Потенциометрическое определение йодид-ионов в биологической среде с использованием ионселективных электродов

Актуальность работы. Йод является жизненно необходимым микроэлементом, поскольку участвует в образовании гормонов щитовидной железы, отвечающих за обмен веществ в организме, предупреждает накопление радионуклидов йода. В условиях йодной недостаточности значительно возрастает вероятность неблагоприятного радиационного воздействия на щитовидную железу, увеличивается частота рака щитовидной железы. Дефицит йода обусловливает снижение интеллектуального потенциала всего населения, проживающего в зоне йодной недостаточности, способствует развитию заболеваний, в первую очередь щитовидной железы, кардиологических, иммунологических и других.

Для России проблема дефицита йода чрезвычайно актуальна, так как более 70% регионов имеют недостаток йода в воде и продуктах питания. К возникновению йодного дефицита приводит также постоянное действие ионизирующих излучений на работников предприятий ядерной энергетики и на население, проживающее в районах расположения атомно-энергетических установок, проведение ядерных испытаний, аварии, связанные с выбросом радионуклидов в биосферу.

Для проведения мероприятий по оценке степени йодцефицита в конкретном регионе и планирования диагностических, лечебных и профилактических мероприятий необходимо иметь простые, чувствительные и недорогие методы оценки содержания йода в биологических жидкостях и объектах окружающей среды.

В связи с необходимостью проведения йодопрофилактики, а также для последующего мониторинга лиц, составляющих «группу риска» по развитию заболеваний и функциональных нарушений щитовидной железы возникает проблема иметь такую методику, которая обладала бы экспрессностью, отличалась простотой исполнения и аппаратурного оформления.

Перечисленным требованиям, на наш взгляд, отвечают электрохимические методы с использованием ионоселективных электродов (ИСЭ), а также методы ионо-метрического анализа, которые имеют ряд достоинств: высокую чувствительностьсравнительно небольшую погрешность определенияпростоту аппаратурного оформлениявозможность автоматизации метода измерения полезного сигнала.

Ионоселективные электроды (ИСЭ) привлекают внимание аналитиков, благодаря совокупности таких характеристик, как быстродействие, селективность, широкий диапазон определяемых концентраций, а также простоте в эксплуатации и невысокой стоимости.

Отмеченные выше достоинства, относительная «молодость» ионометрии, отсутствие методик анализа сложных по составу объектов (мочи) с помощью ИСЭ, обусловливает актуальность работ в данном направлении.

Исследования проводились по заказу администрации г. Северска, Центра Госсанэпиднадзора в рамках реализации целевых программ: «О профилактике йодцефи-цитных состояний» (постановление Главного государственного санитарного врача Российской Федерации Онищенко Г. Г. от 02.05.97), «Безопасное материнство» (целевая программа, утвержденная Собранием народных представителей ЗАТО Северск) и в соответствии с х/д 2.20.00 и 2.04.02.

Целью работы является разработка экспрессной и недорогой методики потен-циометрического определения йодид-ионов в биологической среде (моче).

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

— найти оптимальные условия проведения процесса пробоподготовки применительно к методу потенциометрического определения йодид-ионов в биологических пробах с использованием ионселективных электродов;

— изучить влияние различных факторов (рН, ионной силы, макрои микрокомпонентного состава анализируемого раствора) на потенциал индикаторного электрода и результаты определения йодид-ионов;

— оценить метрологические характеристики методики и провести ее аттестацию;

— включиться в медицинское обследование для мониторинга йодцефицитных заболеваний и функциональных нарушений щитовидной железы персонала атомных производств и населения, проживающего на территории ЗАТО Северск (в первую очередь, детей и беременных женщин).

Научная новизна работы заключается в том, что:

— найдены оптимальные условия проведения экспресс-определения йодид-ионов в моче потенциометрическим методом с использованием ИСЭ;

— установлено, что непосредственное определение йодид-ионов в биологической среде потенциометрическим методом с помощью ИСЭ невозможно из-за образования на мембране электрода пленки из органических веществ, содержащихся в анализируемой пробе;

— впервые проведено комплексное изучение поведения органической пленки на образцах-имитаторах с помощью рентгеновской фотоэлектронной (РФЭ) и ИК-спектроскопии, а также лазерной эллипсометрии и установлено, что пленка представляет собой наносистему;

— предложен новый прием снятия пленки в ходе измерения, заключающийся в добавлении к анализируемой пробе органического растворителя (этанола), и в связи с этим показана возможность использования ИСЭ для проведения анализа и повышения точности измерений аналитического сигнала на нелинейном участке функции ИСЭ, вблизи предела обнаружения.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

— разработана простая, экспрессная и доступная методика анализа мочи на содержание йодид-ионов;

— методика внедрена в лабораториях медико-санитарной части городов Север-ска, Томска и используется для анализа биологических жидкостей на содержание йода;

— разработан совместно с сотрудниками фирмы «ЮМХ» макет прибора для по-тенциометрического определения йодид-ионов в моче, позволяющий автоматизировать процесс обработки сигнала при анализе пробы;

— проведено мониторинговое обследование людей разных возрастных групп по йоддефицитным заболеваниям (ЙДЗ) (900 беременных женщин и около 300 школьников 8−11 лет).

