На правах рукописи

ТРУНОВА Валентина Александровна

РЕНТГЕНОФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ АНАЛИЗ С ВОЗБУЖДЕНИЕМ

СИНХРОТРОННЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ – МЕТОДОЛОГИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

СПЕЦИФИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

02.00.02 – аналитическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора химических наук

Иркутск– 2017

2

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном учреждении науки

Институте неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН

Научный консультант: д-р физ.-мат. наук, академик РАН Г.Н. Кулипанов

Официальные оппоненты:

Фадеева Валентина Павловна, д-р хим. наук, профессор,

Новосибирский институт органической химии им. Н.Н.

Ворожцова СО РАН, заведующая лабораторией

микроанализа

Белых Лариса Ивановна, д-р хим. наук, старший научный

сотрудник «Национального исследовательского Иркутского

государственного технического университета», профессор

кафедры промышленная экология и БЖД института

недропользования

Китов Борис Иванович, д-р техн. наук, Иркутский

государственный университет путей сообщения,

заведующий кафедрой теоретической и прикладной

механики

Ведущая организация

Институт общей и неорганической химии им. Н.С.

Курнакова РАН (г. Москва)

Защита диссертации состоится «14» февраля 2018 г. в 10 часов на заседании

диссертационного совета Д212.074.03 на базе Иркутского государственного

университета по адресу: г. Иркутск, ул. Лермонтова, 126, химический факультет ИГУ,

ауд. 430.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Иркутского

государственного университета и на сайте www.isu.ru

Отзывы на автореферат просим высылать по адресу:

664003, г. Иркутск-3, ул. К. Маркса, д. 1, ИГУ, химический факультет

Автореферат разослан “____”____________2017.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор химических наук, профессор Л.Б. Белых

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Несмотря на развитие и усовершенствование аналитических методов изучения

элементного состава вещества, в ряде случаев возникает проблема определения

концентраций и распределения элементов в специфических объектах, представляющих

интерес в биологии, физиологии, лимнологии, дендрохронологии, геологии. В

частности, вариабельность элементного состава биотканей и их специфичность

накладывают ограничения на использование традиционных подходов при элементном

анализе. Это касается вопросов прежде всего пробоотбора, пробоподготовки и способов

учета матричных эффектов. В случае взятия биопсийного материала следует учитывать

состояния организма (норма, патология, воздействия внешней среды). Специфика

лимнологических образцов предполагает прямое сканирование мокрого керна с высоким

пространственным разрешением и последующим получением распределения

концентраций элементов по глубине. При исследовании неорганических материалов

традиционным недеструктивным методом рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) в

силу недостаточной чувствительности аппаратуры и большой расходимости пучка

возбуждающего излучения невозможно получить достоверную информацию об

элементном составе при малых концентрациях элементов и при сканировании образца

большой протяженности. Кроме того, в рамках единой методологии необходимо иметь

возможность исследовать образцы в неизменном виде, которые при выполнении

многоэлементного анализа нельзя подвергать деструкции.

Принимая во внимание уникальные особенности синхротронного излучения (СИ)

(высокая интенсивность первичного пучка излучения, на много порядков превышающая

интенсивность традиционных лабораторных источников излучения, широкий

спектральный диапазон и естественная коллимация пучка СИ), необходима разработка

методологии применения рентгенофлуоресцентного анализа на синхротронном

излучении (РФА-СИ) для изучения элементного состава специфических объектов

различной химической природы.

Степень разработанности темы исследования

В литературе не найдено данных о распределении химических элементов в

миокарде разных отделов сердца в условиях нормального развития детей раннего

возраста в норме и патологии, а также у здоровых и больных людей. В настоящее время

отсутствуют рутинные методики для определения химических элементов в образцах

биопсийного и операционного материала живых организмов. Поскольку биопсийный

материал всегда имеет ультрамалую массу – от 0,5 мг до 4 мг на сухой вес, такое

количество материала образца обычно напрямую не может быть подвергнуто

исследованию типичными современными методами анализа. Крайне востребован прямой

многоэлементный недеструктивный анализ образцов биотканей миллиграммовой массы

для определения элементов: P, S, Cl, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se,

Br, Rb, Sr, Zr, Ag, Cd, Sn, Sb, Te, I, Au, Hg, Tl, Pl, Bi, Th, U с требуемыми пределами

обнаружения. Анализ литературных данных показал, что имеются только единичные

4

работы с определением 10–12 элементов в пробах массой десятки миллиграмм. Именно

метод РФА-СИ позволяет анализировать пробы малой массы (до 0,5 мг) и подбирать

оптимальные условия эксперимента для определения интересующих элементов.

Изучение донных осадков с помощью сканирования методом РФА-СИ проводится

в рамках палеоклиматических исследований, но задача получения количественных

данных с шагом по глубине керна менее 1 мм остаётся нерешенной.

Несмотря на многие преимущества синхротронного излучения по сравнению с

излучением рентгеновской трубки, его использование вносит в анализ ряд особенностей,

которые необходимо учитывать для получения достоверных данных.

Экспериментальные станции на источниках синхротронного излучения, благодаря

определенному сочетанию характеристик используемого оборудования и геометрии

измерений, являются уникальными. Поэтому исследования, направленные на разработку

методологии проведения измерений в условиях конкретной станции, т.е. на поиск

оптимальных условий, являются актуальными.

Определение элементного состава специфических объектов – биопсийный

материал биотканей и количественные определения элементов в результате прямого

сканирования мокрых кернов донных отложений с разрешением 1мм и менее – такие

задачи в настоящий момент широко применяемыми методами или трудно решаемы или

не решаемы вовсе. Возможности РФА СИ метода позволяют разрабатывать методологии

для решения этих проблем.

Цель работы − разработка методического обеспечения на базе метода РФА-СИ

для получения количественных данных о содержании элементов в биологических

материалах и кернах донных отложений.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

оценить эффективность различных способов нормировки интенсивностей

при обработке спектров флуоресценции с учетом цикличности работы ускорительного

кольца ВЭПП-3;

измерить коэффициенты ослабления рентгеновского излучения для учета

матричных эффектов в стандартных материалах различной природы;

выбрать адекватный способ консервации на этапе пробоотбора для

биопсийного материала массой <10 мг;

разработать приемы подготовки излучателей без деструкции пробы массой

<15 мг;

определить элементный состав с пределами обнаружения химических

элементов <1 мкг/г и определить корреляции между концентрациями химических

элементов в различных биотканях и кернах донных отложений;

провести системное исследование элементного состава тканей в различных

отделах сердечно-сосудистой системы человека;

выбрать условия проведения эксперимента для исследования объектов

протяженной формы, на примере кернов донных отложений;

5

разработать методику определения концентраций элементов в кернах

донных отложений способом прямого внешнего стандарта после выполнения

сканирования с высоким разрешением.

В данной работе представлены аналитические задачи, которые возможно решить,

используя синхротронное излучение, адаптировав его для каждого конкретного объекта

исследования и выполнив методологические разработки.

Научная новизна

1. Разработана методология исследования элементного состава образцов

биологической и геологической природы неразрушающим методом РФА СИ:

– экспериментально реализован способ нормировки спектров РФА-СИ на площадь

пика комптоновского рассеяния, учитывающий непостоянство входной интенсивности

СИ вследствие цикличной работы накопительного кольца;

– измерены массовые коэффициенты поглощения и рассчитаны коэффициенты

ослабления характеристического излучения для учета матричных эффектов в

биологических и геологических материалах, что позволило использовать

градуировочные образцы разной природы для способа прямого внешнего стандарта.

2. Для биологических материалов массой от 0,5 до 10 мг показано:

– криоконсервация является надежным способом сохранения исходного состава

исследуемой пробы;

– доказана возможность использования порошковых стандартных образцов в

качестве внешнего стандарта при прямом анализе плоскопараллельных цельных

фрагментов биотканей.

3. Проведено систематическое исследование элементного состава биотканей

печени, легких и отделов сердечно-сосудистой системы, в результате чего:

– с использованием разработанных методик определены концентрации

химических элементов (P, S, Cl, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Br, Rb,

Sr, Zr, Mo) в разных отделах миокарда эмбриона и здорового человека, а также

проведены аналогичные исследования при различных сердечно-сосудистых патологиях;

– установлено, что рубидий может являться маркером сердечно-сосудистой

патологии – дилатационной кардиомиопатии;

– при исследовании пищевого ожирения у экспериментальных животных было

установлено, что такие элементы как – V, Cr, Ni, Mn, Br, Rb, Sr, As, Zr, Mo, принимают

активное участие в метаболических процессах печени и легких.

4. Разработанная методика РФА-СИ для сканирования кернов донных отложений

позволила определить концентрации элементов (породообразующих, редких и

рассеянных); сканирующий анализ с пространственным разрешением 1–0,5 мм позволил

осуществить реконструкцию динамики ледников Байкальского региона с временным

разрешением «год-сезон» в диапазоне от 100 до 1000 лет.

6

Практическая значимость

Благодаря разработанному методическому обеспечению, получены

систематические данные о содержании химических элементов в различных отделах

сердца и сосудов человека в норме и при развитии сердечно-сосудистых патологий.

Полученные данные позволяют судить о функциональном состоянии сердечно-

сосудистой системы (например, дефицит меди может провоцировать расширение стенки

аорты, дефицит цинка приводит к развитию сердечной недостаточности) и могут быть

использованы в ранней диагностике сердечно-сосудистых заболеваний (при дефиците

селена возрастает риск развития коронарной болезни), установлении маркеров развития

патологического процесса (увеличение содержания в два и более раз рубидия может

быть маркером дилатационной кардиомиопатии).

Исследуемые разрезы донных отложений, были изучены с временным

разрешением год-сезон, определялось распределение вдоль керна геохимических и

минералогических показателей. В элементном составе донных отложений показано

поступление в озеро терригенной составляющей и развитие биопродуктивности озера

(Ni, Cu, Br и U), увеличение содержания Са, K, Ti, Fe и Mn отображает поступление

кластогенного материала в озеро, когда ледник находится в «стационарном» положении

без интенсивного смещения его переднего края. Повышение интенсивности водотоков,

впадающих в озеро, происходило за счет потери мощности ледника при его таянии.

Увеличение содержания Rb, Sr, Zr, Nb, Y и Th связано с началом «движения» ледника и

интенсификацией процесса ледниковой эрозии ложа ледника. Эти элементы приурочены

к тонкодисперсной фракции кластогенного материала. В периоды, когда передний край

ледника интенсивно отступал, возрастала мутность вод озера, которая подавляла

развитие аквальной биоты. Схожие чередования «подвижного» и «стационарного»

состояния ледника наблюдаются и в других горных районах Восточной Сибири.

Полученная информация может быть включена в курсы лекций по использованию

РФА-СИ в материаловедении, а также в учебных программах по аналитической химии и

физическим методам анализа.

Методология и методы исследования

Метод РФА-СИ позволяет радикально улучшить возможности РФА. В этом

случае:

• малая угловая расходимость и непрерывный спектр СИ позволяют

осуществлять перестраиваемое в широком диапазоне энергий монохроматическое

возбуждение; становится возможным избирательное возбуждение элементов в образцах

сложного состава и выбор оптимальных условий для регистрации определяемого

элемента;

• естественная поляризация СИ создаёт возможность на один-два порядка

уменьшить фон от рассеяния возбуждающего излучения на образце при оптимальном

выборе угла детектирования;

7

• высокая интенсивность пучков СИ позволяет проводить локальный анализ с

высоким пространственным разрешением, работать с очень тонкими образцами, что во

многих случаях дополнительно улучшает отношение сигнал/фон.

Метод РФА-СИ позволяет анализировать образцы малой массы (до 0,5 мг) и

подбирать оптимальные условия для определения содержаний интересующих элементов.

Особенностью накопительного кольца – источника синхротронного излучения является

его цикличная работа, в ходе которой происходит постепенное снижение со временем

силы тока заряженных частиц и, как следствие, интенсивности возбуждающего

излучения. В результате через несколько часов работы накопителя требуется

производить новый цикл накопления и ускорения частиц. В связи с этим возникает

проблема нормировки рентгенофлуоресцентных спектров. Выбор оптимального способа

нормировки должен основываться на особенностях конкретной станции РФА-СИ.

Поэтому исследования, направленные на поиск оптимальных условий измерений в

условиях конкретной станции, являются необходимыми.

На защиту выносится:

• Методология исследования образцов миллиграммовой массы

биологического происхождения.

• Применение разработанных методик к анализу элементного состава

биологических тканей человека и экспериментальных животных для сопоставления

распределения элементов и их корреляционных связей с метаболическими процессами в

живых организмах.

• Методология исследования образцов влажных кернов донных отложений

для определения концентраций химических элементов.

• Результаты применения разработанной методологии к исследованию

донных отложений приледниковых озер Байкальского региона с целью реконструкции

палеоклимата.

Личный вклад соискателя

Автор лично проводила и непосредственно участвовала во всех экспериментах по

разработке методологии исследования элементного состава образцов биологической и

геологической природы неразрушающим методом РФА-СИ. Постановка задачи,

обсуждение результатов, написание публикаций по теме диссертационной работы

выполнены совместно с соавторами. Под руководством В.А. Труновой выполнено более

10 дипломных работ бакалавров и магистров факультета естественных наук

Новосибирского государственного университета. Трунова В.А. является научным

руководителем двух аспирантов Зверевой В.В. и Сидориной А.В., которые успешно

защитили кандидатские диссертации по специальности аналитическая химия в 2009 и

2015 гг.

