Применение рентгенофлуоресцентного анализа в биологии и медицине

Abstract

В настоящее время рентгенофлуоресцентный анализ (РФА) широко используется для определения содержаний элементов в различных материалах при биологических исследованиях. В обзоре рассмотрены достижения, связанные с особенностями такого применения метода РФА. Рентгенофлуоресцентный анализ в большинстве случаев является недеструктивным методом, который доказал свой потенциал для измерения концентраций элементов с высоким атомным номером Z в органах и тканях в естественных условиях (in vivo). Основные области применения метода в биологии и медицине: определение содержаний основных и токсичных элементов в растениях, образцах костей, зубов, волос, ногтей и тканей жизненно важных органов, жидкостей организма, таких как кровь, сыворотка, плазма, слюна, урина и др. Как правило, эти исследования являются частью прикладных программ, включающих экологические и метаболические исследования населения, в т.ч. влияние профессиональных факторов. Применительно к биологическим материалам обсуждены преимущества РФА. Отмечено, что на результат анализа практически не влияет форма нахождения элемента в образце. В последние годы сконструирован ряд новых моделей спектрометров РФА, в которых используются поликапиллярные линзы и полулинзы в качестве коллимирующих систем. Это важно в случае применения in vivo рентгенофлуоресцентного определения некоторых элементов в костях и тканях. Динамичное развитие характерно для детекторов с термоэлектрическим охлаждением. Обсуждены варианты приготовления биологических материалов к анализу (измельчение, сухое или мокрое озоление, разложение кислотами, применение суспензий в случае РФА с полным внешним отражением). Представлены результаты оценки взаимных влияний элементов при РФА материалов растительного происхождения, в т.ч. трав, пряностей, яблочных листьев, листьев берёзы и томата, чая, пшеничной, ржаной, рисовой, овсяной, льняной муки, фасоли, молотого и растворимого кофе. Рассмотрены примеры применения РФА при различного рода криминалистических исследованиях: отравления, фальсификации лекарств и торговых марок пищевых продуктов, зубных имплантов, идентификации останков. В обзоре представлены примеры участия учёных рентгенофизиков из России в решении рассматриваемых задач. Список литературы составляет 399 наименований в основном публикации последних 20 лет.

X-ray fluorescence analysis (XRF) is widely used when determining the concentrations of elements in various materials in biological research. Current review considers the achievements related to the features of the XRF method. X-ray fluorescence analysis in most cases is a non-destructive method that has proven its potential for measuring the concentrations of elements with a high atomic number Z in organs and tissues in vivo. The main areas of its application in biology and medicine are content determination of basic and toxic elements in plants, samples of bones, teeth, hairs, nails and tissues of vital organs, body fluids such as blood, serum, plasma, saliva, urine, etc. Usually, these studies are part of applied programs that include environmental and metabolic analyses of the population, including the influence of professional factors. The advantages of XRF are also discussed with regards to biological materials. It is noted that the form of the element in the sample practically does not affect the analysis result. In recent years, several new XRF spectrometers models have been designed, where polycapillary lenses and half lenses are used as collimating systems. This is important in the case of in vivo application of X-ray fluorescence determination of certain elements in bones and tissues. The dynamic development is typical for detectors with thermoelectric cooling. Variants of preparation of biological materials for analysis are discussed (grinding, dry or wet ashing, acid decomposition, use of suspensions in the case of XRF with TIR). The results of evaluating the interelement effects for XRF of materials of plant origin, including herbs, spices, apple leaves, birch and tomato leaves, tea, wheat, rye, rice, oatmeal, flax flour, beans, ground, and instant coffee are presented. Examples of the use of XRF in various types of forensic research are considered: poisoning, counterfeiting of drugs and food brands, dental implants, identification of remains. The review presents examples of the participation of Russian X-ray physicists in solving the problems under consideration. The list of references is 400 papers, mainly including the publications of the last 20 years.