На защиту выносятся:

— методика ионометрического анализа биологической среды (мочи);

— результаты исследований по изучению влияния состава анализируемой пробы на определение йодид-ионов потенциометрическим методом с использованием ИСЭ;

— химизм процессов, протекающих на поверхности мембраны ИСЭ.

Достоверность выдвигаемых на защиту научных положений и результатов обусловлена корректностью применяемых в работе расчетных и физико-химических методов исследованийиспользованием аттестованного оборудования, обеспечиф вающего достаточный уровень надежности результатовкомплексным применением взаимодополняющих измерительных методовповторяемостью результатов и их совпадением с экспериментальными данными других авторовбольшим количеством экспериментальных данных, на основе которых сделаны соответствующие выводысогласованием результатов при измерении содержания йодид-ионов другими мето-(• дами, а также публикациями в рецензируемых журналахобсуждением основных результатов на научных семинарахпроведением государственной экспертизы методики.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований доложены на следующих Отраслевых и Международных семинарах и конференциях: IV и VI Межд. студенческая научная конференция «Полярное сияние. Ядерное будущее: безопасность, экономика и право» (г. Санкт-Петербург, 2001, 2003 гг.), V hVI Межд. научная конференция студентов и молодых ученых «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (г. Абакан, 2001, 2002 гг.), II и IV Всероссийская научн. конф. «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий» (г. Томск, 2002, 2003 гг.), Всероссийская научн. конф. «Медико-экологическая безопасность, реабилитация и социальная защита населения» (г. Лесной, 2003 г.), практический семинар «Прикладные основы экологии» (г. Томск, 2003 г.), Отраслевая научно-техн. конференция «Технология и автоматизация атомной энергетики» (г. Северск, 2003, 2004 гг.), Межд. научн.-практ. конф. «Физико-технические проблемы атомной энергетики и промышленности (г. Томск, 2004 г.), IX Межд. экологическая конф. «Экология России и сопредельных территорий», (г. Новосибирск, 2004 г.), VII конф. «Аналитика Сибири и Дальнего Востока» (г. Новосибирск, 2004 г.).

По материалам диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 4 статьи и 12 тезисов докладов, получен 1 патент РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 5-ти глав, заключения, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 165 страницах и включает 34 рисунка, 41 таблицу, список литературы из 120 наименований, 32 страницы приложений.

Выводы.

1. Найдены оптимальные условия и разработана методика экспресс-определения йодид-ионов в моче потенциометрическим методом с использованием ИСЭ. Установлен диапазон определяемых массовых концентраций ио-дид-иона в пробах мочи, который составил 60−300 мкг/дм. Определены метрологические параметры: показатель сходимости — 10%- показатель воспроизводимости — 20%- контроль точности — 42%. Методика аттестована в Уральском НИИ метрологии и предназначена для использования в химических и испытательных лабораториях организаций, предприятий и служб.

2. Изучено влияния ряда факторов на определение йодид-ионов потенциометрическим методом. Показано, что присутствие в моче неорганических и органических соединений по-разному сказывается на работе электрода. Так ионы Cu2+, РЬ2+, присутствующие в моче в незначительных количествах, не оказывают значимого влияния на результаты измерений. С целью устранения мешающего влияния на сульфидную функцию электрода ионов Hg рекомендовано использовать добавку восстановителя (аскорбиновой кислоты). Присутствие в растворе органических соединений: мочевины, мочевой и молочной кислот, белка и ряда других, хотя, и не изменяет крутизну электродной функции и не снижает чувствительности ИСЭ, но не позволяет получить воспроизводимые результаты. Это связано с адсорбцией и образованием пленки органических веществ на поверхности мембраны.

3. Проведено комплексное изучение поведения органической пленки на образцах-имитаторах с помощью рентгеновской фотоэлектронной и ИК-спектроскопии, а также лазерной эллипсометрии. Показано, что.

— пленка, образующаяся на поверхности мембраны электрода, представляет собой наносистему толщиной более 100 нмс увеличением продолжительности выдержки ИСЭ в анализируемом растворе возможен рост пленки от 100 до 200 нм;

— в состав пленки входят как неорганические, так и органические соединения, содержащие, по данным РФЭС, азот-, фосфор-, хлори сераорганиче-ские соединения и ряд других, что может соответствовать соединениям (моче.