Обоснованность научных положений и выводов

Результаты, научные положения и выводы диссертационной работы Труновой

В.А., являются достоверными и обоснованными. Все результаты прошли научное

8

рецензирование в процессе публикации в ведущих российских и международных

журналах. Материалы работы были представлены в форме устных докладов на

Международных конференциях по использованию синхротронного излучения СИ-2000,

СИ-2002, СИ-2004, СИ-2008, СИ-2010, СИ-2012, СИ-2014, СИ-2016, Международной

конференции «Аналитическая химия и химический анализ», Киев, 2005 г.; Европейской

конференции по рентгеновской спектрометрии «EXRS 2006», Париж, 2006 г.;

V Всероссийской конференции по рентгеноспектральному анализу, Иркутск, 2006 г.;

Международной конференции «Фундаментальные науки – биотехнологии и медицине»,

Новосибирск, 2006 г.; X Аналитическом Российско-германско-украинском симпозиуме

ARGUS «Нано-аналитика», Саратов, 2007 г.; Европейской конференции по

рентгеновской спектрометрии «EXRS 2008», Кавтат, 2008 г.; VI Всероссийской

конференции по рентгеноспектральному анализу, Краснодар, 2008 г.; Синхротронное

излучение в современных технологиях: Школа по подготовке специалистов,

Новосибирск, 2008 г.; Proceedings of the 2nd International conference on X-ray analysis,

Уланбатор, Монголия, 2009 г.; European conference on X-ray Spectrometry (EXRS 2010),

Figueira da Foz, Portuga, 2010 г.; TECHNART 2011 International Conference, Non-

destructive and microanalytical techniques in art and cultural heritage Berlin, Germany,

2011 г.; VII Всероссийская конференция по рентгеноспектральному анализу»,

Новосибирск, 2011 г. – 3 доклада; European conference on X-ray Spectrometry”, Vienna,

Austria, 2012 г. – 2 доклада; European Conference on X-Ray Spectrometry «EXRS-2014»,

Болонья, Италия, 2014 г.; VIII Всероссийская конференция по рентгеноспектральному

анализу, Иркутск, 2014 г.; 6th International Conference «Charged & Neutral Particles

Channeling Phenomena», Капри, Италия, 2014 г.; I Всероссийская конференция с

международным участием «Химический анализ и медицина», Москва, 2015 г.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы

(гл. 1), методические подходы к применению РФА-СИ для определения элементного

состава биообразцов и реконструкции палеоклимата (гл. 2), методические подходы при

анализе биотканей миллиграммовой массы (гл. 3), РФА-СИ биотканей (гл. 4), результаты

РФА-СИ сканирования кернов донных отложений для реконструкции палеоклимата

(гл. 5), основных результатов и выводов, списка литературы из 259 литературных

источников, приложения. Работа изложена на 215 страницах машинописного текста,

содержит 53 рисунка и 50 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении показана актуальность темы и степень её разработанности.

Определены цели и задачи исследований, сформулирована научная новизна,

теоретическая и практическая значимость работы, методология и методы исследования и

положения, выносимые на защиту.

В первой главе показаны основные свойства и характеристики синхротронного

излучения, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными

9

рентгеновскими трубками. На основании анализа литературы сделан вывод о

необходимости дальнейших методологических исследований на экспериментальной

станции рентгенофлуоресцентного анализа на накопительном кольце ВЭПП-3 (ИЯФ СО

РАН, Новосибирск) с целью оптимизации отдельных этапов методики РФА-СИ

биологических объектов и разработки методики определения концентраций элементов в

кернах донных отложений способом прямого внешнего стандарта, используя данные

прямого сканирования.

Во второй главе содержится описание используемого экспериментального

оборудования и методы определения элементного состава биотканей.

В третьей главе показаны способы сохранения миллиграммовых фрагментов

биотканей, их пробоподготовки, использования стандартных образцов (СО) разных

матриц, метрологические характеристики метода РФА-СИ.

В четвертой главе представлены результаты исследования методом РФА-СИ

биотканей человека (волосы, ногти, миокард, стенки сосудов) и животных (легкие,

печень), проведено их обсуждение и показана возможность их применения.

В пятой главе приведены результаты реконструкция динамики ледников

Байкальского региона с временным разрешением «год-сезон» в диапазоне от 100 до 1000

лет.

ГЛАВА 2. Методические подходы к применению РФА-СИ для определения

элементного состава биообразцов, концентраций элементов по длине керна

Все измерения проводились на экспериментальной станции элементного

рентгенофлуоресцентного анализа на базе Института ядерной физики им. Г.И. Будкера

СО РАН (ВЭПП-3). Накопительное кольцо ВЭПП-3 имеет длину 74.4 м и работает в

области энергий от 350 МэВ (инжекция) до 2000 МэВ (эксперимент). Сила тока

электронов может достигать 160 мА. Синхротронное излучение, принимаемое каналом

станции рентгенофлуоресцентного анализа, исходит от вигглера (устройство,

представляющее собой набор магнитов) с магнитным полем 2 T. В качестве первичного

источника возбуждения используется монохроматический пучок СИ. Для

монохроматизации первичного «белого» пучка СИ используется монохроматор, типа

«Бабочка» (Channel cut) с рабочими плоскостями Si (111), который обеспечивает

получение монохроматического излучения в диапазоне энергий 8–42 кэВ. Для

проведения рентгенофлуоресцентного анализа из спектра СИ вырезается участок

шириной ΔЕ/E = 3÷4×10–4

. Монохроматизация осуществляется за счет дифракции

узконаправленного пучка рентгеновского излучения, что убирает сплошной фон,

образующийся за счет упруго рассеянного первичного излучения в области

регистрируемых флуоресцентных линий исследуемых элементов. Регистрация

характеристического флуоресцентного излучения от образца осуществляется при

помощи полупроводникового детектора Si (Li) PentaFET (Oxforf Instruments), который

обеспечивает регистрацию флуоресценцентного излучения с энергетическим

10

разрешением ~140 эВ (на линии 5.9 кэВ) при загрузках порядка 10 кГц. Располагая

детектор в плоскости поляризации монохроматизированного пучка СИ под углом 90о к

этому пучку, можно уменьшить интенсивность упруго рассеянного и комптоновского

пиков, а соответственно и высоту фонового плато. Максимальный диаметр

анализируемого образца – 30 мм. Время измерения образцов составляет 10–103 с,

рабочая среда – воздух. Диапазон определяемых химических элементов – от S до U.

Обработка полученных спектров осуществляется при помощи программы AXIL для

флуоресцентных спектров (Canberra Packard, Benelux). Форма линии в ней описывается

при помощи кривой Гаусса. Расчет спектров осуществляется в диалоговом режиме при

помощи нелинейного метода наименьших квадратов.

Оценка погрешностей, обусловленных свойствами синхротронного

излучения

Особенность работы всех накопителей СИ заключается в их цикличной работе.

После накопления пучка электронов происходит постепенное падение силы тока

электронов в накопительном кольце, время падения пучка ~ 5–6 часов, в это время ток

падает с 120 до 60 мА, соответственно падает и количество фотонов, происходит

снижение интенсивности возбуждающего излучения, попадающего на образец.

Необходима нормировка измеряемых спектров для учета изменений интенсивности

возбуждающего излучения. Для этого на экспериментальной станции РФА-СИ

рассматривается вариант нормировки измеряемых спектров на площадь пика

комптоновского рассеяния. Было выполнено 2 серии измерений стандартного образца

(СО) биологической ткани: NCS ZC 85005 Beef Liver (лиофилизированный порошок

говяжьей печени). Масса таблетки спрессованного образца составляла 10 мг (d = 8 мм).

Анализ выполняли при возбуждении флуоресценции излучением с энергией 18 кэВ.

Длительность одного измерения составляла 500 с. Было проведено две серии

последовательных измерений 43 и 37 спектров. Характер изменения нормированной

площади пика Kα-линии железа а) без нормировки и б) с нормировкой на площадь пика

комптоновского рассеяния показан на рис. 1, соответственно.

0,0E+00

2,0E+04

4,0E+04

6,0E+04

8,0E+04

1,0E+05

1,2E+05

1,4E+05

1,6E+05

5565758595105115125

S

I, мА

а)

11

Рис. 1. а) площадь пика Kα-линии Fe при значениях тока 120–60 мА без нормировки. S –

площадь пика (количество импульсов), I – величина силы тока. б) площадь пика Kα-

линии железа при значениях силы тока 120–60 мА после нормировки на площадь пика

комптоновского рассеяния. Измерено 43 спектра.

При снижении величины силы тока от 120 до 60 мА площадь пика Kα-линии Fe также

уменьшается. В ходе эксперимента, на станции элементного анализа за 12 часов

измерений, протекавших при снижении величины тока накопительного кольца в два раза

и прерывающихся процессом перенакопления пучка электронов, не было обнаружено

случайных ошибок, которые могли возникнуть из-за нестабильности положения пучка

СИ и привести к изменению степени поляризации возбуждающего излучения. На

экспериментальной станции РФА-СИ используется способ нормировки на площадь пика

комптоновского рассеяния, более приемлемый для данных условий и данного

оборудования.

Избирательное возбуждение и снижение пределов обнаружения

В рентгенофлуоресцентном анализе существует проблема перекрывания

спектральных линий на разных диапазонах измеряемых энергий. Использование

синхротронного излучения в качестве источника возбуждения позволяет варьировать

энергию возбуждающего излучения в широком диапазоне. Для проверки правильности

данного подхода были выбраны четыре стандартных образца с различным содержанием

свинца и мышьяка (табл. 1). Выполнен анализ всех четырех стандартных образцов и

одного образца легочной ткани экспериментальных крыс. Определение мышьяка

проводили в двух режимах энергии возбуждения: при 18,5 и 14 кэВ. K-край поглощения

мышьяка составляет 11,9 кэВ, а L-край поглощения свинца – 15,8 кэВ. Таким образом,

при энергии возбуждения 18,5 кэВ происходило одновременное возбуждение Kα линии

мышьяка, и Lα линии свинца, которые накладываются друг на друга в

рентгенофлуоресцентном спектре.

Таблица 1

Содержание As и Pb в стандартных образцах

Название

образца

Hair DC 73347,

волос

Mussel N6, мышца

моллюска

Бил-1,

байкальский ил

Soil DC 73319,

почва

Концентрация

As (мкг/г)

0,28 9,2 18 34

Концентрация

Pb (мкг/г)

8,8 0,91 21 98

При энергии возбуждения 14 кэВ L-линии свинца в спектре отсутствовали, и Kα

линия мышьяка была свободна от интерференций. Обработка спектров, в частности,

расчет интегральных площадей пиков спектральных линий, проводилась с помощью

программы QXAS (Quantitative X-ray Analysis System). Для построения калибровочной

кривой использовалась суммарная площадь линий мышьяка, нормированная на площадь

12

пика комптоновского излучения. Зависимость величины аналитического сигнала

(интенсивность K-линий мышьяка) от концентрации мышьяка в стандартных образцах

Hair NIES №5, Mussel NIES №6, Bil-1, Soil-7 IAEA при двух различных энергиях

возбуждения представлена на рис. 2 а и б.

Рис. 2. Распределение интенсивности линий As для стандартных образцов с различным

содержание As и Pb при энергии возбуждения: а) 18 кэВ и б) 14 кэВ

Варьируя энергию возбуждающих квантов или используя избирательное

возбуждение, подбираем оптимальные условия для корректного определения элементов,

а также снижаем пределы обнаружения интересующих элементов.

Рассеивающие и поглощающие свойства матриц исследуемых и стандартных

образцов: определение массовых коэффициентов ослабления

Измерения массовых коэффициентов ослабления проводилось на станции EXAFS-

спектроскопии в СЦСТИ (ИЯФ СО РАН). В качестве монохроматора использовался

однослойный кристалл Si (111). Подавление высших гармоник не было сделано, потому

что их интенсивность была незначительной. Для регистрации рентгеновского излучения

использовались ионизационные камеры, заполненные аргоном и гелием. Время одного

измерения составляло 10 с., шаг изменения энергии составлял 100 эВ в диапазоне 7–

12 кэВ. Были получены значения массовых коэффициентов ослабления (µm, см2/г) и

стандартное отклонение измеренных величин (SD) для рентгеновского излучения с

энергией 7–12 кэВ, в биологических, геологических СО и исследуемых образцах печени

и легких. Значения массовых коэффициентов ослабления, определенных в ходе данного

эксперимента, свидетельствуют о том, что разные биологические ткани могут довольно

существенно отличаться по своим поглощающим и рассеивающим свойствам, несмотря

на то, что их матричный состав представлен одними и теми же биогенными элементами

– H, C, N и O. В области энергий рентгеновского излучения 7–12 кэВ разница между

поглощающими свойствами растительной и животной ткани может достигать 47%, а при

сравнении животных тканей разного типа – 22%. В случае сложных многоэлементных

образцов, таких как, например, почва, расхождение между теоретическими и

экспериментальными значениями в области энергий 7–12 кэВ может достигать 29% .

а б

13

Определение состава химических элементов в биотканях по способу

прямого внешнего стандарта с учётом поправки на поглощение

В РФА-СИ для расчета концентраций по способу прямого внешнего стандарта с

поправкой на поглощение были выбраны СО, матрицы которых отличались по своим

поглощающим и рассеивающим свойствам.

Таблица 2

Значения концентраций химических элементов в СО Beef liver (печень),

рассчитанные относительно СО Soil-7 (почва) с учетом и без учета поправки

на поглощение (p = 0.95, n = 9)

Элемент (Ccert ± Δ), мкг/г (Ci ± Δ), мкг/г (C (без учета µm) ± Δ), мкг/г

K 10000 ± 800 9200 ± 500 70000 ± 3000

Ca 185 ± 11 130 ± 3 960 ± 21

Mn 9,1 ± 0,9 9,1 ± 0,4 36 ± 2

Fe 450 ± 40 480 ± 8 1560 ± 23

Cu 97 ± 5 100 ± 15 260 ± 40

Zn 165 ± 12 160 ± 8 360 ± 15

Br 3,85 ± 0,25 4,2 ± 0,4 5,9 ± 0,5

Rb 24 ± 3 18,7* 23,5*

Sr 1,0 ± 0,1 0,94 ± 0,04 1,13 ± 0,04

* – SD для СО не указано;

Сcert – паспортная концентрация элемента;

Сi – рассчитанная концентрация элемента.

В табл. 2 представлены результаты расчета концентраций (±Δ) химических

элементов в стандартном образце печени NCS ZC 85005 Beef liver относительно СО

IAEA Soil-7 (почва) с учетом и без учета поправки на поглощение. Концентрации,

полученные без учета поправки, превышают значения, указанные в паспорте СО в

несколько раз (табл. 2).

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Ca Fe Cu Zn

Нормировка

на комптон +

µ

Паспортные

данные

Без учета µ

ко

нц

ентр

аци

и х

им

.элем

енто

в,

мкг/

г

14

Рис. 3. Содержания элементов в СО Beef liver (печени), относительно СО Soil-7 (почвы),

рассчитанные разными способами

На рис. 3 наглядно показано, что, не учитывая поправки на поглощение, получаем

значения концентраций элементов, отличающиеся от паспортных данных. Вводя

поправки на поглощение (при различии массовых коэффициентов ослабления

анализируемого и стандартного образцов в 6 раз) и используя нормирование площадей

пиков определяемых элементов на площадь пика комптоновского рассеяния в РФА-СИ

по способу прямого внешнего стандарта с поправкой на поглощение (или по способу

стандарта фона), можно добиться достоверных результатов даже при анализе

материалов, чьи поглощающие и рассеивающие свойства значительно различаются.

