9.5.5. Аналитические исследования.

Группа аналитических методов исследований значительно разнообразнее и содержит больше методических схем [1, 9, 11]. Число их в значительно степени определяется особенностями объектов аналитического исследования, которые являются неотъемлемой составляющей внутренней среды организма. Объекты представляются в виде биопроб (БП), которые содержат биосубстраты: различные жидкости, продукты выделений, ткани организма (рис. 9.8). Они могут иметь различные агрегатные состояния: твердое, газообразное, но чаще всего жидкое. Жидкостные среды представляют собой многокомпонентные, тонко структурированные системы, которые очень чувствительны к различным физико-химическим воздействиям. Кроме того, жидкостный объект, за редким исключением, наиболее удобен для проведения лабораторных исследований. Нередко оказывается целесообразным даже анализ твердых и газообразных объектов сводить к работе с жидкими средами, хотя возможно и обратное преобразование, когда биожидкость переводится в состояние твердой фазы.

Основными типами решаемых задач при исследовании жидкостей в лабораторных условиях являются проведение качественного и количественного анализа, связанного с определением вида и концентрации компонентов биосубстратов, а также с определением их структурного состояния. Анализ любой пробы подразумевает измерение ряда физических параметров (ФП): механических, электрических, магнитных, оптических и других, однозначно связанных с изучаемой характеристикой или компонентом исходного вещества биопробы. При этом применяются те же химико-аналитические и физико-химические методы, что и в лабораториях, исследующих другие органические и неорганические материалы.

Однако не все параметры исходного вещества непосредственно отображаются в такие ФП, которые могут быть легко зафиксированы с помощью первичных измерительных преобразователей (датчиков). Часто прямое измерение соответствующего параметра оказывается невозможным из-за сложного состава вещества биопробы и наличия примесей. Поэтому возникает необходимость в некоторых ее преобразованиях, которые позволили бы, во-первых, "подготовить" биопробу к соответствующей процедуре измерения и, во-вторых, трансформировать ее определенным образом для наиболее эффективного извлечения информации. Такие преобразования, определяемые как пробоподготовка, обычно представляют собой достаточно сложную и продолжительную по времени последовательность различных операций по трансформированию исходного вещества пробы в некоторый конечный продукт, физические параметры которого будут затем измерены [1, 12].

Многообразие методических схем порождает и многочисленность методов и методик аналитических исследований, число которых исчисляется тысячами, в отличии от физиологических исследований, число которых не превышает двухсот.

9.6. Методические и измерительные эффекты при исследовании биосубстратов.

При любом лабораторном исследовании важнейшую роль играют характер и способ получения измерительного эффекта, в результате которого осуществляется измерение физической величины, связанной с изучаемыми свойствами или компонентами исследуемой пробы [А-П, П]. В то же время до получения этого эффекта приходится подвергать пробу дополнительным воздействиям - так называемым методическим эффектам, которые приводят пробу в состояние, пригодное для выполнения измерительной процедуры. Такие воздействия могут быть простыми, например, отмеривание нужного количества, нагревание или охлаждение, термостатирование и т.п., но возможны и более сложные методические эффекты.

Результат выполнения исследования отражается в измеряемом сигнале U (выходном эффекте), один из параметров которого, например, амплитуда, связан с исследуемым свойством z биопробы:

U= f(x₁,x₂,..x_n),

где x₁,x₂,..x_n - различные физические величины, формирующие сигнал как следствие физических, химических, физико-химических и биологических воздействий.

При этом оказывается справедливым приближенное равенство:

,

где z - изменение измеряемого свойства, S - чувствительность первичного преобразователя.

Если , то получают простой измерительный эффект. В остальных случаях имеют место двойные, тройные и тому подобные измерительные эффекты, т.е. такие, которые появляются в результате воздействия несколькими методическими эффектами.

Господствующая тенденция в развитии лабораторного приборостроения заключается во все более широком использовании внутренних методических эффектов, которые основаны на явлениях, происходящих внутри клеток, коллоидных мицелл, молекул, ионов, атомов и ядер. Внешние макроскопические эффекты, в основном, находят применение при дозировании исследуемых проб по объему и весу, а также при измерениях мощности и скорости потоков.

При лабораторных исследованиях, основанных на внутренних методических эффектах, наиболее распространены методы, использующие два типа изотермических диаграмм (изотерм) свойств в жидкостных системах с химически невзаимодействующими компонентами, в которых свойства смеси слагаются из свойств компонентов как аддитивно (плотность, показатель преломления, оптическая плотность, магнитная восприимчивость), так и не аддитивно (вязкость, диэлектрическая проницаемость). Применяются также методы, в основе которых лежат политермические диаграммы зависимости свойств от состава смеси и методы определения свойств, функционально не связанных со свойствами компонентов или имеющих физический смысл лишь в приложении к смеси как к целостной системе.

