Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.abitu.ru/en2002/closed/viewwork.html?work=29 Дата изменения: Fri May 5 15:25:36 2006 Дата индексирования: Tue Oct 2 02:18:29 2012 Кодировка: koi8-r Поисковые слова: arp 220

РЕФЕРАТ








Газовая хроматография


и применение ее в медицине













Выполнил:


Сопрун Лидия


11А класс, гимназия ?1





Научный руководитель:


Юрий Николаевич Кузнецов


(учитель химии, изобретатель СССР)















г. Оренбург 2002 год

Постановка задачи


Изучение процессов протекающих на поверхности тела человека (запах),
определением состава газовых или жидких микропримесей поступающих изнутри
через кожу, легкие и т.д. помощью газовой хроматографией с целью возможно
практического использования результатов.



Методика решения


Организация газохроматографического определения микропримесей .
Организация доступности и возможности отбора проб газовых сред у
человека в норме и патологии.
Накопление результатов анализа ,их обработка. Сравнение полученных
данных хроматографии с данными клиник, лабораторий и других данными .
Изыскание путей повышения точности анализа, для определения
максимально малых концентраций. Изучение состава и строения молекул
микропримесей (запахов) комбинированием хроматографии со спектральными
методами. Биологическая и биохимическая оценка результатов анализа.


Отличие (преимущества) от известных решений

Известные решения поставленной задачи автору реферата неизвестны.
Аналоги не находятся. А поскольку методика решения поставленной задачи не
связана с проникновением внутрь человека (при отборе проб), то изыскиваются
преимущества (по сравнению не с аналоговыми).
а) возможность непрерывного изучения химии запаха.


Выводы

Запахи, исходящие от живого биообъекта несут важную информацию о
состоянии организма. А, значит ,их следует изучать.
На сегодняшний день очень мало информации о природе запаха и связи его
состава со здоровьем человека.
Утверждение о невозможности определения (прибором) очень малых
микропримесей сегодня можно преодолеть:
- концентрированием их;
последующим газохроматографическим разделением и регистрацией;
комбинированием газовой хроматографии и спектроскопии;
применением современных сверхчувствительных детекторов.
4. Изучение запахов, методов их анализа и результаты можно широко
использовать в различных областях деятельности человека.








Содержание



Введение 4
1 Основы газовой хроматографии 5
2 Применение газовой хроматографии в медицине и ее перспективы 7
3 Биология запаха и возможности определения микропримесей метаболизма 8
4 Практическая работа. Определение органических соединений в выдыхаемом
воздухе как пример пути изучения запаха 10
Список используемой литературы 14










































Введение



Химия жизнедеятельности «живых» организмов изучена на сегодняшний день
достаточно в большой степени. Живой организм - макромолекулярная система,
осуществляющая обмен веществ энергии и самовоспроизведение. Одной из
функций свойственной любому живому организму- химическое преобразование
оказавшихся во внутренней среде (расщепление, синтез, трансформация) и
выведение во внешнюю среду продуктов, которые более не используются
(конечные продукты).
Описание структур биомолекул, детализация их превращений, описание
механизмов всасывания и транспортировки мономеров, расшифровка
последовательности реакций обеспечивающих синтез специфических соединений,
окислительный распад белков, липидов и углеводов достаточно широко
представлено в современной биохимической литературе.
Знание причин нарушения химических процессов жизнедеятельности и
методов их выявления с тем, чтобы определить пути исправления или
устранения этих нарушений является важной задачей практического врача.
Технический прогресс сделал возможным получение так называемых
метаболических профилей биосред: крови, мочи, слюны, выдыхаемого воздуха. В
одном образце анализируются несколько сот компонентов. Метаболические
профили биосред человека строго индивидуальны, так же как и отпечатки
пальцев. Но в отличии, от капиллярных узоров они несут массу медицинской
информации.
Компьютерный анализ метаболических профилей является одним из
мощнейших инструментов диагностики, например, врожденных и приобретенных
нарушений метаболизма.
Одним из самых мощных аналитических методов, разработанных во второй
половине 20 века, позволяющих получить метаболические профили является
газовая хроматография. Применение ее в медицине носит как прикладной, так и
исследовательский характер. Основные направления - исследования нарушений
метаболизма, например, липидов, в частности жирных кислот, углеводов,
органических кислот, аминосоединений. Традиционные сферы практического
применения газовой хроматографии медицинская микробиология и диагностика
врожденных нарушений.
Перспективой применения газовой хроматографии является концепция
метаболических профилей - систем интегральной оценки метаболизма.
Важным, по мнению некоторых исследователей, является изучение состава
микропримесей множества веществ, которые выделяются через кожу, легкие и
т.д. за ненадобностью или с определенной целью или при патологии
деятельности организма. Микропримеси являются также и продуктом
деятельности микроорганизмов. Микропримеси являются постоянными спутниками
и формируют они запах, который характерен для каждого живого организма и
строго индивидуален. Опознание микропримесей возможно применяя газовую
хроматографию.