Определение коэффициентов спектрометрической чувствительности

и концентраций элементов в СО, содержание которых не аттестовано

Для определения концентрации элемента, не аттестованного в СО образце,

следует оценить содержание интересующего элемента, если есть аттестованные данные

о содержании химического элемента с близким атомным номером. Необходимым этапом

является построение кривой спектрометрической чувствительности на основании

измеренных площадей пиков химических элементов в СО образце и аттестованных

значений их концентраций. Излучение первичного источника возбуждения должно быть

монохроматическим; матрица образца должна содержать элементы – H, C, N, O, а

содержание примесных элементов в образцах должно быть на уровне мкг/г. В настоящем

исследовании при использовании монохроматического СИ для возбуждения

флуоресценции биотканей выполняются все вышеперечисленные условия. Мы

использовали значения концентраций химических элементов аттестованные в

международных СО: Mussel NIES N.6, Oyster Tissue NIST 1566, Animal blood A-13 IAEA.

При этом в представленных СО элементы V, Mn, Br, Rb, Sr были не всегда аттестованы в

некоторых из них. Коэффициенты спектрометрической чувствительности (Ris) по

отношению к комптоновскому пику для каждого элемента в каждом СО были

рассчитаны.

Рис. 4. Кривая спектрометрической чувствительности для стандарта

y = 4E-06x2 - 1E-04x + 0.0005

R2 = 0.9888

-5.0E-04

0.0E+00

5.0E-04

1.0E-03

1.5E-03

2.0E-03

2.5E-03

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Z, атомный номер элемента

Ris

Mussel NIES №6

15

Mussel NIES №6 (мышцы моллюска). Eex = 20 кэВ (n = 5)

Рис. 5. Кривая спектрометрической чувствительности для стандарта

Oyster tissue NIST 1566. Eex = 20 кэВ (n=5)

Кривые были аппроксимированы по методу наименьших квадратов (МНК), на графиках

рис. 4 и 5 величина достоверности аппроксимации R2 указана полиномиальными

функциями второго порядка. На графиках также приведены величины стандартных

отклонений для коэффициентов чувствительности, которые характеризуют

внутрилабораторную прецизионность результатов РФА-СИ метода (n = 5). Выполненной

серией экспериментов было определено содержание химических элементов V, Mn, Br,

Rb, Sr в СО мышц моллюска NIES №6 Mussel, тканей мидии NIST 1566 Oyster tissue.

Полученные данные представлены в табл. 3.

Таблица 3

Информационные значения элементов, полученные в международных СО методом

РФА-СИ

Стандартный образец Элемент С, мкг/г

Oyster Tissue NIST 1566 Br 64 ± 6

Mussel NIES N. 6

V 0,50 ± 0,11

Br 98 ± 5

Rb 2,70 ± 0,44

Animal Blood IAEA A-13 Mn 3,70 ± 0,4

Sr 0,20 ± 0,02

Метод РФА-СИ проб в слое «промежуточной» толщины.

Поверхностная плотность излучателя

Необходимость изучения влияния поверхностной плотности излучателя на

величину спектрометрической чувствительности (Ris) связана с исследованием образцов

тканей (миокарда и сосудов), полученных при биопсии (операционный материал).

Пробоподготовка образцов включает в себя стадию высушивания под прессом, однако,

из-за различной массы образцов и структуры ткани доступной при биопсии толщина

y = 7E-06x2 - 0.0003x + 0.0027

R2 = 0.9885

0.0E+00

5.0E-04

1.0E-03

1.5E-03

2.0E-03

2.5E-03

3.0E-03

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Z, атомный номер элемента

Ris

Oyster tissue NIST 1566

16

образцов различна. Поверхностная плотность образцов и стандартов изменялась в

диапазоне 5–30 мг/см2. При минимальной поверхностной плотности (5 мг/см

2)

определение содержания элементов с порядковым номером Z < 29 (Cu) представляют

собой излучатели в слое «промежуточной» толщины, а для элементов Z ≥ 29 – анализ в

тонком слое в 10%-ом приближении. Для расчета были использованы массовые

коэффициенты поглощения матрицы из базы данных NIST для мышечной ткани, а также

было оценено влияние поверхностной плотности излучателя СО на ткани бычьей

печени, Bovine liver NIST 1577, и на величины коэффициентов спектрометрической

чувствительности. Пробоподготовка проб заключалась в прессовании сухого материала

стандарта массой 7,5; 9,2; 11,9; 13,4; 18,8 и 23,0 мг в таблетки диаметром 8 мм при

помощи гидравлического пресса (давление P = 120 кг/см2). Затем спрессованные

таблетки помещались между двумя майларовыми пленками толщиной 2,5 мкм и

закреплялись фторопластовыми кольцами. Измерения проводились в режиме энергии

возбуждения (Eex) 17 КэВ. Время экспозиции составляло 500 c. Было проведено по 3

измерения для каждой таблетки СО Bovine liver NIST 1577 разной плотности.

Коэффициенты спектрометрической чувствительности (Ris) рассчитывали для каждого

СО и определяемых элементов, построены соответствующие кривые

спектрометрической чувствительности таблеток стандарта разной плотности (рис. 6).

Поверхностная плотность (ρs) таблеток СО составляла 14,9; 18,3; 23,7; 26,7; 37,4; 45,8

мг/см2, что соответствует излучателю «промежуточной» толщины для РФА-СИ. Все

полученные кривые спектрометрической чувствительности были аппроксимированы

полиномами третьего порядка. Коэффициенты Ris рассчитывались только для тех

химических элементов, содержание которых аттестовано в СО Bovine liver NIST 1577.

Рис. 6. Кривые спектрометрической чувствительности для СО Bovine liver

NIST 1577 при различной поверхностной плотности таблеток излучателя,

Eex = 17 кэВ

Кривая, отвечающая минимальному значению плотности таблетки (14,9 мг/см2), более

пологая по сравнению с кривой, полученной для максимального значения плотности

стандарта Bovine liver 1577, для которого она имеет более крутой характер. Область

R2 = 0.9978

R2 = 0.9984

-2.0E-04

0.0E+00

2.0E-04

4.0E-04

6.0E-04

8.0E-04

1.0E-03

1.2E-03

1.4E-03

1.6E-03

1.8E-03

2.0E-03

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Z, атомный номер элемента

Ris

1) ρs = 14,9 мг/см2

2) ρs = 18,3

3) ρs = 23,7

4) ρs = 26,7

5) ρs = 37,4

6) ρs = 45,8

17

наименьшей расходимости кривых лежит в пределах значения Z = 25–30 (то есть, от Mn

до Zn). Плотности таблеток для биологического стандарта ткани печени 15–45 мг/см2 не

вносят в данном случае существенных ошибок в определение концентраций химических

элементов, за исключением K и Ca.

Выбор условий сканирования и определение содержания элементов

в мокрых кернах донных осадков методом РФА СИ

Высокое разрешение при сканировании образцов кернов (1–0,5 мм) позволило

выявить тесную взаимосвязь между динамикой ледников и климатическими

изменениями, определить региональные климатические параметры, под действием

которых произошли изменения в динамике развития ледников.

Колонку влажного керна от её получения до проведения сплошного сканирования

выдерживали при температуре +2 ÷ +5°С, не подвергая при этом образец никакой

дополнительной обработке. После проведения сканирования колонки влажного керна,

полученные рентгенофлуоресцентные спектры обрабатывали при помощи программы

AXIL (Canberra Packard, Benelux). Были получены интегралы площадей пиков

породообразующих K, Ca, Ti, Mn, Fe, редких и рассеянных Ni, Cu, Zn, As, Br, Rb, Sr, Y,

Zr, Nb, Mo, Ba, La, Ce элементов в относительных единицах. Распределение

интенсивностей Br двух состыкованных колонок показано на рис. 7.

Глубина мм

Рис. 7. Распределение Br по глубине керна в относительных единицах интенсивности,

состыкованные две колонки

Далее проводилось определение концентраций элементов способом прямого внешнего

стандарта. На полученных профилях интенсивностей в колонке для каждого из

исследуемых элементов (рис.7) выделялись участки с постоянной интенсивностью

элемента – так называемые «полочки». Затем из влажного образца керна вырезали

фрагменты материала выделенных «полочек» (4–6 мм по длине), высушивали материал

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Br

Ин

тен

сивн

ост

ь в о

тн. ед

ин

.

18

до постоянного веса (под ИК-лампой, T = 35C), растирали в яшмовой ступке до

получения однородного порошка и прессовали в таблетки (массой ≈ 30 мг, d = 6 мм) при

помощи гидравлического пресса. Концентрации элементов были определены, используя

стандартный образец Байкальского ила (БИЛ-1). Их необходимо знать для получения

количественных характеристик водности притока в озера. Используя значение

концентрации интересующего химического элемента в таблетке (сухой материал) из

данного участка керна и используя имеющиеся данные по интенсивности

флуоресценции химического элемента во влажном керне, был рассчитан коэффициент

пересчёта (ki) интенсивностей в концентрации (на сухой материал) по всей длине керна.

Полученные данные в «полочке» экстраполируем по всей длине колонки в соответствии

с полученными интенсивностями в каждой точке. Значения концентраций элементов во

влажном керне можно получить путем пересчета полученных концентраций для сухого

материала, используя данные профиля влажности по всему керну. На рис. 8 состыковано

четыре колонки по длине 850 мм. Представлено распределение Mn в мкг/г с

разрешением в 1 мм. Рассчитывается скорость осадконакопления (мм в год). Для таких

исследований особенно важны содержания элементов, которые не вступают в контакты с

другими (U, Th, Rb и др.). Для этого и был разработан способ определения концентраций

исследуемых элементов при сплошном сканировании мокрого керна.

Глубина, мм

Рис. 8. Четыре колонки одного керна, состыкованные по длине. Мn в мкг/г

ГЛАВА 3. Методические подходы при анализе биотканей миллиграммовой массы

Влияние консервации на изменение элементного состава биоматериала

миллиграммовой массы. Извлеченные образцы тканей и органов используются для

проведения клинических исследований и выполнения анализа определения элементов.

Самыми распространенными химическими фиксаторами, позволяющими сохранить

морфологию ткани для проведения гистологических и других медицинских

исследований, являются растворы на основе формалина. При анализе элементного

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

колонка 4

колонка 3

колонка 2

колонка 1

Mn

, (м

кг/г

)

19

состава биологической ткани важно, чтобы между этапами пробоотбора и

пробоподготовки, то есть на стадии консервации биоматериала, не происходило

изменение концентрации определяемых элементов. В литературе данных о хранении

образцов массой до 500 мг в растворе формалина не найдено. Нами была выполнена

работа по определению влияния раствора формалина на элементный состав

исследуемого материала. Масса образцов биологической ткани составляла от 10 до 25

мг, а временной интервал от пробоотбора до пробоподготовки составлял всего несколько

часов или суток. Экспериментальные образцы находились в растворе формалина

различные промежутки времени: от четырех часов до шести суток. После окончания

периода фиксации образцы вынимали из раствора формалина, размещали между двумя

фторопластовыми пленками и помещали под груз для высушивания при комнатной

температуре (до постоянного веса), как и свежие образцы. Были определены уровни

содержания 10 элементов: Cl, K, Ca, Fe, Cu, Zn, Se, Br, Rb, Sr в свежих образцах

миокарда и в образцах, фиксированных в растворе формалина от 4 часов до 6 суток.

Найденные концентрации с указанием стандартного отклонения представлены в табл. 4.

Таблица 4

Концентрации химических элементов (мкг/г) в свежих и фиксированных

образцах миокарда

Элемент Свежие, n=9 4 часа, n=3 1 сутки, n=4 2 суток, n=4 4 суток, n=2 6 суток, n=3

Cl 3400 ± 500 50 ± 30 130 ± 80 150 ± 18 70 ± 30 80 ± 30

K 9000 ± 1000 400 ± 100 700 ± 300 960 ± 190 440 ± 120 400 ± 120

Ca 280 ± 130 79 ± 14 53 ± 5 74 ± 8 80 ± 20 31 ± 6

Fe 240 ± 50 230 ± 30 160 ± 17 160 ± 20 180 ± 20 120 ± 12

Cu 22.1 ± 2.1 21.2 ± 1.3 18.9 ± 1.6 16.1 ± 1.1 16.2 ± 1.4 12.4 ± 1.6

Zn 100 ± 20 82 ± 8 73 ± 12 60 ± 5 53 ± 19 39 ± 4

Se 1.38 ± 0.21 1.61 ± 0.28 1.44 ± 0.27 1.35 ± 0.20 1.37 ± 0.25 1.10 ± 0.05

Br 29 ± 5 5.1 ± 0.3 6.9 ± 1.1 8.0 ± 1.1 6.1 ± 0.6 5.8 ± 0.6

Rb 16 ± 4 2.5 ± 0.6 4.0 ± 1.5 5.6 ± 1.4 3.01 ± 0.22 3.5 ± 0.9

Sr 0.45 ± 0.05 0.28 ± 0.05 0.22 ± 0.04 0.23 ± 0.04 0.272 ± 0.021 0.181 ±

0.023

* n – количество образцов.

Было установлено, что в образцах биологической ткани миокарда массой

наблюдается значимое уменьшение концентраций Cl, K, Ca, Br, Rb и Sr уже через 4 часа

после фиксации раствором формалина. Остальные 4 элемента также уменьшаются в

содержаниях. Результат эксперимента свидетельствует о том, что концентрации Cl, K,

Ca, Fe, Cu, Zn, Se, Br, Rb, Sr могут быть достоверно определены в образцах

биологических тканей без изменения концентрации определяемых элементов, когда

используются только замороженные образцы.

20

Пробоподготовка излучателей из материала миллиграммовой массы

Перспективным и неоспоримым достоинством метода РФА-СИ является прямой

анализ цельных образцов биологической ткани с минимальной пробоподготовкой

материала, что важно при работе с образцами биологической ткани миллиграммовой

массы. Все СО представляли собой сухой порошок лиофилизированного стандартного

материала, а исследованные фрагменты биотканей миллиграммовой массы возможно

было только высушить, придав им плоскопараллельную форму. При таком способе

пробоподготовки исследуемые образцы не были идентичны по своей структуре СО.

Проведено исследование влияния двух способов пробоподготовки (с растиранием и без)

ткани печени крысы на результаты анализа методом РФА-СИ. Было соблюдено

соответствие значений поверхностной плотности стандартного и исследуемого образцов,

а также близость химического состава их матриц.

