определение тяжелых металлов в волосах человека методами

2(14) ‘2008
УК Р АШ СЬК И Й Ж УР Н АЛ 3 П РО Б ЛЕМ М ЕДИ Ц И Н И ПРАЩ
Ц1 663.97:546:3:54.062
О П Р Е Д Е Л Е Н И Е ТЯ Ж Е Л Ы Х М Е Т А Л Л О В В В О ЛО С А Х
ЧЕЛОВЕКА М ЕТО Д А М И ДИФ Ф ЕРЕН ЦИ АЛЬН О Й
И М П У Л Ь С Н О Й П О Л Я Р О ГР А Ф И И И
Р Е Н ТГЕ Н О В С К О Й Ф Л У О Р Е С Ц Е Н ТН О Й
С П Е К ТР О С К О П И И
Дж апарилзе А ж .И .1, Ш авгулиАзе Н.В.1, Хавтаси Н.С.1, Енукилзе Л .Г .1,
Харисчаришвили И З . 2, Кириленко Е.К .3, Гальченко С.Н.4
’И нститут неорганической химии и электрохимии им. Р. И. Агладзе, г.Тбилиси, Грузия,
2Центр медицинской элементологии «Биоэлемент», г.Тбилиси, Грузия,
3Научно-технический центр «Вириа», г.Киев, Украина,
4Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко, г.Киев, Украина.
Статья посвящена актуальной проблеме сегодняшнего дня —микроэлементному анализу биосубстратов. Рассмот­
рено влияние токсических элементов на организм человека. Основное внимание уделено возможностям двух ана­
литических методов анализа биопроб: дифференциальной импульсной полярографии (ДИП) и рентгеновской
флуоресценции (РФА). Представлены результаты применения методики одновременного определения ионов
РЬ(Н), 2п( II) и Си(Н) в волосах человека методами ДИП и РФА, проведена их сравнительная оценка.
Ключевые слова: дифференциальная импульсная полярография, рентгеновская флуоресценция,
биопроба, микроэлементный анализ
Введение
В последние годы анализ биологических о б ъ ек ­
тов стал одной из основных областей применения
инструментальных методов анализа, так как такие
исследования актуальны при диагностике врож ­
денных патологий, профессиональных заб о л ев а­
ний, связанных со спецификой промышленного
производства, экологически обусловленных за б о ­
леваний и т. д.
Н едостаток ж изненно важны х элем ентов в
питьевой воде, промыш ленное загрязнение окру­
жаю щ ей среды токсичными и радиоактивными
элементами, неполноценное питание,болезни, н е­
которые лекарственны е средства могут приводить
к возникновению заболеваний, в основе которых
леж ит дефицит, избыток или дисбаланс м икроэле­
ментов в организме. Д ля оценки уровня содерж а­
ния микроэлементов в организме человека, наряду
с такими диагностическими биосубстратами как
кровь, моча, ногти, хорошей информативностью
обладают волосы. Д ля волос характерна ф иксиро­
ванная динамика роста (0 ,2 —0,5 мм в д ен ь), в с в я ­
зи с чем наиболее адекватной для оценки микроэлементного статуса организма, на момент о б сл е­
дования, является прикорневая часть волос. Э л е­
менты, которые с кровью попадают в клетки во-
58
лос, в минеральный обмен организма включаются
с существенным затруднением. В волосах проис­
ходит концентрирование микроэлементов, в отли­
чие от крови, которая, в основном, выполняет в
организме транспортную функцию [1,2]. Волосы
наиболее полно отраж аю т уровень содержания
как токсичных (свинец, кадмий, мышьяк и т. д.),
так и жизненно необходимых элементов (цинк, с е ­
лен, ж елезо и т. д.). М икроэлементный состав кро­
ви первым реагирует на повышение уровня содер­
жания тяж елых металлов, но может не отраж ать
истинный уровень их содержания в организме. П о ­
этому важно исследование таких биосубстратов,
которые наиболее полно отражаю т элементный
статус во всем организме. В этом отношении наи­
более информативными являю тся волосы.