1 Основы газовой хроматографии



Газовая хроматография - универсальный метод разделение смесей
разнообразных веществ. Принцип, лежащий в основе процесса - избирательное
распределение компонентов смеси между двумя несмешивающихся фазами:
подвижной и неподвижной. Неподвижной фазой могут быть твердое вещество или
жидкость, закрепленная на пористом носителе, а подвижной- жидкость или
газ.
Компоненты разделяемой смеси перемещаются по хроматографической
колонке с потоком инертного газа носителя. Разделение компонентов смеси
происходит из-за неодинакового сродства органических веществ к летучей
подвижной фазы и стационарной фазы в колонке. Компоненты смеси селективно
удерживаются неподвижной фазой, а затем выходят из колонки и
регистрируются детектором. Сигналы детектора записываются в виде
хроматограммы автоматическим потенциометром.

Основные узлы газового хроматографа следующие:
Источник газа- носителя, блок подготовки газов.
Испаритель.
Термостат колонок, колонки.
Детектор.
Система регистрации и обработки данных.


5
проба
газ
1
выход

носитель



Испаритель служит для перевода жидкой пробы в паровую фазу. Сердце
газового хроматографа - хроматографическая колонка - стеклянные или
металлические трубки длиною от 1 до 5 м и более, со внутренним диаметром от
1,5 до 5 мм. Они заполняются «насадкой» - твердой основой с нанесенной на
нее подвижной фазой. В качестве твердой основы используются пористые
различные вещества, на поверхности которых должна образовываться тончайшая
пленка неподвижной фазы. Число стационарных фаз безгранично. Для выполнения
хроматографического анализа необходимо подобрать характеристики колонок и
выбрать стационарную фазу. Температуру колонок (термостата колонок) и
скорость газа носителя можно варьировать в широких пределах. Скорость газа
выбирают экспериментально для удовлетворительного разделения компонентов
смеси и максимального ускорения анализа.
Разделение смеси веществ с широким диапозоном температур кипения
начинают при низкой температуре термостата, а затем программируют
постоянное повышение температуры для элюирования высококипящих компонентов.
Выбор детектора - ключ к успеху. Детектор фиксирует изменение какого-
либо физического свойства газа- носителя при попадании в поток исследуемого
вещества. В практике газовой хроматографии применяется следующие основные
типы детекторов:
Детектор по теплопроводности.
Пламенно-ионизационный детектор.
Термоионный детектор.
Детектор электронного захвата.
Фотоионизационный.
Детектор хемилюминесценции.
Атомно-эмиссионный детектор.
Спектрофотометрические детекторы.