Таблица 5

Средние концентрации химических элементов в цельных и растертых образцах

печени (мкг/г ± SD)

Элемент Концентрации в

цельных образцах, n=4

Концентрации в

растертых образцах,

n=3

K 13200 ± 1400 13700 ± 600

Ca 370 ± 40 530 ± 27

Mn 4.0 ± 0.8 6.6 ± 0.5

Fe 700 ± 40 780 ± 50

Cu 8.1 ± 0.8 10.0 ± 1.0

Zn 77 ± 3 76.2 ± 1.0

Se 2.00 ± 0.08 1.92 ± 0.06

Br 42 ± 6 40.4 ± 0.8

Rb 37 ± 4 36.1 ± 1.0

Sr 0.32 ± 0.12 1.5 ± 0.3

* SD – стандартное отклонение.

В табл. 5 представлены средние значения концентраций химических элементов в

образцах печени до и после их растирания. Концентрации K, Ca, Mn, Fe, Cu, Zn, Se, Br,

Rb и Sr рассчитали в каждой пробе печени.

Значимость различий проверялась по U-критерию Манна-Уитни (для выборок

малого объема). Табл. 5 демонстрирует отсутствие значимых различий (p = 0,05).

Концентрации Ca и Mn Sr в растертых образцах превышали концентрации в цельных

образцах. Причина данных различий заключается в неравномерном распределении этих

элементов в печени, что хорошо видно из табл. 6, где показаны концентрации в цельных

образцах, измеренные при последовательном повороте образца (неоднородность

распределения).

21

Результаты проведенных экспериментов показали отсутствие значимых различий

определяемых элементов в случае прямого анализа плоско-параллельного фрагмента

печени и в случае растирания того же образца и приготовленных из него таблеток. Таким

образом, прямой анализ образца с минимальной пробоподготовкой биоткани методом

РФА-СИ является правомерным.

Таблица 6

Результаты оценки прецизионности для двух цельных образцов печени, мкг/г,

P=0,95

Цельный образец №1

Поворот пробы K Ca Mn Fe Cu Zn Se Br Rb Sr

1 8942 380 4,50 673 7,15 68,9 2,23 37,7 29,9 0,20

2 8388 539 4,51 625 7,28 73,1 2,35 39,2 30,5 0,29

3 7383 718 4,66 664 7,12 73,4 2,31 38,2 28,7 0,36

4 8066 523 4,51 650 7,32 69,3 2,16 32,9 29,1 0,30

5 8501 250 4,04 676 7,49 66,8 2,29 34,7 28,8 0,10

среднее 8200 480 4,44 658 7,27 70,3 2,27 36,6 29,4 0,25

Sr, % 7 38 5 3 2 4 3 7 3 41

Цельный образец №2

Поворот пробы K Ca Mn Fe Cu Zn Se Br Rb Sr

1 12046 358 5,7 734 7,8 67,0 2,15 46,3 37,4 0,10

2 11599 314 4,6 678 7,3 65,7 2,12 48,9 35,9 0,10

3 11604 325 5,0 683 7,8 65,2 2,19 44,0 35,1 0,12

4 11462 342 6,3 733 8,4 66,3 2,18 46,4 36,9 0,12

5 11895 347 5,6 749 8,1 67,3 2,30 45,7 36,0 0,08

среднее 11720 337 5,4 715 7,9 66,3 2,19 46,3 36,3 0,10

Sr, % 2 5 12 5 5 1 3 4 2 13

Главным достоинством указанного способа пробоподготовки является

минимальное количество операций и применяемых реагентов. Отсутствие

дополнительных реагентов, растирания и нагревания снижает риск загрязнения и потерь

анализируемых элементов. Такой способ пробоподготовки может быть единственно

доступным при необходимости количественного анализа образцов биотканей, массой < 1

мг, в особенности материала биопсии.

Оценка влияния неоднородности распределения элементов в СО

при анализе проб малой массы

Особенно сложным представляется анализ образцов миллиграммовой массы,

полученных в ходе операций и при биопсии миокарда и стенки аорты в ходе сердечного

зондирования. Масса таких образцов после этапа пробоподготовки может достигать 1 мг

и менее. Для РФА-СИ анализа пучок монохроматического первичного возбуждающего

22

излучения должен быть коллимирован в соответствии с размером образца. На основе

экспериментальных данных были рассчитаны коэффициенты спектрометрической

чувствительности. На примере биологического СО мышечной ткани моллюска (NIES №6

Mussel) было показано влияние неоднородности излучателей на результаты РФА-СИ

анализа (рис. 9.). Стандартный образец мышечной ткани моллюска был приготовлен в

виде таблетки массой 10 мг.

Размер коллиматора монохроматического пучка первичного возбуждающего

излучения составил 5 мм (диаметр коллиматора №1), 2,5 мм (коллиматор №4) и 2 мм

(коллиматор №5), что соответствует площади пучка фотонов (на образце) 28 мм2, 7 мм

2 и

4.4 мм2.

Данные о коэффициентах спектрометрической чувствительности (по отношению к

пику некогерентного рассеяния), полученные для коллиматора №1, принимались за

истинные и сравнивались с данными, полученными для коллиматоров наименьшего

размера – №4 и №5. Правильность данных, полученных для случая коллиматора №1,

проверялась путем одновременного анализа двух разных стандартных образцов – Beef

liver NCS ZC 85005 и Mussel NIES №6 (данные представлены в табл. 7).

Таким образом, в стандартном образце мышц моллюска (Mussel NIES №6) такие

элементы, как К, Mn, Ca, Fe, Cu, Zn, As, Se, Br, распределены достаточно однородно и

могут быть определены с необходимыми метрологическими характеристиками при

минимальном размере коллиматора до 2 мм в диаметре, что соответствует минимальной

площади облучаемого образца 4.4 мм2. При анализе образцов неизвестного состава

следует использовать коллиматор максимального размера, но соизмеримый с площадью

аналита. При анализе образцов неизвестного состава следует использовать коллиматор

максимального размера, но соизмеримый с площадью аналита.

Таблица 7

Концентрации элементов в стандарте Mussel NIES №6, полученные

по стандарту Beef liver NCS ZC 85005.

0.0E+00

5.0E-04

1.0E-03

1.5E-03

2.0E-03

2.5E-03

3.0E-03

3.5E-03

4.0E-03

4.5E-03

5.0E-03

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Z, атомный номер элемента

Ris

Mussel (коллим. №1)

Mussel (коллим. №4)

Mussel (коллим. №5)

Рис. 9. Значение коэффициентов спектрометрической чувствительности для

стандартного образца мышечной ткани моллюска (Mussel NIES №6) для трех

различных размеров коллиматора. Энергия возбуждения 18 кэВ (n=3).

Сп

ектр

ом

етри

чес

кая

чувст

ви

тельн

ост

ь

Ris

23

Eex = 18 кэВ C (мкг/г) ± SD

элементы Mussel NIES №6

(аттестованные

значения)

Mussel NIES №6 (концентрации

определены c помощью Beef liver NCS

ZC 85005), Xcp (n=3)

K 5400 ± 200 5100 ± 330

Ca 1300 ± 100 1000 ± 160

V 0.52 ± 0.16 0.51 ± 0.11

Cr 0.63 ± 0.07

Mn 16.3 ± 1.2 15.1 ± 0.8

Fe 158 ± 8 149 ± 7

Ni 0.93 ± 0.06

Cu 4.9 ± 0.3 5.1 ± 0.4

Zn 106 ± 6 99 ± 4

As 9.2 ± 0.5

Se 1.5* 1.76 ± 0.07

Br 98 ± 5

Rb 2.70 ± 0.44 2.54 ± 0.18

Sr 17* 19.8 ± 1.3

*Здесь опорное значение, н/а – содержание элемента не аттестовано.

Метрологические характеристики метода

Повторяемость в методике РФА-СИ. Эксперименты по оценке повторяемости

выполнены в следующих условиях: оператор один, аппаратурные параметры постоянны,

время измерения одной серии минимально и определяется необходимым временем

измерения для одной пробы, в стационарном режиме при неизменном положении

образца относительно монохроматизированного пучка СИ.

Таблица 8

Повторяемость для СО волоса NIES №5 Human Hair, мкг/г, Eex = 19, n=20

S Cl K Ca Ti Cr Mn Fe

С (мкг/г)-

NIES №5 38000 250 34 728 22 1.4 5.2 225

Χ±SD

(N=20) 39500+2000 268+49 40+13 720+50 21+2 1,4+0,1 5,3+0,5 220+20

Sr ,% 7 18 31 6 10 6 8 5

Δ 900 23 6 24 1 0,05 0,2 9

Co Ni Cu Zn Se Br Rb Sr

С (мкг/г)- NIES №5

0.1 1.8 16.3 169 1.4 90 0.19 2.3

Χ±SD

(N=20) 0,10+0,01 1,7+0,1 17.0+1,3 170+10 1,4+0,1 91+7 0,19+0,02 2,3+0,1

Sr ,% 14 7 7 6 4 7 13 5

Δ 0,005 0,05 0,6 5 0,05 3 0,01 0,05

24

В табл. 8 представлены паспортные значения концентраций определяемых элементов в

СО волоса и данные, полученные в нашем эксперименте. Представлено среднее значение

полученных концентраций и погрешность измерения .

Таблица 9.

Повторяемость результатов анализа свежего образца сердца здорового животного,

Eex = 20 кэВ, масса 13,5 мг, n=12

Свежий

образец Cl K Ca Fe Cu Zn Se Br Rb Sr

n = 12

среднее 3200 10600 180 230 20,8 96 1,03 32 19 0,70

±SD ±248 ±234 ±14 ±3 ±0,2 ±2 ±0,03 ±1 ±0,4 ±0,08

Sr % 8 2 7 1 1 2 3 4 2 11

Табл. 9 представляет результаты повторяемости исследуемого образца сердца крысы. Из

данной таблицы видно, что значения повторяемости в исследуемой пробе ниже, чем в

прессованной таблетке градуированного образца.

Таблица 10

Повторяемость результатов РФА-СИ ткани гипертрофированного миокарда левого

желудочка сердца человека, Eex = 20 кэВ, n=12.

образец

№ 5-30 S K Ca Mn Fe Ni Cu Zn Br Rb Sr

Xcp 3700 400 1200 3.0 400 14.0 10 100 15 0.32 4.0

Отн.станд.

откл. 290 32 91 1.1 11 0.6 0.65 7.0 2.0 0.08 0.2

Sr% (n=12) 8% 7% 8% 37% 3% 4% 6% 6% 14% 25% 6%

В табл. 10 приведены аналогичные данные для образца мышечной ткани

гипертрофированного миокарда левого желудочка человека при энергии возбуждения

флуоресценции 23 кэВ, масса пробы 9 мг. Содержание Cr и Se в данном образце – ниже

пределов обнаружения. Из табл. 9, 10 видно, что ткани одного органа, но разных живых

организмов имеют разные погрешности при анализе.

Внутрилабораторная прецизионность. Эксперименты по оценке

внутрилабораторной прецизионности выполнены в следующих условиях: несколько

операторов, время измерения одной серии может меняться (измерения проб проводятся в

несколько смен), экспозиция пробы может проводиться при её повороте относительно

монохроматизированного пучка СИ.

Табл. 11 показывает прецизионность результатов РФА-СИ градуированного

образца Mussel NIES №6, масса пробы 12 мг. Концентрации даны для элементов,

которые имеют содержание менее 1 мкг/г (Cr, Co, Ni) и значения Sr% выше 15%.

Таблица 11

Прецизионность результатов РФА-СИ СО Mussel NIES №6. Масса пробы

12 мг, Eex = 19 кэВ, n = 20

25

Mussel

NIES 6 K Ca Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn As Se Sr

С, мкг/г, 5400 1300 0.63 16.3 158 0.37* 0.93 4.9 106 9.2 1.5* 17*

± SD станд.

отклон. ±200 ±100 ±0.07 ±1.2 ±8 ±0.06 ±0.3 ±6 ±0.5

Xcp 5000 1200 0.60 16 150 0.40 1.0 4.0 100 9.0 2.0 20

± SD станд.

отклон. ±450 ±103 ±0.16 ±1.2 ±11 ±0.013 ±0.15 ±0.4 ±6 ±0.5 ±0.11 ±1.1

Sr% отн.

откл. 9% 9% 27% 8% 7% 33% 15% 10% 6% 6% 6% 6%

* – опорное значение (не аттестованное значение, указанное в паспорте

стандартного образца).

В табл. 12 приведены метрологические характеристики прецизионности

результатов анализа одних и тех же образцов, но измеренных двумя способами, первый –

образец измеряли 8 раз в разные перенакопления (Sr1), а второй – его поворачивали в

ходе измерений и разные перенакопления (Sr2) при энергии возбуждения флуоресценции

12 кэВ. Данные были получены для серии образцов миокарда левого желудочка, при

ишемической болезни сердца, масса данного образца 11,5 мг. Неоднородность

распределения химических элементов в пробах учитывалась путем усреднения данных,

полученных при последовательных поворотах пробы (n = 8). При этом, полученные

данные (Sr2, %) характеризуют как прецизионность метода, так и неоднородность

распределения элемента (суммарный фактор) в ткани пробы.

Таблица 12

Прецизионность результатов РФА-СИ анализа образца ткани миокарда и степень

неоднородности распределения химических элементов в образце. Eex = 12 кэВ; n=8

Элемент Sr1, % Sr2, % Элемент Sr1, % Sr2, %

K 1 6 Ni 20 27

Ca 1,3 10 Cu 2,3 5

Cr 4 17 Zn 0,6 6

Mn 17 29 As 26 78

Fe 0,8 5

Для оценки внутрилабораторной прецизионности анализа было проведено 9

измерений для одного исследуемого образца печени и 10 измерений для одного

исследуемого образца легких, масса пробы печени – 10,5 мг, легких – 8,8 мг, табл. 13.

Средние значения концентраций и их относительные стандартные отклонения

приведены в табл. 13. При оценке прецизионности при каждом следующем измерении

образец поворачивался на угол ≈45 по отношению к предыдущему положению,

26

измерения этих проб выполнялись в разное время. Минимальное значение

относительного стандартного отклонения получено для брома в образце печени – 11%, а

максимальное, 27%, – для кальция в образце легких, что, скорее всего, является

следствием неоднородности распределения элементов в исследуемых пробах.

