Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczanskiego w Krakowie

(1)

H r*

PL0001664

Instytut Fizyki Jądrowej

im. Henryka Niewodniczanskiego w Krakowie

RAPORT Nr 1835/C

OZNACZANIE ZAWARTOŚCI WANADU W PRÓBKACH KRWI SZCZURÓW PRZY POMOCY METODY PIXE I AAS

Barbara Kubica, Wojciech M.Kwiatek, Ryszard Gryboś, Mirosław Krośniak, Erazm M.Dutkiewicz, Roman Hajduk

3 1 /

Adresy:

Siedziba główna:

ul. Radzikowskiego 152, 31-342 Kraków.

$ e-mail: dyrektor@bron.ifj.edu.pl

Zakład Wysokich Energii:

ui. Kawiory 26 A, 30-055 Kraków,

e-mail: hepsec@chopin.ifj.edu.pl

(2)

RAPORT Nr 1835/C

Praca była częściowo finansowana przez Komitet Badań Naukowych Projekt Nr 8 THE 017 16

Kraków, 1999

(3)

WYDANO NAKŁADEM INSTYTUTU FIZYKI JĄDROWEJ IM. HENRYKA NIEWODNICZANSKIEGO

KRAKÓW, UL. RADZIKOWSKIEGO 152

Kopie kserograficzną wykonano w IFJ Kraków. Nakład 3 7^egz

(4)

RAPORT Nrl835/C

Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego ul Radzikowskiego 152, PL- 31-342 Kraków, Polska

Streszczenie

Celem prezentowanej pracy było porównanie metody PIXE (Proton Induced x-ray Emission) i spektroskopii atomową AAS przy oznaczniu śladowych zawartości wanadu w próbkach krwi szczurów suplementowanych i nie suplementowanych związkami wanadu.

Pomiary wykonane oboma technikami pozwoliły na oszacowane ilości wanadu w granicach błędu statystycznego

Summary

The aim of this paper is the comparison of the Pixe (Proton Induced X-ray Emission) and AAS (Atomic Absorption Spectroscopy) applied to determination of vanadium concentration in blood from rats. The animals were divided into two groups. The first group consisted of the rats supplemented with vanadium coumpounds while the rats in the second group were not. The advange of this technique is possibiliy of multielemental analysis at the while the AAS technique gives more precise results but each element has to be determined separately.

(5)

Wstęp

Analiza śladowa jest jednym z najważniejszych działów chemii analitycznej. Do oznaczania mikroskopowych ilości pierwiastków stosuje się różne metody i techniki instrumentalne, między innymi metodę PIXE (Proton Induced x-ray Emission) i spektroskopię atomową AAS. Celem prezentowanej pracy było porównanie obu przedstawionych metod przy oznaczaniu śladowych zawartości wanadu w próbkach krwi szczurów suplementowanych i nie suplementowanych związkami wanadu.

Substancja biologiczna jest bardzo zróżnicowana ze względu na strukturę i funkcje jakie przyjmuje w organizmie. Z uwagi na matrycę materiału biologicznego, koncentracja pierwiastków śladowych jest bardzo niska.

Dlatego też w celu osiągnięcia jak najlepszych wyników analiz dąży się do poprawy czułości obu metod i do obniżenia czynnika MDL (Minimum Detectable Limit) [1] poprzez stosowanie różnych sposobów przygotowania tarcz pomiarowych [2].

Wyniki analizy na zawartość wanadu oznaczanego metodą PIXE i AAS, przygotowanych wg tej samej procedury nie wykazały istotnych statystycznych różnic. Jednak zastosowanie metody PIXE pozwala w czasie jednego pomiaru określić szerokie spektrum innych pierwiastków śladowych od Z=17 do Z=48.

Część doświadczalna

Zastosowanie metody PIXE pozwala na oznaczenie szerokiego spektrum pierwiastków od Z=17 do Z=48. Metoda ta pozwala na pomiary w próbkach , które uprzednio mineralizowano lub które mineralizacji nie poddawano.

(6)

Materiał badawczy i przygotowanie próbek

Do badań używano handlowych odczynników klasy cz.d.a. (HNO3 > Hb O2 -firmy POCh) oraz APDC (amonowego dwukarbaminianu pirolidyny) - firmy Fluk. Kwas azotowy dodatkowo czyszczony był na drodze destylacji.

Przygotowany do pomiaru preparat w formie kompleksów z APDC osadzano na miliporfiltrach typu GVWP 22.