Исследование микроэлементов в волосах дает
возм ож ность вы явить наличие патологических
процессов на предклинической стадии, что позво­
ляет внести соответствующую корректировку в
профилактику заболевания. Все это имеет боль­
шое значение для превенции многочисленных з а ­
болеваний. Особую пользу анализ волос может
принести при изучении влияния на организм чело­
века некоторых микроэлементов и отдельных т я ­
желых металлов [3,4,5]. Данные анализа волос по-
л и ш »
Щ ‘2008
называют, что отравления тяжелыми металлами в
настоящее время встречаются все чаще. Химичес­
кий анализ волос, взятых у людей, живущих сегод­
ня, и у людей, умерших несколько столетий назад,
показывает, что содержание металлов в волосах
выросло в 1000 раз, что конечно, связано с резким
ухудшением экологической среды.
Тяжелые металлы вызывают различные заб о ле­
вания. Например, медь относится к эссенциальным
микроэлементам, то есть элементам, которые иг­
рают особо важную роль в процессах ж изнедея­
тельности организма, при хронической интоксика­
ции вы зы вает нарушения функции нервной систе­
мы, печени и почек. Цинк такж е относится к эссен­
циальным м икроэлем ентам , однако высокий
уровень цинка в организме человека, в первую
очередь, отражается на уменьшении активности
ряда ферментативных систем. Свинец — один из
самых высокотоксичных микроэлементов. Его по­
вышенное содержание в организме человека влия­
ет на нервную систему (нейропатия), почки (н еф ­
ропатия), сердечно-сосудистую систему.
Наиболее испытанными методами анализа во­
лос являю тся атомно-абсорбционная спектроско­
пия, вольтамперометрия и рентгенофлуоресцен­
тный метод [6].
Ранее были установлены оптимальные условия
определения ионов РЬ(Н), Сс1(П), Z n(II), Си(П), Ре в
крови и сыворотке крови человека методом диф фе­
ренциальной импульсной полярографии (Д И П ) [7].
В настоящей работе представлены результа­
ты разработанной в Институте неорганической
химии и электрохимии им. Р. И. Агладзе (Гру1зия) методики одновременного определения
ионов РЬ(Н), 2п(П ) и Си(П) в волосах человека
методом Д И П . Проведено сравнение получен­
ных результатов с результатами рентгенофлуо­
ресцентного анализа.
Украинским государственным Н П Ц стандартиза­
ции, метрологии и сертификации УкрЦ СМ ).
Чувствительность метода Д И П находится в п ре­
делах 5- 10“ 8—10“ 3 м оль/л, в связи с этим даже
самые незначительные примеси в волосах могут
исказить анализируемую картину. При проведении
анализа волос необходимо избавиться от примесей,
которые могут присутствовать вследствие выделе­
ния пота, обработки волос шампунем, бальзамом,
краской для волос и т. д. [8]. На сегодняшний день
предложено более 15 методов промывки подготов­
ленных для анализа волос [9]. П еред проведением
исследований волосы тщ ательно промывались ац е ­
тоном. Качество промывки подтверждалось отсут­
ствием каких-либо дополнительных сигналов на
фоновой вольтамперной кривой.
Предварительно были сняты полярографичес­
кие кривые стандартных растворов на фоне 0,1М
НС1, содержащие ионы меди, свинца и цинка в от­
дельности и при их совместном присутствии в рас­
творе (рис. 1).
А нализ свинца (II), меди (II) и цинка (II) в в о ­
лосах заклю чается в следую щ ем. О тбираю т про­
бу волос (прим ерно 1,0 г) с заты лочной части го­
ловы . Их помещ аю т в чаш ку П етри и промываю т
ацетоном для удаления примесей. З атем т щ а ­
тельн о, дваж ды промы ваю т дистиллированной
водой и суш ат на ф ильтровальной бумаге. В зв е ­
ш иваю т 1,0 г сухих волос и пом ещ аю т в н еб о л ь­
шой кварцевы й стакан. С такан помещ аю т в му­
Материалы и методы исследования
Измерения проводили на полярографе ПУ-1
в режиме Д И П с ртутным капельным эл ек­
тродом по трехэлектродной схеме в терм оста­
тированной ячейке. Концентрации элементов
(медь, цинк, свинец, кадмий) в параллельных
пробах волос измерялись на рентгенофлуорес­
центном спектром етре С Э Р -01 « Э л в акс»
(«М етодика проведения измерений массовой
доли химических элементов в волосах человека
рентгеноф луоресцентны м методом», М В И
№ 0 8 1 /1 2 -4 5 0 2 -0 0 от 21.07.00, аттестована
Рис. 1. Полярограммы Си (II), Pb (II) и 7м (II) в I г волос
на фоне 0,1 моль/ а HCl: I-Си (II), 2-Pb (И), 3-Zn (II); Г, 2’
3 ’-соответствующие стандарты.
