Классификатор методических и измерительных эффектов для аналитических исследований

При проведении аналитических исследований с биологическими пробами используются разнообразные приемы выполнения исследований, основанные на использовании различных физических эффектов, одни из которых необходимы для подготовки пробы к анализу, а другие - для выполнения измерений некоторых медико-биологических показателей - информативных параметров этих биопроб.

Определим эффекты, которые возникают на этапах подготовки биопроб к исследованию, как методические, а эффекты, на которых основаны методы измерения показателей-параметров, - как измерительные. Многообразие методических и измерительных эффектов, нашедших применение в медико-биологической лабораторной практике, создает известные трудности для их изучения. Цель данной методической разработки как раз и состоит в том, чтобы дать систематизацию этих эффектов, а также показать разнообразие технических средств, используемых при изучении биологических проб.

С методическими эффектами связаны различные виды воздействий на биопробу. Все виды воздействий можно условно разделить на несколько групп:

- физические: нагревание, охлаждение, атомизация, перемешивание, отстаивание, приложение физического поля, облучение, ионизация, центрифугирование, фильтрование и т.д.;

- физико-химические: разделение компонентов проб с помощью электромиграционных и хроматографических методов, разбавление, флотация, экстрагирование, перегонка и т.п.;

- химические: инициирование различных трансформаций путем добавления различных веществ;

- биологические: посев и выращивание в различных питательных средах, заражение различных животных и т.п.

Группа физических воздействий приводит к эффектам, связанным с изменением физического состояния биопробы ( температуры или агрегатного состояния ), структуры и химического состава ( термо- и фотохимические реакции, отделение компонентов различной дисперсности ), физико-химических или биологических свойств пробы (коллоидно-химических характеристик, фазового состояния, изменения типа и структуры микрообъектов и др.).

Физико-химические воздействия позволяют изменять различные физико-химические свойства, молекулярный и фазовый составы пробы. Они часто приводят к фракционированию, разбавлению, концентрированию, высушиванию, гомогенизации, извлечению или диспергированию каких-либо компонентов пробы.

Химические воздействия обеспечивают выполнение химической трансформации пробы ( химические реакции при титровании, каталитические реакции при использовании кинетических методов, и т.п.) с изменением их физических, физико-химических и биологических характеристик.

Биологические воздействия применяются чаще всего при микробиологических, вирусологических и цитологических исследованиях и приводят к изменениям физических и физико-химических характеристик биопробы, к изменениям скорости реакций, подвижности ( для микроорганизмов ), скорости роста популяций клеток и др.

Различают внутренние и внешние эффекты.

Внешние эффекты проявляются в изменении характеристик, описывающих свойства всей пробы в целом, например, изменения объема и веса, скорости течения, агрегатного состояния и др.

Внутренние эффекты более разнообразны; они основаны на явлениях, происходящих внутри клеток, молекул, ионов,атомов и ядер.

Выделяют простые и сложные методические эффекты, правильное использование которых приводит к возникновению вторичных - измерительных эффектов.

Измерительные эффекты можно связать с природой воздействий.

1.Механические воздействия вызывают несколько измерительных эффектов:

-механические, в числе которых упругие деформации, изменения вязкости, коэффициента диффузии, параметров движения, поглощение и дисперсия звука и т.п.;

-тепловые, возникающие в биопробых ( в жидком состоянии ) при изменении режима течения в результате вязкого трения, за счет эффекта объемной вязкости, благодаря кинетике экзо- и эндотермических процессов и др.;

-оптические, проявляющиеся в изменениях оптической плотности, угла поворота плоскости поляризации, коэффициентов рассеяния и отражения, показателя преломления и др.;

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

-биологические, а также многочисленные химические и физико-химические эффекты - изменения скорости реакций и физико-химических процессов, характера массопереноса, фазовые превращения, поверхностные явления и т.п.

2.Тепловые воздействия вызывают следующие измерительные эффекты:

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

-тепловые - вследствие излучения, фазовых переходов, испарения, кипения, сублимации, конденсации, плавления, конвекции или теплопроводности;

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

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

-магнитные - например, изменение магнитной восприимчивости;

-биологические - изменение характера развития популяций микроорганизмов, иммунологической и биохимической активности и др.