Таблица 13

Внутрилабораторная прецизионность результатов анализа для исследуемых

образцов печени и легких, Eex = 19 кэВ

Элемент Печень, n=9 Легкие, n=10

C, мкг/г Sr, % C, мкг/г Sr, %

K 7400 12 5500 15

Ca 98 23 95 27

Mn 5 16 0.8 22

Fe 580 18 220 21

Cu 10 19 1.7 18

Zn 68 18 28 18

Se 3.1 18 0.5 17

Br 19 11 29 18

Rb 28 17 9 17

Sr 0.11 20 0.14 23

В табл. 14 представлены данные внутрилабораторной прецизионности

элементного состава образца ногтя, измеренного 8 раз в разных точках, в разных сменах.

Видны существенные отличия между величинами относительного стандартного

отклонения (Sr %) в СО и исследуемом ногте донора.

Taблица 14

Внутрилабораторная прецизионность для образца ногтя,

Eex = 19 кэВ мкг/г, n=8, P=0,95

S Cl K Ca Ti Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Se Br Rb Sr

Xcp 34300 320 162 2070 25 2.6 1.2 55 0.11 2.6 3.3 101 0.70 1.9 0.36 2.0

SD 3200 64 47 300 6 0.8 0.4 11 0.02 0.5 0.3 7 0.05 0.2 0.10 0.3

Δ 2700 50 40 260 5 0,7 0,3 9 0,02 0,4 0,2 6 0,04 0,2 0,1 0,2

Sr, % 9 2 29 14 24 31 33 20 18 19 9 7 7 11 28 15

Пределы обнаружения метода РФА-СИ

Расчет пределов обнаружения (ПО) осуществляли по следующей формуле:

0,95

BGRSTD

P BGRmin 3,29 ,

P

NC C

N N

(1)

где NP – интегральная площадь пика линии (Kα1,2) определяемого элемента в

стандарте, NBGR - интегральная площадь фона, CSTD – концентрация определяемого

элемента в СО, Сmin – определяемая концентрация элемента.

27

На рис. 10 приведены значения пределов обнаружения для СО ткани печени

Bovine liver NIST 1577 при трех различных энергиях возбуждения.

На рис. 11 представлен график значений пределов обнаружения, полученных на

основе данных СО Mussel NIES №6 (мышцы моллюска) и NCS ZC 85005 Beef liver

(ткань печени) для энергии возбуждения 13 кэВ: значение пределов обнаружения для K и

Ca составляют 14 и 7,2 мкг/г для Mussel NIES #6, а для стандарта Beef liver NCS ZC

85005, 8,9 и 4,1 соответственно. Для таких элементов как Mn и Fe пределы обнаружения

при энергии возбуждения 13 кэВ практически в два раза меньше по сравнению с теми,

которые получены для 23 кэВ. Однако, для более легких элементов, таких как K и Ca,

несмотря на то, что энергия возбуждения флуоресценции 13 кэВ ближе к энергиям краев

поглощения данных элементов (и возбуждение флуоресценции, таким образом, должно

быть более эффективным), пределы обнаружения для K и Ca в данном случае выше

(табл. 15). Это связано с более высоким уровнем фона в области линий K и Ca, так как

для легких матриц в области энергий возбуждения менее 12–15 кэВ существенным

становится вклад когерентного рассеяния в фоновое плато.

Рис. 11. Значения пределов обнаружения для СО Mussel NIES №6 и NCS ZC 85005

Beef liver. Энергия возбуждения 13 кэВ

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

25 26 29 30 34 35 37 38

Z, атомный номер элемента

Cm

in,

мкг/г

Eex = 13 кэВ

Eex = 18 кэВ

Eex = 23 кэВ

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

25 26 29 30 33

Z, атомный номер элемента

C m

in,

мкг/

г

Mussel NIES #6

NCS ZC 85005 Beef liver

Рис.10. Значения пределов обнаружения для Bovine liver NIST 1577

при энергии возбуждения 13, 18 и 23 кэВ.

28

Таблица 15

Пределы обнаружения K и Ca, полученные по данным измерений СО при трех

энергиях возбуждающих квантов (Eex = 13, 18 и 23 кэВ)

Cmin, мкг/г

K Ca

13 кэВ

Mussel NIES №6 14,2 7,2

NCS ZC 85005 Beef liver 8,9 4,1

18 кэВ

Mussel NIES №6 11,7 5,0

Bovine liver NIST 1577 8,8 3,2

23 кэВ

Mussel NIES №6 17,1 8,2

NCS ZC 85005 Beef liver 11,6 6,8

Таким образом, варьируя энергию возбуждения флуоресценции, можно добиться

оптимальных пределов обнаружения определяемых элементов.

Проверка правильности результатов РФА-СИ

Для проверки правильности результатов анализа был проведен одновременный

анализ нескольких стандартных образцов. В табл. 16 приведены данные, полученные при

одновременном измерении стандартных образцов мышечной ткани моллюска (Mussel

NIES №6) и мягких тканей устрицы (Oyster tissue NIST 1566). Полученные значения

концентраций элементов для Mussel NIES №6, определенные при помощи Oyster tissue

NIST 1566, который использовался в качестве внешнего стандарта, попадают в

доверительный интервал их паспортных значений. Величины концентраций приведены в

мкг/г (сухой вес).

Таблица 16.

Проверка правильности определения значений концентраций химических

элементов на примере стандартного образца Mussel NIES №6

Eex = 19 кэВ C, мкг/г ± станд. отклон.

элементы Mussel NIES №6

(аттестованные значения)

Mussel NIES №6 (концентрации

определены с помощью Oyster tissue

NIST 1566), Xcp (n=6)

K 5400 ± 200 6000 ± 800

Ca 1300 ± 100 1400 ± 153

Cr 0.63 ± 0.07 0,76 ± 0,08

Mn 16.3 ± 1.2 15,9 ± 0,74

Fe 158 ± 8 170 ± 12

Ni 0.93 ± 0.06 0,86 ± 0,27

29

Cu 4.9 ± 0.3 5,3 ± 0,4

Zn 106 ± 6 110 ± 8

As 9.2 ± 0.5 10,0 ± 0,30

Se 1.5* 1,9 ± 0,1

Sr 17* 18,5 ± 0,90

* Информационное значение, н/а – значение концентрации элемента не

аттестовано

Проведен анализ образцов ткани миокарда (материал аутопсии: врожденный порок

сердца – левый желудочек сердца) методом РФА-СИ и методом атомно-эмиссионной

спектроскопии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-АЭС). Образцы №1 и 2 были

проанализированы методом РФА-СИ, затем проводился ИСП-АЭС анализ тех же

образцов, так как метод РФА-СИ является неразрушающим. Масса образцов №1 и 2

составляла 8,9 и 7,9 мг, соответственно. Значения концентраций определяемых

элементов, полученные в ходе анализа данными методами, представлены в табл. 17.

Метод РФА-СИ не позволяет проводить определение элементов Na, Mg, Si, так как

проводится на воздухе. Таким образом, данные о концентрациях соответствующих

элементов приведены только для метода ИСП-АЭС. Однако, в случае ИСП-АЭС

отсутствуют данные о концентрациях таких элементов, как P, S, Cl, Cr, Ni, Se, Br и Rb.

Данные о содержании Mn, Fe и Cu хорошо согласуются между собой. Для K, Zn, Sr

данные по образцу №2 хорошо согласуются, тогда как в случае образца №1 наблюдаются

некоторые расхождения в результатах анализов. Величины концентраций Ca, полученные

в результате анализа методом ИСП-АЭС, завышены по сравнению с результатами,

полученными при анализе методом РФА-СИ. Более высокие концентрации также

обнаруживаются и для Zn и Sr (образец №1) для ИСП-АЭС. Нужно отметить, что масса

образцов являлась критической в ИСП-АЭС анализа.

Таблица 17

Проверка правильности результатов анализа образцов миокарда методами

РФА-СИ и ИСП-АЭС

образец №1 образец №2

миокард лев. жел. сердца миокард лев. жел. сердца

РФА-СИ ИСП-АЭС РФА-СИ ИСП-АЭС

элемент С, мкг/г (сухой вес) С, мкг/г (сухой вес)

доверительный интервал (P=0.95) доверительный интервал (P=0.95)

Na 43000–44000 37000–38000

Mg 170–190 170–190

Si 21–23 24–26

P 4600–4800

S 2800–5100 1400–2400

Cl 780–1200 350–550

K 1000–1600 800–920 550–850 660–820

Ca 620–980 1100–1300 390–610 1100–1300

30

Cr 0,3–0,5 0,1–0,3

Mn 1,1–1,8 1,4–1,6 1,4–2,2 1,5–1,7

Fe 120–160 140–200 170–230 220–280

Ni 0,8–1,2 1,1–1,9

Cu 6,9–9,1 8,0–10 6,0–8,0 9,0–11

Zn 1200–1400 1600–1800 1900–2200 2000–2200

Se 0,33–0,49 0,55–0,85

Br 7,9–10 9,6–12

Rb 1,4–1,7 1,4–1,8

Sr 1,3–2,1 2,5–3,5 1,6–2,5 1,5–2,5

В рамках проведения разработки и аттестации методики выполнения измерений

(МВИ) проводилась метрологическая экспертиза используемых СО зарубежного

производства совместно и по договору с ФГУП «Уральский научно-исследовательский

институт метрологии». 16 международных СО внесены в Государственный реестр с

регистрационным номером для каждого стандарта и допущены к применению в

Российской Федерации. Нами выполнены измерения каждого стандартного образца

(n = 20–30) и определены метрологические характеристики этих измерений. На

основании этих данных выполнена аттестация методики измерений – «Методика

выполнения измерений массовой доли химических элементов в пробах биотканей

методом рентгенофлуоресцентного анализа с использованием синхротронного

излучения» (МВИ). Она предназначена для измерения массовой доли химических

элементов P, S, Cl, K, Ca, Sc, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Br, Rb, Sr, Hg, Pb в

пробах биотканей на экспериментальной станции рентгенофлуоресцентного анализа в

ИЯФ СО РАН г. Новосибирск.

ГЛАВА 4. РФА-СИ биотканей

Элементный состав производных эпителиальных тканей человека.

Разработанные методические подходы были применены для определения содержания

макро- и микроэлементов (МЭ) в образцах биотканей здоровых и больных живых

организмов. Уровни содержания химических элементов, их соотношения в

эпителиальных тканях (желудочно-кишечного тракта, волосы, ногти) соответствуют их

содержанию в стандартных образцах волоса. Поэтому возможно использовать СО волоса

для анализа такого рода объектов. В данной работе проводилось исследование образцов

волос доноров, отобранных в разное время, по длине волоса, по площади головы и по

разным точкам их отбора. В этой работе определялись 20 элементов – S, Cl, K, Ca, Sc, Ti,

Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, As, Se, Br, Rb, Sr, и Pb. Важными для диагностики

являются Cu, Zn и Se, так как они тесно связаны с иммунной системой человека. В

отличие от волос, в ногти элементы поступают только изнутри организмов, главным

образом за счет метаболических процессов, поэтому исследование содержания

химических элементов в ногтях человека актуально. Нами проведено определение

31

содержания химических элементов по площади ногтевой пластинки от матрикса до края

срезаемой части и от левого латерального ногтевого изгиба до правого с шагом

измерения 1 мм. Цель этого этапа – определить, есть ли различия в содержании

химических элементов в ногтевой пластинке, соприкасающейся с мягкими тканями

пальца и срезаемой частью. Не найдено различий в содержании химических элементов

между срезаемой частью ногтя и частью, контактирующей с мягкими тканями пальца.

Проведено определение содержания химических элементов во всех двадцати ногтях

девяти доноров. Нами не обнаружено значительных отличий в содержании изучаемых

химических элементов в ногтях мужчин и женщин. Найденные индивидуальные отличия

свидетельствуют о влиянии на это распределение жизнедеятельности каждого

отдельного человека. Сравнение с литературными данными показывает отличие наших

данных по содержанию K, Ca, Mn, Cr, Ni, Zn, Rb. Это объясняется тем, что мы

проводили определение содержания химических элементов в каждом ногте, а в

приводимой литературе исследовались «усредненные» образцы ногтей. Насколько

информация о содержании элементов в ногтях индивидуальна? В течении 6 месяцев у

трех доноров в период с октября по март месяц проводился отбор ногтей рук каждые 4

недели. Нашей целью было установление динамики изменения в содержании

определяемых элементов во времени. На рис. 12 представлены графики, отражающие

изменение содержания Se, Zn и K в ногтях левой и правой рук доноров. Изменение

содержания этих элементов в ногтях рук в течение шести месяцев различно. Подобная

картина наблюдается и для остальных изучаемых элементов. Обнаруженное изменение

содержания химических элементов с течением времени может свидетельствовать о том,

что при анализе ногтей возможно увидеть изменения метаболических процессов в

организме человека.

32

Рис.12. Содержание K, Zn и Se в ногтях левой и правой рук трех доноров, взятые на

анализ в течение шести месяцев

Всестороннее изучение этой возможной функции ногтей, установление

механизмов включения элементов в структуру ногтевой пластинки и определение

степени реагирования элементного состава ногтя на изменение влияющих факторов

откроет большие возможности в области неинвазивной диагностики. Результаты данного

исследования опубликованы в журнале Toxicology Mechanisms and Methods.

Исследование элементного состава и межэлементных корреляций

в легких и печени животных при пищевом ожирении

Исследование элементного состава печени и легких крыс при пищевом ожирении

было выполнено по инициативе и совместно с ГУ НИИ Региональной патологии и

патоморфологии СО РАМН. Образцы фрагментов тканей легких и печени от крыс линии

Вистар контрольной и опытных групп были предоставлены. В эксперименте участвовали

93 особи (по 31 в каждой группе). Через 3,5 месяца каждую из трех групп животных

разделили на две подгруппы. В одной из групп крыс перед выведением из эксперимента

не кормили в течение 12 часов, а в другой за 2 часа до эвтаназии животные съедали

свиное сало из расчета 1 г на 100 г массы тела. Животных эвтанизировали под

этаминаловым наркозом с последующим кровопусканием. Фрагменты легочной ткани и

печени для определения макро- и микроэлементного состава в каждом случае забирались

из одной и той же зоны органов.

Всего было представлено для исследования 186 образцов тканей печени и легких.