59
2(14) '2008
УКРАЇНСЬКИЙ ЖУРНАЛ З ПРОБЛЕМ МЕДИЦИНИ ПРАЦІ
К ли л я
534
Отсчёты: 289?
З н - р г и « 10 527961
Элемент: 82 P b
й*рх:
7 4P
Нііз: О
Рис. 2. Рентгено-флуоресцентный спектр пробы волос пациентки А.
фельную печь и подвергаю т термической о б р а ­
ботке в течение 1 часа при тем пературе 400 °С.
Полученный пепел растворяю т сначала в 1 мл
1 м о л ь /л H N 0 3, а затем добавляю т 1 мл 1
м о л ь/л НС1. П осле этого раствор вы париваю т, а
осадок растворяю т в 10 мл 0,1 м о л ь/л HCI. П о ­
лученный раствор помещ аю т в п о лярограф и чес­
кую ячейку и затем снимаю т полярограф ические
кривые от 0 до -1 ,2 В. К оличественное о п р ед ел е­
ние ионов м еталлов в пробе проводят методом
добавок. Д л я этого в ячейку, после получения
первой полярограм мы , добавляю т стандартны е
растворы , содерж ащ ие известное количество м е­
ди (2 м кг/м л — 8 м кг/м л), свинца (0 ,3 м кг/м л —
1,2 м кг/м л ), цинка (0 ,0 5 м г/м л - 0,2 м г/м л ) и
снимаю т вторую полярограмму. Д ля у стан о в л е­
ния степени воспроизводимости эксперим ента
опыты повторялись несколько раз в аналогичных
условиях. С тепень воспроизводимости опы тов
составила ± 1,5 % .
Таким образом, были построены полярограммы
(дифф еренциально-им пульсны е кривые восстановления)для Pb( II), Z n(Il) и Си(11) в I г волос ч е­
ловека на фоне раствора 0,1 м оль/л HCI. Все три
микроэлемента дают четко выраженные пики при
строго определенных значениях потенциалов, со ­
ответствующих потенциалам полуволн исследуе­
мых микроэлементов (см. рис.1).
БО
П редставляет интерес сопоставление получен­
ных нами данных по содержанию микроэлементов в
волосах человека, сданными, полученными другим
методом. На сегодняшний день, одним из передо­
вых методов анализа биосубстратов, в том числе
волос, является метод рентгеновской флуоресцен­
тной спектроскопии. Этот метод, в отличие от ф и­
зико-химических методов, обеспечивает экспрессанализ по всем элементам одновременно, в одном
измерении, и, в большинстве случаев, не требует
специальной обработки пробы.
Д ля анализа волос методом рентгеновской ф лу­
оресцентной спектроскопии, необходимо срезан ­
ные с заты лка волосы очистить от внешних загр я з­
нителей. Очистка производится сначала в ацетоне,
затем — в бидистиллированной воде. Затем 50 мг
волос измельчают, к ним добавляю т связующий
органический компаунд без примесей металлов.
Смесь высушивают, и из этой массы изготавлива­
ют таблетку диаметром 10 мм, толщиной не более
2 мм и массой 50 мг. Затем таблетку анализируют
на приборе С Е Р -01 на протяж ении 10 мин.
Спектр флуоресценции состоит из ряда аналити­
ческих линий. Каждой линии отвечает энергия
ф луоресцентного излучения, характерная для
атомов данного элемента (рис. 2.).
