metale ważne w biologii i medycynie 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Ia IIa H Li Be Na Mg IIIb IV b V b V Ib V IIb V III Ib IIb K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg
funkcje metali w układach biologicznych transport dwutlenu (O 2 ) przeniesienie elektronu (red-oks) rola strukturalna (Zn, Mg) centra w metaloenzymach (kataliza) rola komunikacyjna (Na +, K +, Ca 2+ ) rola w diagnostyce medycznej (np. Tc w kardiolicie)
rola pierwiastków śladowych - centra aktywne enzymów - kancerogeny (rakotwórcze) - cytostatyki (leki przeciwnowotworowe) Et Et P Et Cl Pt NH 3 AcO H H O Au S Cl NH 3 AcO AcO H OAc H H cis-platyna auranofina
rakotwórcze działanie pierwiastków pierwiastek śladowy związek chemiczny Cr związki chromu 6+ 1 związki chromu 3+ 3 chrom metal. 3 Co kobalt i jego związki 2B Fe tlenki żelaza 3 Pb nieorg. związki ołowiu 2B organiczne związki ołowiu 3 Hg metylowe pochodne rtęci 2B rtęć metaliczna 3 nieorg. związki rtęci 3 Ni związki niklu 1 nikiel metal. 2B Se selen i jego związki 3 Ti tlenki tytanu 3 1 - pierwiastek rakotwórczy 2A - prawdopodobnie rakotwórczy 2B - może być rakotwórczy klasyfikacja
pierwiastek tkanka tkanka zdrowa nowotworowa V 3,0 9,8 Cr 0,7 2,6 Mn 3,7 3,0 Fe 440 200 Cu 5,4 10 Zn 53 184 Se 1,2 1,6 Cd 16 180 reakcja Fentona Fe 2+ + H 2 O 2 OH + OH + Fe 3+ Fe 3+ + H 2 O 2 OOH + H + + Fe 2+ O 2 + Fe 3+ O 2 + Fe 2+
potrzeba i możliwości analizowania składu pierwiastkowego (jednoczesna analiza wielopierwiastkowa) najlepiej z uwzględnieniem stopni utlenienia
metody spektrometrii atomowej - fotometria płomieniowa - spektrografia - ICP-AES (inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy) - AFS (atomic fluorescence spectroscopy) - AAS (atomic absorption spectroscopy) - ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectroscopy) - XRF fluorescencja rentgenowska
ICP = inductively coupled plasma ICP (AES) = inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy temp. do 10000 K
przykłady oznaczeń techniką ICP-AES - zawartość metali we włosach, glebie, ściekach, osadach dennych, wodzie morskiej, skałach (po stopieniu i rozpuszczeniu) - zanieczyszczenia produktów spożywczych metalami(mleko, piwo, wino, przyprawy); arsen w żywności - pierwiastki śladowe związane z proteinami - zawartość pierwiastków toksycznych w surowicy krwi - ocena akumulacji kancerogenów (Pb, Cd, Be) w roślinach zalety ICP-AES: stosunkowo mały wpływ matrycy na oznaczenia granica wykrywalności 0,1-10 ppb (µg/l) można oznaczyć kilkadziesiąt pierwiastków w ciągu kilku minut liniowość wskazań 4-5 dekad stężeń
PAGE polyacrylamide gel electrophoresis standardowa metoda rozdziału białek rodzaje detekcji spektrometrycznej (spektrometria atomowa) stosowane w badaniach specjacyjnych metaloprotein wykorzystujących elektroforezę żelową - stan 2004 ICP-MS, AAS i AFS przewidują próbkę w postaci ciekłej (roztworu) XRF - próbka może być stała
PAGE polyacrylamide gel electrophoresis problemy z obecnością pierwiastków śladowych w żelu - elektrody platynowe - problemy z oznaczeniem Pt w serum (~ połowa cis-platyny wiąże się z białkami surowicy) - siarka na poziomie 100 ppm pochodząca z katalizatora polimeryzacji - (NH 4 ) 2 S 2 O 8 Cl Pt NH 3 S Fe S Cl NH 3 S S centrum rubredoksyny
białka jako ligandy NH 2 O O NH 2 O HS CH 2 C C H OH HO C CH 2 CH 2 C C H OH M S NH 2 CH 2 C C H O OH M O O CH CH 2 NH 2 CH 2 C C H O OH M CH 3 S CH 2 NH 2 CH 2 C C H O OH M N N H NH 2 CH 2 C C H O OH