Выбор детектора важен для анализа биологических проб. Детектор по
теплопроводности позволяет определить вещество, содержание которого в пробе
составляет 10-3 %, а чувствительность ионизационных детекторов значительно
выше 10-8 %. При правильном выборе колонки, детектора и с учетом малого
объема пробы, предел обнаружения веществ методом газовой хроматографии
составляет 10-12 , 10-13 Г, что превосходит многие другие методы анализа.
Применяя различные способы концентрации запаха и именно экстракцию
можно обнаружить вещества с концентрацией 10-26, 10-30 Г, что вполне
соответствует концентрации запахов образующихся в природе и не менее
чувствительны, чем биологические рецепторы у животных.
Что такое хроматограмма? Каждому компоненту смеси на хроматограмме
соответствует отдельный пик.


Сигнал , МВ


tR Б
w
h/2 А Б

Ввод пробы
Время мин.

Типичная хроматограмма:
А,Б - пики соответствующих компонентов,
tR A , tR Б - время удерживания соединений А и Б,
h| 2 - полувысота пика А,
w - ширина пика А на его полувысоте.

При строгом воспроизведении всех условий время удерживания является
такой же величиной, что и любая физико -химическая характеристика вещества.
Определение качественного состава смеси проводится путем сопоставления
времени удерживания данного компонента и эталона - вещества известной
структуры. Совпадения времени удерживания эталона и определяемого
компонента может указывать на их идентичность. Эталон чаще всего
добавляется в исследуемую смесь (метод метин). При этом число пиков на
хроматограмме не должно измениться, а интенсивность пика одного из
компонентов должна увеличиваться. Этот процесс еще называют идентификацией.
Определение количественного состава смеси основано на допущении того
, что интенсивность пика каждого компонента пропорциональна его содержанию
в смеси. В качестве меры интенсивности принимается площадь пиков S. Обычно
для этого умножают его высоту h на ширину w, измеренную на полувысоте пика.
S = h * w.








2 Применение газовой хроматографии в медицине и ее перспективы



Газовая хроматография используется во многих областях медицины : в
гигиене и экологии для определения содержания вредных примесей в воздухе,
воде и пищевых продуктах: в токсикологии и судебной медицине для
диагностики отравлений техническими жидкостями (хлор производными
углеводородов) и пестицидами самой различной структуры: фармакологии и
формации для контроля качества препаратов, исследования метаболизма
лекарственных средств. Любой из этих примеров мог бы стать предметом
отдельного исследования.
Применение газовой хроматографии в биохимических целях сравнительно
долго не получало должной оценки. Считалось, что биологические пробы
недостаточно летучи и мало устойчивы к различным физико-химическим
воздействиям, применяемым в газохроматографическом анализе. Успехи в
разработке методов расщепления липидов, углеводов и белков до более простых
компонентов и превращение их в летучие соединения открыли широкую дорогу
для применения метода в биохимическом анализе.
Традиционные пути идентификации микроорганизмов - возбудителей
инфекционных заболеваний или гнойно-воспалительных процессов включает в
себя несколько этапов: посев биологического материала, на питательные
среды, затем получение чистых культур, выращивание их на средах обогащения
и лишь затем их идентификацию по характеру разрушения тех или иных
субстратов даже для микроорганизмов, обладающих способностью к быстрому
росту, эти этапы исследования занимают не менее двух суток. С помощью
газовой хроматографии можно проводить ускоренную (менее двух часов)
идентификацию микроорганизмов по спектру специфических компонентов их
мембран или по специфическим продуктам пиролиза.
Особенно следует подчеркнуть важное применение газовой хроматографии в
изучение запаха - постоянного спутника любого биологического объекта,
который как "аура" окружает его и по всей вероятности несет очень важную
информацию о нем и отражает своим качественным и количественным составом
внутреннее состояние организма, процессы происходящие в нем.
В этой связи хроматография запаха возможно приоткроет многие тайны,
касающиеся жизнедеятельности человека и его здоровья.





