Образцы тканей после их изъятия из организма замораживали при температуре –23C и

хранили в замороженном состоянии не более 1 недели. Образцы поступали в

аналитическую лабораторию в замороженном состоянии и размораживались при

комнатной температуре. Далее проводили пробоподготовку по предложенной выше

методике. Для расчета концентраций K, Ca, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Se, Br и Sr в образцах

печени и легких использовались СО: NIES No.6 Mussel (мидия), NIST 1566a Oyster tissue

(ткань устрицы), NCS ZC 85005 Beef liver (говяжья печень). Используемые СО имеют

матрицы близкие к исследуемым образцам, что подтверждается результатами измерений

массовых коэффициентов ослабления в стандартных и исследуемых материалах. Из СО

изготавливались таблетки диаметром 8 мм. Масса навески СО и анализируемой пробы

были подобны. Средние значения концентраций химических элементов в печени и

легочной ткани крыс большинства элементов (K, Ca, Fe, Zn, Se, Br, Rb, Sr) опытных и

контрольных животных не имели достоверных отличий.

33

Таблица 18

Коэффициенты корреляции Спирмена (по данным РФА-СИ). Лёгкие крыс.

Контрольная группа, n=13 (критическое значение r = 0,47 при p = 0.95)

Ca Mn Fe Cu Zn Se Br Rb Sr 0.57

0.58 0.67 0.85 0.68 0.91 0.88

0.84 0.60

0.68 0.64 0.73 0.75 0.59

0.88 0.97 0.80 0.89

0.88 0.86 0.93 -0.55

0.84 0.90

0.92

Коэффициент

корреляции

≥ 0.5

≥ 0.6

≥ 0.7

≥ 0.8

≥ 0.9

≤ -0.5

Таблица 19

Коэффициенты корреляции Спирмена (по данным РФА-СИ). Лёгкие крыс.

Группа с ожирением, n=15 (критическое значение r = 0,44 при p = 0.95)

Ca Mn Fe Cu Zn Se Br Rb Sr

0.61

0.60 0.69

0.65 0.69

0.64 0.85 0.69 0.70

0.64 0.54

0.79 0.71

0.86

Коэффициент

корреляции

≥ 0.5

≥ 0.6

≥ 0.7

≥ 0.8

≥ 0.9

В каждой группе животных для концентраций элементов в печени и легких

рассчитывались коэффициенты корреляции Спирмена с помощью программы Statistica

6.1 (StatSoft Inc., Tulsa, Oklahoma, USA). Была обнаружена корреляция между

содержанием элементов, характер которой в каждой изучаемой группе животных имела

свои особенности. Достоверные значения коэффициентов корреляции Спирмена (с

указанием критического значения r) для всех групп животных представлены в табл. 18,

19. Было установлено изменение как сочетаний межэлементных корреляций, так и число

в тканях печени и легких в группах животных с пищевым ожирением. Это

свидетельствует об устойчивом изменении метаболизма, вызванного избыточным

поступлением жира в организм животных. Выявление межэлементных корреляций

позволяет более целенаправленно планировать дальнейшие исследования по изучению

метаболизма животных и человека. Более того, полученные результаты свидетельствуют

о том, что концентрации химических элементов, характер и сила межэлементных

корреляций в печени сопоставимы с теми же показателями для легких. Это

34

подтверждает активную роль легких в метаболических процессах ожирения. Результаты

работы опубликованы. Впервые показано активное участие Br, Rb и Sr в образовании

корреляционных связей в легких и печени, что отражает их важную роль в метаболизме.

Применение РФА-СИ для изучения сердечно-сосудистой системы у

кардиологических больных

Исследование элементного состава миокарда в эмбриональный период. В

литературе отсутствует информация о комплексном исследовании содержания

химических элементов в различных отделах сердца в период эмбриогенеза.

Исследование ткани сердечной мышцы (миокард левого и правого желудочков, левого и

правого предсердий) позволит более полно представить картину перераспределения МЭ,

проследить интенсивность метаболических процессов в различных зонах миокарда.

Исследование распределения химических элементов между четырьмя камерами сердца у

здоровых эмбрионов человека проводится с целью изучения механизмов формирования

сердечно-сосудистой системы в период эмбриогенеза. Были разработаны методики

определения содержания химических элементов P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni,

Cu, Zn, As, Se, Br, Rb, Sr, Mo в образцах мышечной ткани сердца эмбрионов человека. На

рис. 13 показан сравнительный анализ содержания химических элементов в миокарде

четырех отделов сердца (левый желудочек (ЛЖ), правый желудочек (ПЖ), левое

предсердие (ЛП), правое предсердие (ПП)) у здоровых детей и детей с осложненным

пороком сердца (ТМС). Данные представлены в виде медианы и межквартильного

размаха (приведены на графиках в виде областей значений концентраций). Представлено

распределение элементов на примере Cu, Se, Rb и Sr по разным отделам сердца.

Концентрации указаны в мкг/г. В ходе исследований было обнаружено, что у детей с

ТМС раннего возраста по сравнению со здоровыми детьми резко повышена масса

сердца, а также наблюдается высокое содержание Cu во всех отделах сердца, отмечено

низкое содержание Cr, Zn, Br, Rb и, особенно, Se.

Наиболее полно этот материал изложен в главе книги, вышедшей за рубежом

«Congenital Heart Disease» и монографии «Химические элементы в сердечно-сосудистой

системе кардиохирургических больных».

35

Рис. 13. Здоровые дети (n=5) и дети с врожденным пороком сердца (ТМС) (n=20).

Показаны достоверные различия со здоровыми детьми (p < 0,05), концентрации – мкг/г

Исследование элементного состава различных отделов миокарда при

ишемической болезни сердца и развитии аневризмы аорты. Литературные данные о

роли и распределении элементов при ишемической болезни сердца (ИБС) и инфаркте

миокарда (ИМ) очень противоречивы, и элементы определяются чаще в плазме крови.

Но именно мышца миокарда выполняет основную функциональную нагрузку при работе

сердца, при этом нагрузка на её отделы различна. Поэтому нами были выполнены

определения химических элементов в разных отделах миокарда: гипертрофированный

участок миокарда левого желудочка (ЛЖ), правый желудочек (ПЖ), зона инфаркта, зона

рубца, стенка аорты у больных с диагнозом ишемическая болезнь сердца, перенесших

ИМ. В качестве контрольных образцов была принята норма содержания химических

элементов, приведенная в литературе. Материал для исследования состоял из 31 образца,

в которых были определены 18 элементов: S, Cl, K, Ca, P, Ti, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Se,

Br, Rb, Sr, Ba, I. При ИБС основная нагрузка и нарушения коронарного кровообращения

ложится на ЛЖ сердца. Содержания элементов в ЛЖ в разы отличались от их

0

5

10

15

20 ЛЖ

ПЖ

ЛП

ПП

Cu Здоровые дети (n=5)

дети ТМС

(n=20)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

ЛЖ

ПЖ

ЛП

ПП

Se здоровые дети

(n=5)

дети ТМС (n=20)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

1.8 ЛЖ

ПЖ

ЛП

ПП

Rb здоров

дети n=5)

дети ТМС

(n=20)

0

1

2

3

4

5

6

7

ЛЖ

ПЖ

ЛП

ПП

Sr здоровые дети (n=5)

дети ТМС

(n=20)

36

содержания в ПЖ. Проведены сравнительные определения содержания элементов в ЛЖ

и ПЖ сердца. Обнаружено, что количество элементов в ЛЖ по сравнению с ПЖ было

выше: P – в 15 раз, Cl и K – в 2,7 раза, S – в 1.4 раза. В ЛЖ повышено содержание Rb в

2,8 раза, Ni – в 2,4 раза, Cu – в 1,8 раза, Mn – в 1,7 раза, Br – в 1,3 раза, Fe – в 1,2 раза, эти

данные опубликованы. В табл. 20 показаны токсичные элементы, которые чаще

присутствуют в микроколичествах в патологических тканях организма. Повышенное

содержание ртути в зоне инфаркта в 10 раз по сравнению с другими участками миокарда

индуцирует генерацию свободных радикалов, повреждающих ДНК, вызывает

дисрегуляцию роста и дифференцировку кардиомиоцитов. Распределение элементов по

отделам сердца имеет неоднородный характер: в инфарктной и периинфарктной зонах

отмечается повышенное содержание некоторых элементов (Ca, Cr, Fe, Sr) и пониженное

содержание калия в зоне инфаркта более чем в 2 раза.

Таблица 20

Содержание некоторых микроэлементов в миокарде больных ИБС (достоверные

различия с другими отделами и зонами сердца (p<0,05), ПО – предел обнаружения)

Отделы миокарда As Mo Hg

ЛЖ 0,18±0,16 0,095±0,02 0,05±0,02

ПЖ 0,2±0,08 0,1±0,02 0,15±0,07

ЛП 0,11±0,04 0,09±0,02 0,02±0,015

ПП 0,19±0,06 0,13±0,01 0,04±0,006

ИМ ЛЖ < ПО < ПО 0,7±0,29 *

Рубец ЛЖ 0,21±0,08 0,09±0,01 0,18±0,09

Полученные данные являются новыми и указывают на необходимость дальнейших

исследований, так как процессы, связанные с перераспределением элементов в разных

участках миокарда, очень сложны.

Аневризма восходящей аорты

Одной из причин формирования аневризмы аорты является дисбаланс химических

элементов и структурные изменения в стенке восходящей аорты. Исследования в этом

направлении немногочисленны, а результаты противоречивы. Огромное значение имеет

фактор времени от момента расслоения до операции. В аорте содержится больше всего

S, V, Sr, Br, Mn, Ni, Rb, Co, что свидетельствует о повышенной активности

метаболических процессов. Диагностика степени расширения аорты необходима для

кардиохирургической операции. Рис. 14 свидетельствует о том, что при формировании

аневризмы и расслоении аорты содержание одних элементов достоверно ниже по

сравнению с неизмененной аортой, а других повышено, дисбаланс элементов обусловлен

развитием дисплазии соединительной ткани. Нами была установлена связь между

содержанием элементов и размерами аневризмы. Для оценки размеров аневризмы

рассчитывался коэффициент (k) – отношение максимального диаметра восходящей

37

аорты и диаметра кольца аортального клапана. При этом I группа характеризовалась

значениями k = 1,53±0,025. У больных II клинической группы k = 2,57±0,21, а для

клинической группы с расслоением аорты (III группа) k = 3,01±0,40. Можно

предположить, что Ni, Cr, Sr, Mn обеспечивают структурную целостность аорты,

развитие аневризмы сопровождается снижением их концентрации. Такие элементы – Se,

As, K, Rb, могут являться маркерами развития аневризмы аорты. Данные исследования

были выполнены на биопсийном материале тонкоигольной и пункционной биопсией, что

возможно было выполнить методом РФА-СИ.

Рис. 14. Нормированные концентрации химических элементов в стенке аорты при ее

различных патологических состояниях: аневризма и расслоение аорты, биопсия, n=38

(* – достоверные различия с аортой без аневризмы (норма))

Исследование соотношений и роль элементов в миокарде больных до и после

трансплантации сердца. Исследовано содержание химических элементов в 60 пробах

биопсии пациентов, которым до и после хирургического лечения проводилась биопсия

миокарда ПЖ. Также проводился забор биопсийного материала миокарда ПЖ и ЛЖ

собственных сердец пациентов с диагнозом дилатационная кардиомиопатия (ДКМП),

удаленных перед трансплантацией. В качестве группы контроля исследованы

содержания химических элементов (ХЭ) в 15 пробах миокарда лиц мужского пола без

сердечно-сосудистой патологии, погибших в результате дорожно-транспортных

происшествий, табл. 21. В табл. 21 показаны концентрации химических элементов в

левом и правом желудочках сердца больных с ДКМП и в группе здоровых.

Функционально низкая активность ЛЖ при ДКМП по сравнению с группой контроля

сопровождается и снижением содержания химических элементов в миокарде ЛЖ. При

этом снижение содержания большинства элементов (Sr, Mn, K, Br, Fe, Se, Cr, Ca, Cu, Ni)

у больных с ДКМП отмечается и в правом, и в левом желудочках, что показывает

единый механизм патологических и метаболических процессов в миокарде больных

ДКМП. В обоих желудочках почти в 2 раза повышено содержание Rb, а содержание S и

0

100

200

300

400

500

600

700

800

V Ni Cr Sr Fe Mn Ca Co Zn Cu S Cl Br Se As K Rb

но

рм

ал

изо

ва

нн

ые

ко

нц

ен

тра

ци

и аорта аневризма расслоение

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

38

Cl повышено только в ПЖ. Только содержание Zn близко к его контрольному значению.

Повышенное более чем в 2 раза содержание Rb позволяет считать данный элемент

маркером метаболических нарушений данной патологии миокарда.

Таблица 21

Содержание химических элементов в левом и правом желудочках сердца

больных с ДКМП (биопсия) и в группе здоровых (аутопсия)

Содержание элементов, мкг/г

S Cl K Ca Cr Mn Fe Ni Cu Zn Se Br Rb

Кон

тр

ол

ь з

дор

ов

ые ЛЖ 3000 700 3800 350 0,37 2,3 150 0,5 9 80 1 12 1,6

(n=7) ±293 ±230 ±972 ±108 ±0,04 ±0,38 ±14 ±0,17 ±0,65 ±12 ±0,1 ±3,1 ±0,24

ПЖ 2200 600 3600 290 0,25 1,9 120 0,4 7,5 55 0,8 12 1,3

(n=8) ±310 ±204 ±786 ±76 ±0,06 ±0,32 ±11 ±0,20 ±0,61 ±4,6 ±0,08 ±3,6 ±0,31

Бол

ьн

ые

ДК

МП

ЛЖ 3200 610 1600 140 0,19 0,7 59 0,18 4,8 74 0,4 6 3

(n=15) ±965 ±90 ±262 ±26 ±0,035 ±0,06 ±6 ±0,027 ±0,54 ±8,3 ±0,04 ±1,7 ±0,5

ПЖ 4000 900 1900 180 0,19 0,7 70 0,19 4,7 69 0,5 5 3

(n=10) ±1160 ±125 ±289 ±28 ±0,04 ±0,05 ±11 ±0,021 ±0,67 ±7,7 ±0,11 ±0,8 ±0,5

Зависимость концентраций химических элементов от их атомной массы в

патологическом миокарде и распределение их по периодической системе

Д.И. Менделеева. Была установлена связь между атомной массой и концентрацией ХЭ в

миокарде ЛЖ кардиохирургических больных. Обнаружено, что чем меньше атомная

масса и атомный номер, тем больше концентрация ХЭ в миокарде. Это относится к

таким ХЭ как S, Cl, K, Ca. Очевидно, эта закономерность распространяется и на другие

ХЭ, имеющие небольшую атомную массу и, соответственно, небольшой атомный номер,

такие как P, Mg, Na и др., т.е. жизненно важные ХЭ. ХЭ, имеющие большую атомную

массу такие, как Se, As, Cr, Ni и др., содержатся в минимальных количествах, а в

больших концентрациях становятся ядами. Анализ распределения ХЭ в миокарде

кардиохирургических пациентов в зависимости от атомной массы по группам выявил

следующие закономерности. Отчетливо видно, что для элементов > Zn происходит

резкое снижение концентраций ХЭ на фоне повышения атомного веса. Сходные

изменения концентраций ХЭ были получены в группе пациентов с ДКМП. В 2 раза и

более раза снижена концентрация K, Ca, Fe, Br, Cu, а также она понижена у Mn, Se, Sr,

Ni, Cr, As. Отмечено только повышенное содержание Rb в 2 раза. Таблицы

ранжирования ХЭ по концентрациям атомному весу и номеру представлены в

публикации. На рис. 15 показан цветовой градиент в распределении концентраций

39

элементов. Детальный анализ распределения элементов в таблице Д.И. Менделеева у

пациентов с сердечно-сосудистыми патологиями позволил выявить следующие

закономерности. В зоне ИМ происходит дегенерация и гибель кардиомиоцитов, с другой

стороны – восстановление функциональности сердечной мышцы. Показателями этих

процессов является значительное увеличение, в 2–4 раза, содержания Ca, Fe и

повышение в 2 раза содержания ряда других элементов: Rb, Cr, Mn, Cl, Br и Sr на фоне

50% снижения K (рис.16). Полученные результаты могут быть использованы для

составления таблицы Д.И. Менделеева применительно к миокарду и сосудистой стенке

пациентов с сердечно-сосудистыми патологиями. На основании полученных результатов

можно будет оценить выраженность дисэлементоза в миокарде и сосудистой стенке и

наметить терапевтические пути его устранения.