Простые внутренние эффекты могут формировать несколько видов измерительных эффектов и соответственно измеряемых сигналов:

- механические (изменение объема, напряжений, усилий или перемещение жидкости);

- тепловые (изменения температуры или разности температур); электрические (изменение сопротивления, емкости, добротности, тангенса угла диэлектрических потерь);

- магнитные (изменение индукции, индуктивности, добротности и взаимоиндукции);

- оптические, включая электромагнитные (изменение интенсивности и направления потока энергии, его спектрального состава, угла поворота плоскости поляризации и др.);

- радиационные (поглощающая и рассеивающая способности вещества в отношении проникающих излучений – рентгеновского и радиоактивных; естественное или вызванное излучение).

Особое место занимают эффекты, приводящие к изменению химических, физико-химических и биологических свойств исследуемых проб. Эти первичные эффекты приводят к возникновению вторичных более простых физических эффектов и таким образом могут быть измерены.

Физические измерительные эффекты, нашедшие применение в лабораторных исследованиях, можно объединить в несколько групп, связав их с физической природой воздействующего фактора – методического эффекта.

1. Механические воздействия приводят к возникновению нескольких видов измерительных эффектов:

- механические, в том числе – упругие деформации, изменения вязкости, коэффициент диффузии, параметры движения жидкости, поглощение и дисперсия звука и т.п.;

- тепловые, возникающие при изменении режима течения в результате вязкого трения, эффекта объемной вязкости, благодаря изменению кинетики экзо- и эндотермических процессов;

- электрические, связанные с изменениями электропроводности, диэлектрической проницаемости и угла диэлектрических потерь, электрокинетическими эффектами;

- оптические, проявляющиеся в изменениях оптической плотности, угла поворота плоскости поляризации, коэффициентов рассеяния и отражения, показателя преломления, волнового сопротивления и коэффициента распространения;

- биохимические, иммунохимические и микробиологические, а также многочисленные химические и физико-химические эффекты изменение скоростей реакций и физико-химических процессов, характер массопередачи, фазовые превращения, поверхностные явления и т.д.

Наиболее существенные с точки зрения лабораторного анализа оптические и электрические эффекты возникают при тех механических воздействиях, которые приводят к течению или перераспределению компонентов жидкостных смесей (т.е., в основном, при изменении режимов перемешивания), а не как следствие изменения гидростатического давления. Гидростатическое давление играет относительно более активную роль в отношении биологических эффектов, приводя к разрушению ряда веществ биологического происхождения, гибели клеток и микроорганизмов.

2. Измерительные эффекты, вызываемые тепловыми воздействиями:

- механические, отражающиеся в объемном расширении вещества, термоконвекции, изменениях скорости, коэффициента и дисперсии звука, вязкости;

- тепловые - вследствие излучения, фазовых переходов, испарения, кипения, сублимации, конденсации, плавления, конвекции или теплопроводности, в том числе и из-за нелинейности коэффициентов теплопроводности и отражения и неодинаковости их по объему системы;

- электрические - изменения электропроводности, диэлектрической проницаемости и угла диэлектрических потерь;

- магнитные - например, изменения магнитной восприимчивости;

- оптические - изменения оптической плотности, коэффициентов светорассеяния и отражения, угла поворота плоскости поляризации, показателя преломления, излучения света вследствие термолюминесценции и др.;

- биологические - изменения характера развития микробных популяций, иммунологической и биохимической активности и др.

3. Электрические воздействия вызывают:

- механические эффекты - электрострикцию, изменение массы электродов и раствора в результате электролиза и электродиффузии, различные типы электрофореза, электроосмотический и электрокапиллярный эффекты;

- тепловые – эффект Джоуля, нагрев диэлектриков в переменном поле, эффект Пельтье;

- электрические – различные виды поляризации электродов; нелинейные эффекты электропроводности; изменение угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости; изменения общего импеданса; изменение электродных импедансов в зависимости от потенциала электрода и частоты поля; дисперсию электропроводности, диэлектрической проницаемости и угла диэлектрических потерь;

- магнитные – например, изменение индуктивности и добротности с частотой поля;

- оптические – эффекты Покельса и Керра, круговой дихроизм, излучение света при разрядах, электролюминесценцию; изменения оптической плотности, спектральной характеристики, показателя преломления, коэффициентов отражения и рассеяния;

- химические, физико-химические и биологические – изменение скорости реакций; диссоциацию молекул в полях высокой напряженности; электрокоагуляцию коллоидов; возникновение градиентов pH и изменение активности в растворах амфолитов под действием поля; изменение биохимической активности роста микроорганизмов; стерилизацию жидкостей; возбуждение нервных клеток и т.д.