Mineralizacji próbek dokonywano w oparciu o normę zalecaną przez Międzynarodową Agencję Energii Atomowej w Wiedniu. Próbki roztwarzano w mieszaninie HNO³ i H² O² w temperaturze około 1200 C w czasie 20 minut.

Po całkowitym zminerałizowaniu roztwór dzielono na dwie części, jedna część oznaczana była metodą AAS na zawartość wanadu zaś druga część była poddana dalszej obróbce do oznaczeń metodą PIXE. Pierwiastki (między innymi wanad) przeprowadzano do osadu w postaci trudno rozpuszczalnych kompleksów z APDC, a następnie osadzano na filtrach GVWP 22. Tak spreparowany filtr ze względu na swoją strukturę i dogodność w przygotowaniu stanowił wygodną w użyciu tarczę pomiarową dla metody PIXE. Przeprowadzono również analizę składu pierwiastkowego tarcz pomiarowych sporządzonych z tego samego materiału biologicznego bez wstępnej obróbki chemicznej. Tarcze takie sporządzano poprzez shomogenizowanie próbek i sprasowanie do formy pastylki o maksymalnej grubości około 1 mm. Wykrywalność metody PIXE w zależności od oznaczanego pierwiastka szacowana była w granicach 0.1-10 ppm zaś dokładność przy oznaczeniach bezwzględnych około 10- 20%.

Aparatura

Metoda PIXE polega na pomiarze energii i natężenia charakterystycznego promieniowania X atomów wzbudzonych przez bombardowanie tarczy badanej próbki wiązką protonów o energii 2.5 MeV pochodzącą z akceleratora typu Van de Graaffa. Rys.l przestawia schemat układu pomiarowego. Widma charakterystycznego promieniowania x rejestrowane były detektorem Camberra o zdolności rozdzielczej 160 eV dla energii 5.9 keV. Czas archiwizacji danych wynosił 900s.

(7)

strumień protonów

D2

FC paszka Faradaya SM silnik krokowy Dl i D2 Si (Li) detektory D3 detektor cząstek D4 detektor HPGe

Al folia aluminiowa pozwalająca na obniżenie ciśnienia w komorze pomiarowej

Rys.l Schemat komory pomiarowej PIXE

Metoda PIXE pozwala na badania próbek w stanie stałym i ciekłym , jest dogodna dla pomiaru zanieczyszczeń metalami próbek biologicznych ( roślinnych i zwierzęcych), medycznych (płyny ustrojowe, tkanki ), a także wody.

Rezultaty i dyskusja.

Przedstawiona praca miała na celu określenie optymalnych warunków oznaczania śladowych zawartości wanadu w próbkach krwi szczurów suplementowanych i nie suplementowanych związkami wanadu metodami AAS i PIXE. Ponadto podjęto próby porównanie obu metod..

Wyniki prac przedstawiono w tabeli 1 i 2 oraz na rys 2 i 3.

(8)

Tabela 1

Oznaczanie zawartości wanadu metodami AAS i PIXE w próbkach krwi szczurów niesuplementowanych i suplementowanych związkami wanadu.

Wartości podano w u.g/g suchej masy.

Typ próbki

B^k

v

^k

Zawartość V oznaczonego metodą

AAS 0.344 1.537

Zawartość V oznaczonego metodą

PIXE 0.444 1.49 B^k - krew szczura nie suplementowanego wanadem Vk - krew szczura suplementowanego wanadem

Jak widać z przedstawionych w tabeli 1 wyników analizy na zawartość wanadu oznaczanego metodami PIXE i AAS w próbkach krwi przygotowanych wg tej samej procedury nie ma istotnych statystycznych różnic. Jednak zastosowanie metody PIXE pozwalało w czasie jednego pomiaru określić stężenia innych pierwiastków śladowych (tabela 2). W jednej i drugiej metodzie wartości obarczone są błędem około 20%.

Dodawanie do pokarmu szczurów związku wanadu zwiększało jego ilość w badanych próbkach prawie pięciokrotnie. W materiale biologicznych, który nie był uprzednio suplementowany wanadem zawartość tego pierwiastka była identyczna jak w próbkach standardów. Do określania stężeń użyto standardu Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej we Wiedniu: krew - standard A-13.