Рис. 15. Цветовой градиент концентраций химических элементов (от –200% до +200%)

Рис. 16. Содержание микроэлементов в зоне инфаркта миокарде ЛЖ

по сравнению с ЛЖ в норме

Сделана оценка функционального состояния сердечно-сосудистой системы в

норме и патологии на основе общих данных выполненного элементного РФА-СИ.

Оценка величины отношений разности концентраций элементов в здоровом организме

человека, нормальном сердце, патологическом сердце и в земной коре осуществлялась с

помощью разработанной метрики, которая позволяет сравнивать как очень большие, так

и очень малые величины, выражая их в процентах. Получен патент на изобретение.

Номер патента: 2466389, 2012, «Способ оценки функционального состояния сердца».

ГЛАВА 5. Результаты РФА-СИ сканирования кернов донных отложений для

реконструкции палеоклимата

Сканирующий анализ мокрых кернов донных отложений при исследовании

палеоклимата, ледник горы Черского, озеро «Гитара», рассмотрен период 160 лет.

В результате динамика ледника была определена по уровню поставки талыми водами

ледника «терригенной» группы элементов в прогляциальное озеро. Выделены пять

40

эпизодов, когда ледник приходил в движение (~1880, 1905, 1918, 1950 гг. и с 1968 г. по

настоящее время). Период увеличения интенсивности химического выветривания

водосборного бассейна озера был с 1930 г. по настоящее время, с максимумом около

1960 г., когда ледник испытывал самые крупные подвижки за последние 160 лет.

Сканирующий анализ мокрых кернов донных отложений при исследовании

палеоклимата, ледник Перетолчина, озеро «Эхой», рассмотрен период 110 лет.

Распределение элементов вдоль керна на основе кластерного анализа и метода главных

компонент показывает, что исследуемые элементы могут быть объединены в три

группы. Группа 1 объединяет Са, K, Ti, Fe и Mn. Эти элементы, не считая Ti, являются

высоко мобильными элементами. В группу 2 входят Ni, Cu, Br и U, которые образуют

комплексные соединения с растворенным органическим веществом и могут

накапливаться в процессе жизненного цикла аквальной биоты, в створках диатомовых

водорослей. Третья группа элементов включает в себя элементы: Rb, Sr, Zr, Nb, Y, Th и

за счет поступления терригенной группы элементов увеличивается мутность воды озера

и снижается его биопродуктивность. Использование РФА-СИ сканирования с

разрешением от 0,5 до 1 мм позволяет выделить годовую ритмику слоев в интервалах,

где она литологически плохо проявлена. Метод главных компонент и кластерного

анализа профилей элементов по глубине керна позволяет выделить пять переходов,

когда изменения элементного состава были наиболее контрастными. Они произошли

около 1911, 1928, 1946, 1976 и 2000 гг. Нами показаны процессы изменения границ

ледника, резкое увеличение скоростей осадконакопления в озере после 1920 г. Ледник

интенсивно отступал с 1947 по 1970 гг., период устойчивой деградации ледника начался

с 1980 по 2000 гг. и был синхронен с резким глобальным увеличением температур в

Северном полушарии. После 2000 г. темпы деградации ледника снизились.

Сканирующий анализ мокрых кернов донных отложений при исследовании

палеоклимата, озеро «Высокогорное», Восточная Сибирь, рассмотрен период 850

лет. Элементный состав характеризовался аналогичными наборами элементов вдоль

керна. Было показано, что их распределения связаны с распределением микроэлементов,

характерных для: а)обломочного материала (Ga, Y, Nb, Rb, Ti и Th), б) автохтонного по

своему происхождению (Cu, Br и U), в) химического выветривания (K, Ca, Sr и Mg).

Разделили запись по глубине и элементному распределению на семь зон, так как метод

РФА-SR проводили с высоким разрешением керна (1 мм) и «тонкие» колебания в

содержании элементов освещены. Переходы между этими зонами произошли ок. 1320,

1420, 1590, 1730, 1850 и 1920 гг. Периоды с низким содержанием практически всех

элементов (даже зон) были короткими, а с высоким содержанием элементов (нечетные

зоны) – длинными. Была тенденция, когда содержание элементов резко увеличилось (в

течение 15–20 лет) и затем постепенно уменьшалось .

41

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана методология количественного определения содержания элементов

S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Сo, Ni, Cu, Zn, As, Se, Br, Rb, Sr, Zr, Mo в миллиграммовых

образцах различных биологических тканей и динамики этих элементов в ходе развития

патологий. В результате разработки методологии:

а) показано экспериментально, что криоконсервация, исключающая контакт

образца с химическими реагентами на этапе пробоотбора, является надежным способом

консервации для недеструктивных методов исследования элементного состава

биообразцов;

б) разработана методика пробоподготовки без разложения образца для

биопсийного материала массой менее 15 мг;

в) определен способ нормировки интенсивности флюоресценции с

использованием измеренной интенсивности комптоновского рассеяния

экспериментально на изменяющуюся во времени вследствие цикличной работы

источника СИ интенсивность первичного пучка СИ;

г) разработана методика снижения пределов обнаружения для исследуемых

элементов путем подбора энергии возбуждающих квантов, выделяемой из спектра СИ

для селективного возбуждения флюоресценции;

д) измерены коэффициенты ослабления рентгеновского излучения в

международных СО для учета влияния матричных эффектов на точность определения

содержания элементов.

2. С применением разработанной методологии проведены исследования образцов

биологического происхождения, в результате которых установлено, что:

а) элементный состав ногтевой пластины имеет перспективное значение для

неинвазивной диагностики физического состояния человека;

б) при алиментарном ожирении, существует динамическая взаимосвязь между

метаболическими функциями печени и легких, которая может быть выявлена в

результате анализа элементного состава, при этом малоизученные элементы Br, Rb и Sr

принимают активное участие в образовании корреляционных связей, что отражает их

важную роль в метаболизме. По степени отклонений межэлементных корреляционных

связей в клетках и тканях организма можно диагностировать развитие заболевания на

ранних стадиях и оценивать эффективность лечения;

в) изменения содержания элементов: K, Ca, Fe, Cu, Zn, Se, Br, Rb могут служить

индикаторами развития патологий миокарда; изменение содержания Rb может быть

индикатором дилатационной кардиомиопатии, требующей трансплантации сердца;

г) способ оценки функционального состояния сердца на основе общих данных

элементного РФА-СИ (более 800 образцов) может быть применен в клинической

практике для предварительной диагностики на биопсийном материале и в некоторых

случаях в судебной медицине.

3. Разработана методика количественного определения содержания химических

элементов (породообразующих, редкоземельных, Pb, Th, U) в образцах влажных кернов

42

донных отложений методом сканирующего РФА-СИ анализа с пространственным

разрешением 1–0,5 мм.

4. Проведена реконструкция динамики ледников Байкальского региона с

временным разрешением «год-сезон» в диапазоне от 100 до 1000 лет и показано, что:

а) озеро «Гитара» (160 лет), ледник горы Черского, Байкальский хребет:

выделяются пять эпизодов движения ледника, с 1930 г. по настоящее время

увеличиваются интенсивности химического выветривания водосборного бассейна озера;

б) озеро «Эхой» (110 лет), ледник Перетолчина: развитие биопродуктивности

озера (увеличение содержания Ni, Cu, Br и U) отображает климатические особенности в

районе ледника, увеличение содержания Са, K, Ti, Fe и Mn показывает поступление

кластогенного материала в озеро, что свидетельствует о «стационарном» положении

ледника;

в) озеро «Высокогорное» (850 лет), Восточная Сибирь: снижения летних

температур были после 1400 г., это связано с падением температур в начале Малого

ледникового периода. Существенные изменения биопродуктивности озера и

водосборной площади произошли около 1150–1350, 1350–1590, 1590-–1730, 1730–1900

гг. и c 1940 г. до настоящего времени.

Статьи в рецензируемых научных журналах:

1. Aksirov A.M., Gerasimov V.S., Kondratyev V.I., Korneev V.N., Kulipanov G.N.,

Lanina N.F., Letyagin V.P., Mezentsev N.A., Sergienko P.M., Tolochko B.P.,

Trounova V.A., Vazina A.A. Biological and medical application of SR from the storage

rings of VEPP-3 and “Siberia-2”. The origin of specific changes of small-angle X-ray

diffraction pattern of hair and their correlation with the elemental content // Nucl. Instrum.

Meth. A. 2001. V.470. N.1. P. 380-387.

2. Goldberg E.L., Grachev M.A., Phedorin M.A., Kalugin I.A., Khlystov O.M., Mezentsev

S.N., Azarova I.N., Vorobyeva S.S., Zheleznyakova T.O., Kulipanov G.N., Kondratyev

V.I., Miginsky E.G., Tsukanov V.M., Zolotarev K.V., Trunova V.A., Kolmogorov Yu.P.,

Bobrov V.A.. Application of synchrotron X-ray fluorescent analysis to studies of the

records of paleoclimates of Eurasia stored in the sediments of Lake Baikal and Lake

Teletskoye // Nucl. Instrum. Meth. A. 2001. V.470, N.1. P. 388-395.

3. Trounova V.A., Vazina A.A., Lanina N.F., Sergienko P.M., Kondratyev V.I. Correlation

between element concentrations and x-ray diffraction patterns in hair // X-Ray Spectrom.

2002. V. 31. N. 4. P. 314 - 318.

4. Trunova V., Parshina N., Kondratyev V. Determination of the distribution of trace

elements in human hair as a function of the position on the head by SRXRF and TXRF // J.

Synchrotron Radiat. 2003. V. 10. N. 5. P. 371-375.

5. Полосьмак Н.В., Трунова В.А. Волосы из пазырыкских могил (метод исследования –

рентгенофлуоресцентный анализ с использованием синхротронного излучения) //

Археология, этнография и антропология ЕВРАЗИИ. 2004. № 1. C. 73-81.

43

6. Trunova V.A., Zvereva V.V. Investigation of insoluble endogenous fractions of

gastrointestinal tract by SRXRF // Nucl. Instrum. Meth. A. 2005. V. 543. N. 1. P. 266-270.

7. Vazina A.A., Budantsev A.Yu., Bras W., Deshcherevskaya N.P., Dolbny I.P.,

Gadzhiev A.M., Korneev V.N., Lanina N.F., Letyagin V.P., Maevsky E.I., Matyushin A.M.,

Podolsky I.Ya., Samsonova M.V., Sergienko P.M., Simonova N.B., Stankevich V.G.,

Trunova V.A., Vavilov V.M., Chernyaev A.L., Sharafutdinov M.R., Sheromov M.A.. X-

ray diffraction and spectral studies of biological native and modified tissues // Nucl.

Instrum. Meth. A. 2005. V. 543. N. 1. P. 297-301.

8. Окунева Г.Н., Чернявский А.М., Трунова В.А., Волков А.М., Зверева В.В., Левичева

Е.Н, Логинова И.Ю. Распределение микроэлементов в разных участках миокарда у

больных ИБС (предварительное сообщение) // Патология кровообращения и

кардиохирургия. 2005. № 4. C. 27-32.

9. Окунева Г.Н., Чернявский А.М., Левичева Е.Н., Логинова И.Ю., Волков А.М.,

Трунова В.А., Зверева В.В. Содержание микроэлементов в миокарде левого

желудочка больных ИБС по данным рентгенофлоуресцентного анализа с

использованием синхротронного излучения // Кардиология. 2006. № 10. С. 13-17.

10. Окунева Г.Н., Логинова И.Ю., Чернявский А.М., Левичева Е.Н, Кливер Е.Э.,

Горбатых Ю.Н., Трунова В.А., Зверева В.В. Микроэлементный состав сердца детей

раннего возраста в норме и при транспозиции магистральных сосудов // Патология

кровообращения и кардиохирургия. 2006. № 4. C. 9-14.

11. Окунева Г.Н., Левичева Е.Н., Логинова И.Ю., Чернявский А.М., Волков А.М.,

Трунова В.А., Зверева В.В. Элементный состав сердца в зависимости от стадии

инфаркта миокарда у больных ишемической болезнью сердца //Патология

кровообращения и кардиохирургия. 2006. № 4. C. 26-30.

12. Trunova V.A., Zvereva V.V., Okuneva G.N., Levicheva E.N. The alteration of

interelemental ratios in myocardium under the congenital heart disease (SRXRF) // Nucl.

Instrum. Meth. A. 2007. V. 575. N. 1. P. 202-205.

13. Окунева Г.Н., Левичева Е.Н., Логинова И.Ю., Волков А.М., Чернявский А.М., Альсов

С.А., Трунова В.А., Зверева В.В. Роль химических элементов в формировании

аневризмы //Ангиология и сосудистая хирургия. 2008. T.14, № 4. С. 21-26.