3 Биология запаха и возможности определения микропримесей метаболизма



А, что такое запах? На этот вопрос не может сейчас ответить ни один
физик или химик. За последнее столетие появилось 30 теорий запаха -
волновые, адсорбциоонные, электрофизиологические. Но все они сходятся в
одном: запах вещества связан со строением молекулы, и именно молекулы
переносят запах от вещества к органам обоняния. По-видимому, существует
небольшое число первичных запахов, а все остальные их сочетания. Так в 1950-
х годах американец Дж. Эймур предложил стереохимическую теорию, по которой
первичных запахов 7. А по волновой теории канадского ученого Р. Райта их 25-
30. Каждый запах соответствует ,какому- либо веществу. Например, запах розы
присущ фенил этиловому спирту - С6Н5-СН2-СН2-ОН, а запах герани -
дефениловому эфиру С6Н5-О-С6Н5. Соединения с разветвленной цепью обладают
более сильным и часто более приятным запахом, чем соединения - молекулы,
которых линейны. Известно также что запах чая содержит 194 компонента, а
кофе - 390. Человеческое обоняние способно различать запахи при
концентрации вещества 0,001% и не способно идентифицировать их. Но единой
теории запахов нет.
В жизни животных восприятие запахов играет более важную роль, чем у
человека, обонятельная система имеет замечательную способность гораздо
тоньше, чем другие органы чувств различать вещества на фоне необозримого
числа других. Это позволяет животным ориентироваться и обеспечивать
определенный уровень жизни деятельности. Запах несет очень важную
информацию для них. Он позволяет животному определить местонахождение
другой особи, врага, «здоровье» будущей жертвы. Запах выделяет также
человек, запах специфичен для каждой особи.
Знание его состава может позволить получить информацию о состояние
здоровья, в какой-то степени то или иное заболевание, и как действует то
или иное лекарство на течение болезни. Известно, что заболевания
сопровождаются изменением запаха. Количества биологически значимых молекул,
вызывающих хеморецепторный сигнал очень малы. Считается, что уровень
запаховой чувствительности недостижим для химических методов анализа. Тем
не менее на сегодняшний день есть направления, которые позволяют
анализировать состав микропримесей определяющих запах. Одним из последних и
перспективных методов - концентрирование экстракцией. Наиболее мощный
толчок развитие экстракции - получило только в двадцатом столетии в связи с
работами в области ядерной технологии.
Понятие «экстракции» относится к физической химии и означает процесс
распределения вещества между несмешивающимися фазами. Экстракция одна из
главных глав общей теории растворов. Способность вещества распределяться
между двумя несмешивающимися жидкостями определяется его растворимостью в
каждой фазе. История экстракции начинается с 1842 года, когда французский
исследователь Э.М. Пелиго наблюдал переход уранилацетата из воды в
диэтиловый эфир. Закон распределения сформулировал Вальтер Нернст: Ав=Ао.
Вещество А при контатировании водной (в) и органической (о) фаз
распределяются в соответствии с его растворимостью в этих фазах. При
отсутствии димеризации вещества А в воде и органическом растворителе
равновесие (1) количественно описывается константой распределения.
(А)о So
Кр = ------
= ------
(А)в Sв

Данные о растворимости многих органических веществ в воде приведены в
справочниках. Что касается растворимости в органических соединениях, то
сведений недостаточно чтобы определить и оценить величину Кр. Только в
начале 60-х годов 20 столетия были опубликованы работы в области
экстракции, в которых распределяемыми веществами являются органические
соединения. Родоначальники этого направления - американские биохимики.
В их работах обобщены известные исследования по экстракции
биологически активных веществ, а также органических соединений разных
классов. Многие закономерности межфазавого распределения обобщил в работах
И.Л. Коренман Коэффициент распределения (Кр) описывает
способность вещества экстрагироваться, но не определяет реальную полноту
извлечения, которая зависит от соотношения объемов органической и водных
фаз. При одном и том же коэффициенте распределения вещество извлекается
тем полнее, чем больше объем органической фазы (при постоянном объеме
водной ) . Долю про экстрагированного вещества выражают величиной степени
извлечения:

