillips D.H. DNA Adduts as Markers of Exposure and Risk. Mutation Research//Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis. -2005. -Vol. 577, № 1-2 spec. Iss. -P. 284-292.
  • Schulte P.A., Talaska G. Validity Criteria fro the Use of Biological Markers of Exposure to Chemical agents in environmental Epidemiology//Toxicology. -1995. Vol. 101, № 1-2. -С. 73-88.
  • WHO In formation Fast Sheet. -1997. -№ 170. -Р. 1-3.
Еще
Статья научная