И нтенсивность спектральны х линий зависит от
концентрации элем ентов в пробе. Ч увствитель­
Ш
2(14) '2008
Таблица 1
С р а в н ен и е р езу л ь та т о в о п р ед е л е н и я и о н о в Р Ь (11), 2 п (1 1 ) и С и (И ) в в о л о с а х ч е л о в е к а ,
пол учен н ы х м ет о д а м и р е н т ген о в ск о й ф л у о р е с ц е н т н о й сп ек т р о ск о п и и и Д И П
Ионы
Си(И)
Pb(II)
Zn(II)
Метод рентгеновской
флуоресцентной
спектроскопии (мкг/г)
II проба
I проба
8,30
0,47
77,00
11,80
1,40
39,80
Метод ДИП
(мкг/г)
Отклонение в %
I проба
И проба
I проба
II проба
10,80
0,74
86,75
14,40
1,89
44,21
23,20
36,50
9,70
18,10
25,90
11,20
Таблица 2
С р а в н ен и е р езу л ь та т о в со о т н о ш е н и я и о н о в Р Ь (Н ), 2 п ( П ) и С и (П ) в в о л о с а х ч е л о в е к а ,
п ол учен н ы х м етодам и р ен т ге н о в с к о й ф л у о р е с ц е н т н о й сп е к т р о с к о п и и и Д И П
Соотношение
ионов
Cu/Pb
Zn/Cu
Zn/Pb
Метод рентгеновской
флуоресцентной
спектроскопии
I проба
11 проба
17,66
8,43
9,28
3,37
163,83
28,43
ность спектром етра для больш инства элем ентов
составляет 1 ppm (1 м кг/г). П овы сить чувстви­
тельность можно различными методами концен­
трирования. Следует подчеркнуть, что для с р а в ­
нения результатов одна и та ж е проба волос пос­
ле проведения измерений на приборе С Э Р -01
подготавливалась для снятия полярограмм м ето­
дом Д И П .
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты, полученные методами Д И П и рент­
геновской флуоресцентной спектроскопии можно
сравнить (табл. 1).
Среднее отклонение результатов анализа сос­
тавляет 21 % и допустимо при сравнении различ­
ных систем измерения концентраций химических
элементов. Например, для такого химического э л е ­
мента, как ж елезо, концентрация которого изм еря­
лась следующими методами АА, ICP, INAA, XRF,
или ж е для титана -АА, C O L, ICP, XRF стандартное
отклонение находится в диапазоне 2 0 —30 % [ 10].
Возможная причина отклонения результатов изм е­
рений связана с проведением градуировочных р а­
бот с применением различных тестовых образцов.СЭР-01 градуировался по стандартным о б р аз­
цам растворов ионов металлов, которые изготав­
ливаются Физико-химическим институтом им. А. В.
Богатского НАН Украины в г. Одесса, и применя­
ются для градуировки, аттестации и поверки анали­
Метод ДИП
I проба
14,59
8,03
117,23
II проба
7,62
3,07
23,39
Отклонение в %
I проба
17,35
13,42
28.44
II проба
9,6
8,98
17.72
тических приборов (фотоколориметры, спектроф о­
тометры, атомно-абсорбционные спектроф отомет­
ры и др.). Учитывая, что использованные нами м е­
тодики измеряют элементы (медь, свинец и цинк)
одновременно, есть основания предполагать, что
соотношение элементов должно быть более ст а ­
бильным. Поэтому, в данном случае лучше сравни­
вать не абсолютные величины содержания эл е­
ментов в волосах, а их соотношение, и тем самым
исключить возможную причину расхождения р е­
зультатов (табл. 2).
Тем более что и с медицинской точки зрения, ни
один биохимический или физиологический процесс
не связан с каким либо одним отдельно взятым эл е­
ментом. Во взаимодействии микроэлементов в о б ­
мене веществ наблюдаются физиологический си ­
нергизм и антагонизм. Синергизм это, когда при­
сутствие одного элемента, усиливает активность
другого. Антагонизм наблюдается в том случае,
когда действие одного элемента направлено против
действия другого.