14. Горбатых Ю.Н., Окунева Г.Н., Кливер Е.Э., Левичева Е.Н., Логинова И.Ю., Трунова

В.А., Зверева В.В., Распределение химических элементов по разным отделам

миокарда у детей грудного возраста с интактным сердцем и при транспозиции

магистральных сосудов // Педиатрия. 2008. № 2. C. 10-14.

15. Окунева Г.Н., Чернявский А.М., Левичева Е.Н., Логинова И.Ю., Волков А.М., Кливер

Е.Э., Трунова В.А., Зверева В.В. Распределение химических элементов в разных

отделах сердца больных ИБС с острой сердечной недостаточностью // Кардиология.

2008. Т. 48, № 2. С. 41-46.

16. Кливер Е.Э., Окунева Г.Н., Левичева Е.Н., Непомнящих Л.М., Логинова И.Ю.,

Волков А.М., Лушникова Е.Л., Трунова В.А., Зверева В.В. Анатомические варианты

44

транспозиции магистральных сосудов и их связь с содержанием химических

элементов в желудочках сердца // Бюл. экспер. биол. и мед. 2008.Т. 145, № 5. C. 578-

581.

17. Зверева В.В., Трунова В.А. Влияние поверхностной плотности биостандартов при

анализе биотканей методом РФА-СИ // Химия в интересах устойчивого развития.

2008. № 5. C. 593-599.

18. Караськов А.М., Окунева Г.Н., Чернявский А.М., Левичева Е.Н., Логинова И.Ю.,

Волков А.М., Доронин Д.В., Кузнецова Е.Г., Репепин С.А., Трунова В.А., Зверева

В.В. Распределение химических элементов в миокарде пациентов с кардиомиопатией

до и после ортотопической трансплантации сердца // Вестник трансплантологии и

искусственных органов. 2008. № 6. С. 28-33.

19. Трунова В.А, Зверева В.В. Исследование распределения макро- и микроэлементов в

образцах миокарда и сосудов у кардиохирургических больных, метод РФА-СИ //

Журн. cтруктур. химии. 2008. Т. 49. Приложение. C. 211-216.

20. Trunova V.A., Brenner N.V., Zvereva V.V. Investigation of the content and of the

distribution of chemical elements in human nails by SRXRF // Toxicol. Mech. Method.

2009. V. 19. N 1. С. 1-18.

21. Чернявский А.М., Караськов А.М., Окунева Г.Н., Волков А.М., Зверева В.В.,

Трунова В.А. Участие химических элементов в дисплазии соединительной ткани при

аневризме аорты // Патология кровообращения и кардиохирургия. 2009. № 4. С. 28-

31.

22. Зверева В.В., Трунова В.А. Использование международных биологических

стандартов с разной биологической матрицей в анализе биообъектов методом РФА-

СИ // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2009. Т. 75, № 2. C.13-18.

23. Окунева Г.Н.., Караськов А.М., Чернявский А.М., Логинова И.Ю., Трунова В.А.,

Зверева В.В.Распределение химических элементов таблицы Менделеева в сердечно-

сосудистой системе кардиохирургических больных // Патология кровообращения и

кардиохирургия. 2010. № 4. C. 51-55.

24. Окунева Г.Н., Караськов Ф.М., Чернявский А.М., Логинова И.Ю., Левичева Е.Н.,

Трунова В.А., Зверева В.В., Волков А.М., Кливер Е.Э., Железняк С.И., Репезин С.А.,

Альтов С.А., Власов Ю.А., Тарасенко О.А. Химические элементы в сердечно-

сосудистой системе кардиохирургических больных // Новосибирск, Академическое

изд. «Гео». 2010. 183с.

25. Trunova V.A., Zvereva V.V., Churin B.V., Astashov V.V., Anzyreva Yu.A. Macro-micro

elementary content of liver and lungs in rats with alimentary adiposity (SRXRF) // X-ray

Spectrom. 2010. V. 39. N.1. P. 57-62.

26. Окунева Г.Н., Караськов А.М., Чернявский А.М., Волков А.М., Левичева Е.Н.,

Логинова И.Ю., Трунова В.А., Зверева В.В. Распределение химических элементов в

сосудистой системе больных ишемической болезнью сердца // Патология

кровообращения и кардиохирургия. 2010. №2. C. 22-25.

45

27. Окунева Г.Н., Караськов А.М., Чернявский А.М., Логинова И.Ю., Трунова В.А.,

Зверева В.В. Роль химических элементов в патологии миокарда у

кардиохирургических больных с ишемической болезнью сердца и дилатационной

кардиомиопатией // Кардиология и сердечно-сосудистая хирургия. 2010. Т.3, №6.

C. 71-78.

28. Окунева Г.Н., Караськов A.M., Чернявский A.M., Волков A.M., Трунова В.А.,

Зверева В.В. Участие химических элементов в развитии сердечной недостаточности у

пациентов с дилатационной кардиомиопатией // Кардиология и сердечно-сосудистая

хирургия. 2011. Т.4, №5. С. 50-53.

29. Чурин Б.В., Асташов В.В., Трунова В.А., Зверева В.В., Старкова Е.В. Эссенциальные

микроэлементы (Fe, Cu, Mn, Zn, Se, As) в печени и легких при алиментарном

ожирении в эксперименте // Экспериментальная и клиническая гастроэнтерология.

2011. № 6. С. 59-63.

30. Чурин Б.В., Трунова В.А., Зверева В.В., Сидорина А.В., Асташов В.В.

Микроэлементы и макроэлементы в печени при алиментарном ожирении в

эксперименте // Бюл. экспер. биол. и мед. 2012. № 8. С. 168-171.

31. Okuneva G.N., Karaskov A.M., Trunova V.A., Zvereva V.V., Kliever Ye.E., Volkov

A.M., Vlasov Yu.A. Chemical Elements and Structural/Molecular Properties of

Myocardium in Infants with Transposition of Great Arteries // Congenital Heart Disease –

Selected Aspects. 2012. Chapter 15. P. 331-348.

32. Чурин Б.В, Трунова В.А., Зверева В.В, Сидорина А.В., Асташов В.В. Макро-

микроэлементный состав легочной ткани при алиментарном ожирении //

Фундаментальные исследования. 2012. Т.8, №1. C. 179-183.

33. Fedotov A.P., Trunova V.A., Zvereva V.V., Maksimovskaya V.V., Melgunov M.S.

Reconstruction of glacier fluctuation (East Siberia, Russia) during the last 160 years based

on highresolution geochemical proxies from proglacial lake bottom sediments of the

Baikalsky Ridge // In. J. of Envir. St. 2012. V. 69. N. 5. P. 806-815.

34. Trunova V.A., Zvereva V.V., Churin B.V. Inter-elemental correlations in liver and lung

tissue of rats with alimentary adiposity (SRXRF) // X-Ray Spectrom. 2012. V. 41. N. 2.

P. 55-63.

35. Зверева В.В., Трунова В.А. Определение элементного состава тканей сердечно-

сосудистой системы атомно-спектрометрическими, масс-спектрометрическими и

рентгеноспектральными методами анализа // Журн. аналит. химии. 2012. T. 67, № 7.

C. 677-696.

36. Окунева Г.Н., Кливер Е.Э., Караськов А.М., Горбатых Ю.Н., Волков А.М., Власов

Ю.А., Трунова В.А., Зверева В.В. Химические элементы и структурно-молекулярные

особенности кардиомиоцитов у пациентов раннего возраста с транспозицией

магистральных артерий // Патология кровообращения и кардиохирургия. 2012. № 3.

C. 13-17.

46

37. Churin B.V., Trunova V.A., Zvereva V.V., Sidorina A.V., Astashov V.V. Micronutrients

and macronutrients in the liver in experimental alimentary obesity // B. Exp. Biol. Med.

2012. V.154. N.2. P. 206-209.

38. Окунева Г.Н., Караськов А.М., Чернявский А.М., Горбатых Ю.Н., Волков А.М.,

Трунова В.А., Зверева В.В., Тарасенко О.А. Зависимость концентраций химических

элементов от атомной массы в миокарде кардиохирургических пациентов //

Микроэлементы в медицине. 2012. Т.13, №1. C. 11-19.

39. Власов Ю. А., Окунева Г.Н. Караськов А.М., Трунова В.А., Зверева В.В. Способ

оценки функционального состояния сердца //Патент на изобретение. Номер патента:

2466389. 2012. Патентообладатель: ФГУ "Новосибирский национальный

исследовательский государственный университет" (НГУ).

40. Чурин Б.В., Трунова В.А., Сидорина А.В., Зверева В.В., Асташов В.В. Влияние цинка

на содержание химических элементов в печени крыс на ранних этапах развития

ожирения // Бюл. экспер. биол. и мед. 2013. № 8. C. 161-165.

41. Trunova V., Sidorina A., Zvereva V, Churin B. Changes in the elemental content of rat

heart as a result of the fixation in formalin analyzed by synchrotron radiation X-ray

fluorescent analysis // J. Trace Elem. Med. Biol. 2013. V. 27, N. 1. P. 76-77.

42. Сидорина А.В., Трунова В.А. Учет изменения интенсивности пучка синхротронного

излучения при регистрации спектров биологических образцов методом РФА-СИ //

Аналитика и контроль. 2013. Т. 17, № 1. С. 4-9.

43. Trunova V.A., Stepanova O.G., Zvereva V.V., Sidorina A.V., Melgunov M.S., Petrovsky

S.K., Fedotov A.P., Rakshun Ya.V. Tracing recent glacial events in bottom sediments of a

glacial lake (East Sayan Ridge, Russia) from high resolution SR-XRF, ICP-MS and FTIR

records // X-Ray Spectrom. 2014. V. 44, N. 4. P. 255-262.

44. Trunova V., Zvereva V., Polosmak N., Kochubey D., Kriventsov V., Kuper K.

Investigation of Organic Materials From the ‘Royal’ Burials of Xiongnu (Noin-Ula,

Mongolia) by SRXRF and XAFS methods // Archaeometry. 2015. V. 57, N. 6. P. 1060-

1077.

45. Trunova V., Sidorina A., Kriventsov V. Measurement of X-ray mass attenuation

coefficients in biological and geological samples in the energy range of 7-12 keV // Appl.

Radiat. Isotopes. 2015. V. 95. P. 48-52.

46. Трунова В.А., Сидорина А.В., Зверева В.В. Оценка возможности применения

прямого анализа образцов биотканей малой массы методом рентгенофлуоресцентного

анализа с синхротронным возбуждением // Аналитика и контроль. 2015. Т. 19, № 2 C.

146-153.

47. Trunova V.A., Sidorina A.V., Zolotarev K.V. Using external standard method with

absorption correction in SRXRF analysis of biological tissues // X-Ray Spectrom. 2015.

V. 44. N. 4. P. 226-229.

48. Trunova V.A., Stepanova O.G., Zvereva V.V., Sidorina A.V., Melgunov M.S., Petrovskii

S.K., Rakshun Ya.V., Fedotov A.P. Tracing recent glacial events in bottom sediments of a

47

glacial lake (East Sayan Ridge, Russia) from high-resolution SR-XRF, ICP-MS, and FTIR

records // X-Ray Spectrom. 2015. V. 44. N. 4. P. 255-262.

49. Трунова В.А., Зверева В.В., Полосьмак Н.В., Кочубей Д.И., Кривенцов В.В., Купер

К.Э., Ракшун Я.В., Сороколетов Д.С. Исследование археологических находок из

курганов знати народности Хунну (Ноин-Ула, Монголия) методами РФА-СИ,

МИКРО-РФА-СИ и XAFS // Известия РАН. Сер. физ. 2015. Т. 79,№ 1. C. 123-132.

50. Stepanova O.G., Trunova V.A., Zvereva V.V., Melgunov M.S., Fedotov A.P.

Reconstruction of glacier fluctuations in the East Sayan, Baikalsky and Kodar Ridges (East

Siberia, Russia) during the last 210 years based on high-resolution geochemical proxies

from proglacial lake bottom sediments // Environ. Earth Sci. 2015. V. 74.N. 3. P. 2029-

2040.

51. Fedotov A.P., Trunova V.A., Enushchenko I.V., Vorobyeva S.S., Stepanova O.G.,

Petrovskii S.K., Melgunov M.S., Zvereva V.V., Krapivina S.M., Zheleznyakova T.O. A

850-year record climate and vegetation changes in East Siberia (Russia), inferred from

geochemical and biological proxies of lake sediments // Ibid. 2015. V. 73. N. 11. P. 7297-

7314.

52. Stepanova O.G., Trunova V.A., Zvereva V.V., Mel’gunov M.S., Petrovskii S.K., Krapivina

S.M., Fedotov A.P. Reconstruction of the Peretolchin Glacier fluctuation (East Sayan)

during the 20th century inferred from the bottom sediments of proglacial Lake Ekhoi. //

Russian Geology and Geophysics. 2015. V.56. P. 1273-1280.

53. Степанова О.Г., Трунова В.А., Сидорина А.В., Зверева В.В., Мельгунов М.С.,

Петровский С.К., Крапивина С.М., Федотов А.П., Ракшун Я.В. Исследования донных

осадков прогляциального озера Эхой (Восточный Саян) методом РФА-СИ // Известия

РАН. Сер. физ. 2015. Т. 79, № 1. С. 132-137.

54. Vorobyeva S.S., Trunova V.A., Stepanova O.G., Zvereva V.V., Petrovskii S.K., Melgunov

M.S., Zheleznyakova T.O., Chechetkina L.G., Fedotov A.P. Impact of glacier changes on

ecosystem of proglacial lakes in high mountain regions of East Siberia (Russia) //

Environmental Earth Sciences. 2015. V. 74. N. 3. P. 1-9.

55. Трунова В.А., Зверева В.В. «Метод рентгенофлуоресцентного анализа с

использованием синхротронного излучения: объекты исследования» // Журн.

структур. химии. 2016. Т. 57, №7. С. 1389-1395.

56. Trunova V.A., Sidorina A.V., Zvereva V.V., Churin B.V., Starkova E.V., Sorokoletov D.S.

Content of bioelements in the lungs and liver in rats with alimentary obesity // Journal of

Trace Elements in Medicine and Biology. 2016. V. 33. P. 95-99.

57. Трунова В.А., Федоров А.П., Зверева В.В, Сороколетов Д.С., Мельгунов М.С.

Применение метода РФА-СИ при изучении донных осадков прогляциального озера

для реконструкции динамики ледника горы Черского (Байкальский хребет, Восточная

Сибирь) за последние 160 лет // Химический анализ в геологии и геохимии. Науч.

ред. Аношин Г.Н. Новосибирск. Академ. изд. «Гео». 2016. С. 507-517.