— введение в анализируемую пробу этанола в соотношении 1:3 позволяет задержать образование пленки на поверхности мембраны на период проведения анализа. Так за первые 10 мин толщина пленки на образцах-имитаторах уменьшается с 108−115 до 51−78 нм. Этот прием удаления пленки и предотвращения её образования рекомендовано использовать в процессе пробопод-готовки при потенциометрическом анализе с ИСЭ.

4. Проведены скрининговые исследования и показано, что методика из-за своей простоты и доступности в исполнении может быть использован не только для выявления заболеваний щитовидной железы у населения, но и для диагностики, эффективности лечения и коррекции содержания йода в организме человека.

5. Разработан макет прибора для потенциометрического определения йодид-ионов в биологических жидкостях и объектах окружающей среды (питьевые и минеральные воды). Прибор рекомендован для широкого использования в медицине, промышленности, экологии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате научно-исследовательской работы выбран потенциометриче-ский метод определения йодид-ионов в биологической среде (моче) с использованием ионоселективных электродов. По сравнению с другими методами, применяющимися для определения йодид-ионов, он отличается простотой, доступностью, высокой избирательностью и эскпрессностью, что особенно важно при проведении широкомасштабных скрининговых исследований.

Для снижения влияния матрицы пробы на работу ионселективного электрода предложено добавлять в анализируемый раствор органический растворитель (этиловый спирт). В этой связи исследована возможность использования ИСЭ в водно-спиртовых средах для определения концентрации йодид-ионов. В результате проведенных исследований предложена оптимальная концентрация органического растворителя (30%).

Результаты проведенных исследований имеют практическую значимость для использования данной методики при анализе биологических систем (мочи) с целью своевременной диагностики, эффективности лечения, а также для последующего мониторинга лиц, составляющих «группу риска» по развитию заболеваний и функциональных нарушений щитовидной железы.

Предлагаемая методика проста в выполнении, доступна и по точности не уступает методам кинетического и инверсионно-вольтамперометрического анализа (ИВА) определения йодидов в моче. В отличие от кинетического и ИВА методов, где анализ составляет от 2−3 до 3−4 ч с учетом пробоподготовки, она достаточно экспрессна (20−30 минут). Методика дает возможность использовать ее для осуществления скрининг-анализа в детских садах, школах и больницах, не требует специальной подготовки лаборанта и специально оборудованного места.

Метод апробирован в лабораториях Северского Биофизического Научного Центра, ЦГСЭН № 81 и может быть рекомендован в широкую практику с целью выявления йоддефицитных заболеваний и функциональных нарушений щитовидной железы персонала атомных производств и населения, проживающего в районе их расположения, в первую очередь, детей и беременных женщин.

Совместно с сотрудниками внедренческой научно-производственной фирмы «ЮМХ» Томского политехнического университета разработан макет прибора потенциометрического определения йода в биологических жидкостях (моче) и объектах окружающей среды (питьевой и минеральной воде), позволяющий автоматизировать процесс обработки сигнала при анализе пробы.

Методика с использованием разработанного прибора может заменить дорогостоящее оборудование западных фирм и позволит проводить эпидемиологические исследования по выявлению йоддефицитных заболеваний населения, для диагностики, лечения и проведения эффективной йодопрофилактики и коррекции йододефицита.

На данном этапе работа считается завершенной. Хотя перспективы для продолжения и развития данного направления существуют. Во-первых, для снижения предела обнаружения и погрешности определения можно использовать метод многократных добавок. Во-вторых, есть возможность продолжить исследования процессов, протекающих на поверхности ионоселективного электрода. В-третьих, предложенную нами методику с использованием ИСЭ можно применить для анализа других объектов (минеральной и питьевой воды, биологически активных добавок) с внесением небольших изменений при проведении пробоподготовки, а также для определения других микро- (например, Se, As и др.) и макроэлементов мочи (Са, Р и т. д.), содержание которых необходимо контролировать с целью выявления различных заболеваний, вызванных их избытком или недостатком.

Автор выражает глубокую признательность своим научным руководителям: д.х.н., профессору Колпаковой Нине Александровне, д.т.н., профессору Буйнов-скому Александру Сергеевичу за совместную и плодотворную работу, ценные указания при проведении НИР и обсуждении результатов работы.

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам Северского Биофизического Научного Центра и Центра Госсанэпиднадзора № 81 за сотрудничество, содействие и помощь в предоставлении анализируемых образцовПикуле Нине Павловне и сотрудникам НИЛ микропримесей ТПУ за квалифицированные консультации по теме и помощь в проведении аттестации методикиМаксимовой Ларисе Леонидовне за помощь в апробации и внедрении методики, и консультации по проблеме йоддефицитных заболеваний, а такэюе Борило Людмиле Павловне и Полу-боярову Владимиру Александровичу за совместные исследования поверхности ИСЭ на наличие пленки органических соединений.