4. Измерительные эффекты при магнитных воздействиях на пробу:

- механические эффекты, например, магнитострикция;

- тепловые – магнетокалорический эффект;

- электрические, связанные с изменениями электропроводности и диэлектрической проницаемости в магнитном поле;

- магнитные – ядерный магнитный и электронный парамагнитный резонансы и др.;

- оптические – изменение оптической плотности, коэффициентов рассеяния и отражения, эффекты Фарадея, двойного лучепреломления, Коттона-Мутона, Зеемана, дисперсия магнитооптического вращения, круговой дихроизм в продольном магнитном поле;

- химические, физико-химические и биологические, которые еще не изучены достаточно полно.

5. Оптические воздействия обуславливают следующие измерительные эффекты:

- механические, например, такой, как световое давление;

- тепловые – выражающиеся в изменении температуры среды в результате интегрального или селективного поглощения световой энергии;

- электрические – внутренний фотоэффект, внешний фотоэлектрический эффект, фотодиффузионный эффект Дембера, изменение диэлектрической проницаемости под действием света и др.;

- оптические – интерференцию, изменения плоскости поляризации, спектральных и пространственных характеристик светового излучения (фотолюминесценцию, дифракцию, релеевское и комбинационное рассеяния), дисперсию электромагнитных волн, нелинейные оптические эффекты, эффект Мандельштамма-Бриллюена и т.д.);

- химические, физико-химические и биологические – изменение агрегатного состояния, фотохимические реакции, фотоадсорбцию, фотосинтез органических веществ в растительных и бактериальных клетках; фотодинамический эффект, приводящий к сенсибилизированному красителем повреждению органических веществ, белков, клеток и т.д.

6. Воздействия проникающих ядерных и рентгеновских излучений приводят к целой серии химических (радиационно-химических) и биологических эффектов и, как следствие, к изменениям самых различных физических и физико-химических свойств:

- радиационно-химические эффекты – ионизация, возникновение свободных радикалов, крекинг органических соединений, димеризация, окисление, галоидирование, выделение газообразных продуктов, образование или уничтожение двойных связей, сшивание и деструкция полимеров и сополимеров и т.д. (например, в результате радиолиза воды могут образовываться активные радикалы H⁺, OH^-, HO₂^-, а также перекись водорода, которые, в свою очередь, являются важными факторами биологического действия излучений);

- биологические – замедление роста, инактивация и гибель микроорганизмов, вирусов, клеток; нарушение синтеза белков и нуклеиновых кислот; генетические изменения, связанные с возникновением мутаций, разрывом хромосом;

- радиационные – например, испускание гамма-квантов в результате радиационного захвата нейтронов.

Химические, физико-химические и биохимические воздействия также могут приводить к различным измерительным эффектам:

- механическим – изменения объема, давления, упругости, масс различных частей пробы, скорости, коэффициента поглощения и дисперсии звука;

- тепловым – изменения температуры;

- электрическим – изменения пассивных электрических характеристик среды, их дисперсии; эффекты, связанные с изменениями ЭДС гальванических элементов и диффузионных потенциалов;

- магнитным – изменения магнитной проницаемости;

- оптическим – изменения оптической плотности, коэффициентов рассеяния и отражения, оптической активности, двойного лучепреломления, спектральных характеристик люминесценции;

- радиационным и радиационно-химическим – появление радиоактивности и возникновение химических реакций изотопного обмена в результате введения в исследуемую пробу изотопных индикаторов.

Ряд воздействий на вещество извне приводит к побочным эффектам, которые могут влиять на выходной измерительный эффект. Это обусловило стремление стабилизировать существенные для исследований параметры пробы. Примерами такой "обратной" тенденции являются распространенные в лабораторной практике процедуры: термостатирование, pH-статирование, баростатирование, герметизация с целью предотвращения доступа в исследуемую систему компонентов окружающей среды и др.

Высокой информативностью характеризуются аналитические методы, основанные на сложных и, в частности, двойных эффектах, когда измерительный сигнал формируется при наличии более чем одного воздействия. Например, метод изотахофореза – сочетание электрического и гидродинамического воздействия; методы масс-спектро­метрии и ядерного квадрупольного резонанса - сочетание электрического и магнитного воздействия; методы поточно-полевого фракционирования - сочетание воздействия потока жидкой среды с действием электрического, температурного или центробежного полей и т.п.