Одним словом, важен не только уровень содер­
жания — недостаточное или избыточное поступле­
ние в организм определенных микроэлементов, но
особенно значимым является соотношение микро­
элементов [11].
Действительно, исключив погрешность, вноси­
мую различными методами градуировки приборов,
среднее отклонение уменьш илось до 16 % (см.
табл. 2).
61
2(14) ‘2008
РАЇНСЬКНЙ *У Р Н 1 З П Р ІІБІ1ЕМ МЕДИЦИНИ ПРЙЦ
ш
Выводы
1. Стандартное отклонение для абсолютных вели­
чин концентраций цинка, меди и свинца, полу­
ченных с помощью методик, представленных в
данной работе (методика одновременного оп­
ределения ионов РЬ(II), 2п(\\) и Си(П) в воло­
сах человека методом Д И П и методика вы пол­
нения измерений массовой доли химических
элементов в волосах человека рентгенофлуо­
ресцентным методом), составляет 21 %.
2. Для соотношения концентраций этих элементов
стандартное отклонение составляет 16 %.
Литература
1. Харисчаришвили И. 3., ГЬргошидзе Б. Е. Анализ
микроэлементного состава волос рентгено-флуоресцентным методом и его значение в деле диагностики
заболеваний человека / / Экспериментальная и кли­
ническая м ед и ц и н а - 2 0 0 6 - № 7 (3 2 ).-С. 65-67.
2. ГЬргошидзе Б. Е., Харисчаришвили И. 3. Воп­
росы медицинской элементологии и значение опре­
деления микроэлементов в биосубстратах для диаг­
ностики и профилактики заболеваний репродуктив­
ной системы / / Экспериментальная и клиническая
м еди ц и на.- 2 0 0 6 .- № 6(31).- С. 60 -6 3 .
3. Салам Мухамед Ратеб. Петров С. И. Определе­
ние микропримесей меди (II), свинца (II) и кадмия (II)
в пищевых продуктах методом инверсионной вольтамперометрии / / Ж . анал. хи м и и .- 1 9 8 4 .-Т.XXXIX,
вып. 1 2 ,- С. 2 1 7 2 -2 1 7 4 .
4. Микроэлементы в питании человека. Доклад
комитета экспертов В О З.- М.: М едицина, 1 9 7 5 ,№ 5 3 2 ,- 73с.
5. Трахтенберг И. М., Колесников В. С., Луковенко
В. М. Тяжелые металлы во внеш ней ср ед е.- Минск:
«Навука 1 тэхнша», 1 9 9 4 ,- 2 85 с.
3. Как показали исследования, метод Д И П и м е­
тод рентгеновской флуоресценции могут ус­
пешно применяться для определения тяжелых
металлов в бнопробах, в частности, в волосах
человека.
4. Показатели динамики соотношений элементов,
полученные методами Д И П и рентгеновской
флуоресценции, могут быть основой для созда­
ния новых способов донозологической диагнос­
тики, позволяющих обеспечить проведение м о­
ниторинга, направленного на снижение заб о ­
леваемости и сохранение здоровья населения.
6. Осипова Е. А. Электроаналитические методы и
проблема охраны окружающей среды / / Соросовский
Образовательный Ж урнал,- 2 0 0 1 .- № 2 ,- С. 4 7-54.
7. Шавгулидзе Н. В., Габричидзе О.А., Енукидзе Л.
Г., Лежава Н. Г., ГЬрхард В ., Д ж апаридзе Дж. И. Поля­
рографическое определение ионов свинца, цинка,
м еди и кадмия в крови и сы воротке крови / /
Georgian engineering n ew s.- 2 0 0 4 .- № 2 .- С. 101 -1 0 3 .
8. Ryan D. F., Holzbecher I., Stuart D.C. TVace ele­
m ents in scalp-hair of persons with m ultiple sclerosis
and of normal individuals / / Clin. chem . - 1 9 7 8 ,V. 2 4 , - P. 1 9 9 6 -2000.
9. A ssanlan G. S.. O benleas P - Ibid.- 1 9 7 7 ,- V. 2 3 .P. 1 7 7 1 -1772.
10. C ertificate of Certified R eference M aterials.
Issued in 2 0 0 4 , Approved by China National Analysis
Center for Iron and Steel.