Со (где Св и Со
- количество вещества в органи-
R = --------- ческой и
водной фазе).
Св+Со


Степень извлечения чаще всего выражают в процентах:

CoVo

R% = ----------------- * 100 %

CoVo + Cв Vв

Концентрирование химическими реагентами. Компоненты смеси можно
разделить, если один или несколько вступают в реакцию с другими веществами,
а затем сконцентрировать. При пропускании сложной смеси газов через
жидкость содержащей реагирующий компонент можно таким образом
сконцентрировать компонент смеси в виде солей, а затем другими реагентами
перевести в газовую фазу. Так например, смеси газов содержащие
незначительную концентрацию сероводорода можно пропустить через раствор
CdCl2 согласно реакции CdCl2 + H2S = CdS + 2HCl, при удалении из системы
HCl можно значительно сконцентрировать сероводород. При прибавлении в
систему НС1 можно выделить сероводород


CdS + 2HCl = CdCl2 + H2S


Концентрирование химическими реагентами широко применяется в
химической технологии.
















4 Практическая работа. Определение органических соединений в выдыхаемом
воздухе как пример пути изучения запаха



В виду того, что некоторые заболевания человека сопровождаются
изменением запаха была задумана практическая работа - определение
микроколичеств серосодержащих веществ в выдыхаемом человеком воздухе.
Поставленная цель вытекала из предположения, что сернистые соединения
образуются в результате белкового распада метионина. Работа проводилась
путем последовательной обработки анализируемого вещества (выдыхаемый воздух
человека), сначала раствором щелочи, затем аммиачным раствором
азотнокислого серебра (концентрирование) и разложения образующихся солей
соляной кислотой под слоем этилового эфира, экстракцией выделяющихся
исходных веществ этиловым эфиром с последующим газохроматографическим
анализом экстракта.

Схема отбора пробы

Выдыхаемый воздух
Газовый счетчик





Ловушка-концентратор 0,1н аммиачный
20 см 35% КОН р-ор серебра



|Предполагаемая концентрация |Объем выдыхаемого воздуха |
|серосодержащих соединений в |необходимого для анализа |
|выдыхаемом воздухе человека | |
|Менее 0,004 мг/л |более 3000 дм3 |
|0,004 мг/л - 0,04 мг/л |3000- 300 дм3 |


По окончании пропускания соответствующего объема выдыхаемого воздуха
содержимое склянок - концентратов помещали в реактор, где проводили
разложение солей и экстракцию образовавшихся органических газов этиловым
эфиром. Для этого ловушку и концентратор помещали в баню с охлаждающей
смесью (лед + соль) и соединяли их с бюреткой с раствором НС1 ( 10-20%).

Схема химических реакций:

R-SH + KOH R-S-K + H2O
R-SH + HCl R-SH + KCl
R-SH + эфир экстракт

Для проведения анализа был использован отечественный хроматограф
ЛХМ- 8 МД, снабженный детектором по теплопроводимости (катарометром).
Хроматографическую колонку диаметром 4 - 5 мм, длиною 9 м.,
наполненную хроматоном, с нанесенным на него в количестве 50% по весу
силиконовым маслом маркой ПФМС - 4 помещали в термостат хроматографа и
производили продувку газом носителем (гелием) в течении 2-х часов при 90
С(. После подготовки колонки устанавливали рабочий режим хроматоргафа:
. Ток детектора, м А - 130
. Температура термостата, колонок (С 60
. Температура термостата детектора ( С( 110 (С
. Расход газа носителя ( гелия) см / мин - 60-70
. Скорость движения ленты, мм / час - 240


Проведение записи

Микрошприцем отбирали из бюкса 10 - 15 мкг экстракта и вводили в
испаритель хроматографа. Запись производили в следующих масштабах:
Сероводород 8 (шкала 1: 8)
Воздух 1 (шкала 1 : 1)
Метилсульфид 1 (шкала 1: 1 )
Эфир 128(шкала 1: 128)