3. Оптические воздействия обусловливают следующие измерительные эффекты:

-механические - например, такой, как световое давление;

-тепловые, выражающиеся в изменении температуры среды в результате интегрального или селективного поглощения лучистой энергии;

-оптические - интерференция, изменения поляризации, спектральных и пространственных характеристик излучения (фотолюминесценция, дифракция, рэлеевское и комбинаторное рассеяние ),дисперсия электромагнитных волн, нелинейные оптические эффекты, эффект Мандельштамма-Бриллюена и т.п.;

-электрические - внутренний и внешний фотоэлектрические эффекты, фотодиффузионный эффект Дембера, изменение диэлектрической проницаемости под действием оптического излучения;

-химические, физико-химические и биологические - изменение агрегатного состояния, фотохимические реакции, фотоадсорбция, фотосинтез органических веществ в растительных и бактериальных клетках, фотодинамические эффекты, приводящие к сенсибилизированному красителем повреждению органических веществ, белков, клеток и т.п.

4. Электрические воздействия вызывают следующие эффекты:

-механические - электрострикция, изменение массы электродов и раствора в результате электролиза и электродиффузии, электрофоретические явления, электроосмотический и электрокапиллярный эффекты;

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

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

-электрические - поляризация электродов, нелинейные эффекты электропроводимости, угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости, изменения общего импеданса и электродного импеданса в зависимости от потенциала электрода и частоты поля, дисперсия электропроводности, диэлектрической проницаемости и угла диэлектрических потерь;

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

-химические, физико-химические и биологические - изменение скорости реакции, диссоциация молекул в полях высокой напряженности, электрокоагуляция коллоидов, возникновение градиентов pH в растворах под действием поля, стерилизация жидкостей, возбуждение нервных клеток, изменения биохимической активности и роста микроорганизмов и т.п.

5.Магнитные воздействия мало изучены, тем не менее в лабораторной практике нашли применение следующие эффекты:

-механические - например, магнитострикция;

-тепловые - магнитокалорический эффект;

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

-электрические - связаны с изменением электропроводности и диэлектрической проницаемости в магнитном поле;

-магнитные - ядерный магнитный и электронный парамагнитный резонансы.

6.Воздействия проникающих излучений приводят к различным химическим и биологическим эффектам и, как следствие, к изменениям физических и физико-химических свойств, которые могут быть изучены техническими средствами:

-химические - ионизация, окисление, галоидирование, выделение газовых составляющих, образование или уничтожение двойных связей, возникновение свободных радикалов и т.п.;

-биологические - замедление роста, гибель или угнетение роста микроорганизмов, вирусов, клеток, нарушение синтеза белков и нуклеиновых кислот, генетические изменения;

-физические (радиационные) - например, испускание гамма-квантов в результате радиационного захвата нейтронов.

7. Химические, физико-химические и биохимические воздействия также могут привести к нескольким видам измерительных эффектов:

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

-тепловые - изменения температуры;

-оптические - изменения оптической плотности, коэффициентов рассеяния и отражения, оптической активности, спектральных характеристик люминесценции;

-электрические - изменение пассивных электрических свойств среды, их дисперсии, изменения ЭДС гальванических элементов и диффузионных потенциалов;

-магнитные - изменение магнитной проницаемости;

-физические (радиационные) - появление радиоактивности и возникновение химических реакций изотопного обмена в результате введения в пробу изотопных индикаторов.

Случайные воздействия извне могут привести к побочным эффектам,которые могут повлиять на выходной измерительных эффект. Это приводит к необходимости стабилизировать существенные для исследования условия и параметры биопробы; к таким процедурам можно отнести : термостатирование, pH-статирование, баростатирование, герметизацию, чернение поверхностей реакционных объемов и другие приемы защиты исследуемых биопроб.

Высокой информативностью обладают аналитические методы, основанные на двойных методических эффектах, когда измерительный эффект формируется при наличии более чем одного воздействия, например, методы изотахофореза, масс-спектрометрии, поточно-полевого фракционирования, ядерных резонансов и др.