1 I. Федосеенко М. В., Шиляев P. P., Громова О. А. и
др. Значение и роль микроэлементозов в физиологии
и патологии человека / / Учебное пособие для студен­
тов медицинских вузов. ГОУ ВПО Ивановская госу­
дарственная медицинская академия Министерства
здравохранения РФ - Иваново.- 2 0 0 4 г.- С. 9 -1 0 .
Джапарідзе Д ж .І.1, ІІІавгулідзе Н .В .1, Хавтасі Н.С.1, Єнукідзе Л .Г .1,
Харисчаришвілі І.З.2, Кириленко Є.К.3, Гальченко С .М .4
ВИ ЗН А ЧЕН Н Я В А Ж К И Х М ЕТАЛІВ У ВОЛОССІ Л Ю Д И Н И М Е Т О Д А М И
Д И Ф Е Р Е Н Ц ІА Л Ь Н О Ї ІМ ПУЛЬСНОЇ П О Л Я РО Г РА Ф ІЇ ТА РЕ Н Т Г Е Н ІВ С ЬК О Ї
Ф Л У О РЕС Ц ЕН ТН О Ї СП ЕКТРО СКО П ІЇ
¡Інститут неорганічної хімії та електрохімії ім. Р. І. Агладзе, м.Тбілісі, Грузія.
21іентр медичної елементології «Біоелемент», м.Тбілісі, Грузія.
3Науково-технічний центр «Віріа», м.Київ, Україна.
41<иївський національний університет ім. Тараса Шевченка, м.Київ, Україна
Стаття присвячена актуальній проблемі сьогодення — мікроелементному аналізу біосубстратів. Розглянуто вплив
токсичних елементів на організм лю дини. Особлива увага звернена на можливості двох аналітичних методів ана­
лізу біопроб: диф еренціальної імпульсної полярографії (Д ІП ) та рентгенівської ф луоресценції (РФА). Представле­
но результати застосування методики одночасного визначення іонів РЬ (II), 7м (II) та Си (II) у волоссі лю дини м е­
тодами Д ІП та РФА, проведено їх порівняльну оцінку.
Ключові слова: диференціально-імпульсна полярографія, рентгенівська флуоресценція, біопроба,
мікроелементний аналіз
62
Djaparidze Dj.l.1, Shavgulidze N .V .1, Havtasi N .S.1, Enukidze L G .1, Harischarishvili I.Z.2,
Kirilenko E .l(.3, Galchenko S.N .4
DETERM INATION O F CO NTENT O F HEAVY M ETA LS IN HAIR W ITH TH E H E LP
O F M ETH O D S O F D IFFEREN TIA L PU L SE D PO L A R O G R A PH Y AND X-RAY
FLU O R ESCEN T SPE C T R O SC O PY
’Institute of inorganic chemistry and electrochemistry named by R. I. Agladze, Tbilisi, Georgia.
2Centre of medical elementology «Bioelement», Tbilisi, Georgia.
Scientific and technical centre «Viria», Kiev, Ukraine.
4National Taras Shevchenko University of Kiev, Kiev, Ukraine
This article deals with a topical problem o f microelement analysis o f biological substratums. Influence o f toxic elements on
organism was examined. We mostly drew attention to the following two methods of analytical analysis o f bioassays: differen­
tial pulsed polarography and X-ray fluorescence.
The results o f simultaneous determination of ions o f Pb (II), Zn (11) and Си (II) in hair were presented with the help o f DPP
method and o f RFA. The comparative estimation o f results from DPP and X-ray fluorescence method was conducted.
Key words: differential pulsed polarography. X-ray fluorescence, bioassay, m icroelem ent analysis
Поступила: 06.03.2008
Контактное лицо: Кириленко Евгении Константинович, канд. физ.-мат. наук, НТЦ «Вириа»,
ул. Саксаганского, 44-В, Киев 01033, Украина, тел. раб. (044) 289-6150, тел. моб. +380636999494,
e-mail: info@viria.com.ua