Время удержания веществ субстрата (мин.)
Воздух 5,8
H2S 10,2
Метилсульфид 13,1
Эфир 18,5

Другие (неидентифицированные вещества) - 19,0 - 85,0




пуск 5 10 20
50 80 мин
пробы


Хроматограмма экстракта выдыхаемого воздуха
(условно здорового человека)







пуск воздух NO H2S CH3SH (C2H5)2O
неидентифицированные мин
микропримеси






Хроматограмма экстракта выдыхаемого
воздуха
(больного
человека)










пуск воздух NO H2S CH3SH
(C2H5)2O неидентиф. мин
микропримеси


Для проведения эксперимента по личной инициативе и при полном согласии
нескольких больных и здоровых людей проводился отбор выдыхаемого воздуха.
Как видно из сравнения 2-х хроматограмм у больных наблюдалась более
высокая концентрация в выдыхаемом воздухе акилсульфидов и сероводорода.
Также видно изменения в составе выходящих компонентов через 20 минут

Расчет производили по формуле:

Si * Vэ * K1 * pэ* 1000

Ci = -------------------------------
(мг/м3)

V2 * Еi=1 * Si * Kj



Ci - концентрация вещества в субстрате мг/м3
Si - площадь пика i -ого вещества
V - объем эфирного экстракта, см3
K1 - весовой поправочный коэффициент к площади пика эфира
n - число пиков
V - объем пропущенного газа, приведенный к С.У.
рэ - плотность эфира, мг/см3.




















Таблица сравнительных данных


Из справочников:

|Концентрация цистина |Содержание цистина и митионина в |
|В крови ( мк/ моль/ л) |плазме крови( мк/моль/л) |
|У больных хронической почечной |У больных дизбактериозом |
|недостаточностью | |
|52(7 |40(14 |
|У здоровых |У здоровых |
|22(6 |35(22 |



По данным проведенной практической работы:

|Содержание суммы |У больных |У больных |У здоровых |
|алкилсульфидов в |дизбактериозом |почечной | |
|выдыхаемом | |недостаточностью | |
|воздухе | | | |
| | | | |
| |0,085 мг/м3 |0,046 мг/м3 |0,009 мг/м3 |



Вывод: представленные показатели позволяют предположить применение
данных анализа микропримесей выдыхаемого воздуха человеком методом газовой
хроматографии в диагностических целях.






















Список используемой литературы



1. Столяров Б.В., Савинов И.М., Витенберг А.Г. Руководство к
практическим работам по газовой хроматографии. Л.: Химия, 1978.
2. Вяхирев Д.А., Шушунова А.Ф. Руководство по газовой хроматографии.
М.: Высш. шк., 1987.
3. Айвазов Б.В. Основы газовой хроматографии. М.: Высш. шк., 1977.
4. Литвинов Л.Д., Руденко Б.А. Газовая хроматография в биологии и
медицине. М.: Медицина, 1971.
5. Березкин В.Г. Хроматографический анализ окружающей среды. М.:
Химия, 1979.
6. Яворская С.Ф. Газовая хроматография - метод определения вредных
веществ в воздухе и биологических средах. М.: Медицина, 1972.
7. Митрука Б.М. Применение газовой хроматографии в микробиологии и
медицине. М.: Медицина, 1978.
8. Тогузов Р.Т. Хроматография в биологии и медицине. М.: МОЛГМИ, 1985.
9. Зеленин К.Н. Газовая хроматография и применение ее в медицине.
Санкт-Петербург: Военно-медицинская академия.
10. Хмелевский Ю. В. , О. К. Усатенко Основные биохимические константы
человека в норме и при патологии .
11. Н. Грин , У. Стаут ?Биология?.





-----------------------
3
3

4

2

tR A