Tabela 2

Oznaczanie zawartości wybranych pierwiastków metodą PIXE w próbkach krwi szczurów niesuplementowanych i suplementowanych związkami wanadu. Wyniki podano w |j,g/g suchej masy

(9)

Typ próbki

B^k

v

^k

V 0.444

1.490

Mn 2.723 0.785

Fe 2928.6

482.2

Cu 52.9 150.0

Zn 16.1 36.7

Pb 24.0

6.3

Se 2.6 9.8

Br 0.533 0.171 Bk - krew szczura nie suplementowanego wanadem

V^k - krew szczura suplementowanego wanadem

Na rysunku 2 przestawiono widma PIXE wykonane dla próbek krwi szczurów którym podawano (I) i nie podawano (II) do pokarmu związki wanadu. Prezentowane widma nie różnią się znacznie między sobą pod względem jakościowym poza zakresem obejmującym linie wanadu. Dla szczurów suplementowanych wanadem widać linie pochodzącą od V.

Na rysunku 3 zestawiono przykładowo widmo PIXE wykonane dla próbki krwi szczura ,którego pokarm wzbogacany był w związki wanadu, przy czym tarcze pomiarowe wykonane były dwoma technikami. Widmo (I) odnosi się do grubej tarczy, otrzymanej z wysuszonej, shomogenizowanej, ujednoliconej i spastylkowanej tkanki krwi. Widmo (II) dotyczy próbki zmineralizowanej w której niektóre kationy przeprowadzono w postaci trudno rozpuszczonych soli kompleksowych przy pomocy APDC. W przypadku tego czynnika komplesującego należało się liczyć z utratą wapnia i potasu, co jest zauważalne na widmie (II). Mineralizacja w przypadku śladowych zawartości niektórych pierwiastków pozwala na ich oznaczenie jakościowe jak i ilościowe, czego nie można zauważyć przy zastosowaniu tradycyjnej metody przygotowania tarcz.

Podsumowanie

Analiza fluorescencyjna (PIXE)jest bardzo czułą metodą analityczną i znajduje szerokie zastosowania w badaniach bio-medycznch. Rola pierwiastków śladowych w organizmie żywym jest wciąż jeszcze niewystarczająco poznana. Ogólnie pierwiastki podzielimy na te, które stanowią zasadniczy składnik materiału (tzw. matrycowe) do których zalicza się: H, C, N, O, na te, które występują w mniejszych zawartościach jak np. Na, Mg, P, S, Cl, K i Ca, natomiast pozostałe pierwiastki układu

okresowego możemy traktować jako śladowe.

(10)

100000

10000

cc 1000

c0) NO

N 100

6 8 10 Energia [keV]

12 14

100000

10000

<g 1000 c0)

NO

N 100 10

II

Br

6 8 10 Energia [keV]

12 14

Rys.2 Widma PIXE tkanki krwi szczura niesuplementowanego (I) i supłementowanego (II) wanadem.

Tarcze wykonane były techniką ze wstępną obróbką chemiczną.

(11)

100000 10000

'c

.1

N

1000

100

Fe

6 8 10

Energia [keV] ¹⁴

100000 i

10000

CDC d)

ICZ

N

1000

100

6 8 10

Energia [keV]

II

Br

12 14

Rys. 3 Widma PIXE tkanki krwi szczura suplementowanego związkami wanadu.

Tarcze pomiarowe wykonane były dwoma technikami: bez mineralizacji (I) i z mineralizacją materiału badanego (II).

(12)

Do oznaczania mikroskopowych ilości pierwiastków stosowana jest technika spektroskopii atomowej AAS.

Jak widać z tabeli 1 pomiary wykonane techniką PIXE i AAS podają wartości śladowych ilości wanadu w granicach błędu statystycznego. Jednak metoda PIXE jest jedną z niewielu metod analiz spektralnych pozwalającą na wykonanie wielopierwiastkowej analizy w krótkim czasie i z niskim progiem wykrywalności dla całego prawie spektrum oznaczonych pierwiastków.Dla poprawienie progu wykrywalności niektórych pierwiastków śladowych stosuje się technikę przygotowania tarczy pomiarowej ze wstępna mineralizacją badanego materiału biologicznego (rys. 3)

Piśmiennictwo

1. B.Kubica,W.M.Kwiatek,E.Dutkiewicz, M.Lekka Sample Preparation Procedure for PIXE Elemental Analysis on Soft Tissue J.Radioanal.Nucl.

Chem.,Letters 223(1997,247-249

2. ' L.A. Curie ,-Anal.Chemistry ,40 (1968) 586