XRF X-ray fluorescence fluorescencja promieniowania X metoda niedestrukcyjnego badania składu pierwiastkowego (Be-U; zwykle Mg-U) próbek w stanie stałym i ciekłym, w tym materiałów biologicznych często nie wymaga (uciążliwego) przygotowania próbki prostota wykonania analizy dobra wykrywalność - nawet poniżej 10 ppb (TRXRF)
oddziaływanie promieniowania γ (X) z atomem rozpraszanie Thompsona rozpraszanie Comptona fluorescencja: utworzenie dziury w rdzeniu i emisja kwantu γ (X) czas życia stanu wzbudzonego ~ 10-15 s widmo fluorescencji jest charakterystyczne dla poszczególnych pierwiastków
energodyspersyjna fluorescencja rentgenowska EDXRF (energy-dispersive X-ray fluorescence) próbka lampa rentgenowska energia (kev) detektor wzmaczniacz i analizator wielokanałowy puls (sygnał) detektora ~ energii fotonu X (dł. fali)
fluorescencja rentgenowska zależna od długości fali WDXRF (wavelength-dispersive X-ray fluorescence) odbicie promieni X od kryształu prawo Braggów nλ = 2d sinθ
fluorescencja rentgenowska zależna od długości fali WDXRF (wavelength-dispersive X-ray fluorescence) detektor θ kryształ analizatora warunek odbicia λ = 2d sinθ lampa rentgenowska tarcza pomiarowa (próbka)
fluorescencja całkowitego odbicia promieni X TRXRF total reflection X-ray fluorescence detektor γ f próbka kąt krytyczny - płytka penetracja próbki do 100 Angstromów wzbudzenie jedynie atomów na powierzchni dobry stosunek sygnał/szum
tarcze pomiarowe mogą mieć formę pastylek, dysków... kamienie nerkowe przygotowane (w formie dysków) do analizy pierwiastkowej metodą XRF (pierwiastki śladowe) matryca: wzorzec zewnętrzny - kości zwierzęce
EDXRF została zastosowana do detekcji Se w peroksydazie glutationowej - limit detekcji 30-60 ng
XAFS (X-ray absorption fine structure) absorpcja promieniowania X gwałtownie wzrasta w pobliżu energii wiązania elektronów rdzenia i stopniowo maleje z dalszym wzrostem energii 1. rejon krawędzi 2. struktura w pobliżu progu (NEXAFS =XANES) 3. rozszerzona struktura (EXAFS) extended X-ray absorption fine structure (subtelna struktura progu absorpcji prom. X) rozpraszanie wsteczne na sąsiadujących atomach przyczyną struktury subtelnej struktura widm XAFS w pobliżu tego progu pozwala: - określić lokalną strukturę nawet z dokładnością do 0,01 A, - uzyskać informacje o wzbudzonych stanach elektronowych
NEXAFS (near edge X-ray absorption fine structure) inna nazwa XANES X-ray absorption near edge structure miękkie promieniowanie X (< 1000 ev) 100eV od progu absorpcji zastosowanie w badaniach powierzchni, polimerów, materiałów magnetycznych absorbujący atom droga fotoelectronu
procesy wpływające na NEXAFS (near edge X-ray absorption fine structure) miękkie promieniowanie X (< 1000 ev) 30eV od granicy fotoelektron foton fluorescencji elektron Augera Intens. wiązka z synchrotronu (strojenie) a) absorpcja promieniowania X przez rdzeń atomowy z emisją fotoelektronu; następnie likwidacja dziury przez b) wychwyt elektronu z innej powłoki (fluorescencja, której wydajność się mierzy) lub c) proces Augera (alternatywnie mierzy się prąd - całkowitą wydajność elektronów)
widma NEXAFS dwu odmian BN widma NEXAFS specyficzne dla pierwiastków (w fazie stałej), ale czułe na odl. międzyatomowe, kąty (hybrydyzację) i obecność adsorbatów (na powierzchni)
EXAFS Energia (ev) widmo EXAFS rubredoksyny (jednej z żelazoprotein)
ESCA (electron spectroscopy for chemical analysis) spektroskopia fotoelektronów - mierzy się ich energię kinetyczną powierzchnia bombardowana monochromatycznym promieniowaniem X (penetracja do 50 Angstromów) widmo: energia (wiązania) - intensywność przesunięcie chemiczne - zależność energii wiązania od otoczenia chemicznego np. stopnia utlenienia limit wykrywalności ~0,2 atom%, typowa dokładność oznaczeń 3-4%
hν