原子吸收光谱在临床分析中的应用

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原子吸收光谱在临床分析中的应用 序言 临床分析是 AA应用的重要组成部分，，与环境分析具有一定的相似性。典型样品包括生物流体，如全血、血浆、血清和尿液，也包括硬、软组织，如骨骼、指甲、头发。涉及日常饮食营养学研究意味着还需要分析粪便。样品的准备技术通常很重要，特别是当使用石墨炉时。 1)全血 血液是一种非常特殊的组织，它由数种细胞组成悬浮在流体介质中，它溶解了多种物质并从身体一部分转送到另一部分。细胞成分包括运送呼吸气体的红细胞、抵抗病毒的白细胞和在血液凝结中起重要作用的血小板。通过离心将细胞物质中的流体分离可以从全血中取得血浆。血浆中包含许多化合物如水、蛋白质、葡萄糖、脂肪、氨基酸、盐类、酶、激素、抗原、抗体和尿素。许多金属元素可以与这些化合物结合。全血自然凝结后可以从全血中分离出血清，然后从血凝块中分离出流体。其中大部分是水和无机盐类，并有痕量的有机物质留下。 2)尿液 尿液是由肾脏排泄出的淡黄色、微酸性的液体，含有从血液中排出的废弃物。通过鉴定并定量在尿液中形成和排出的最终产物，研究尿液中的成分来了解人体的新陈代谢过程。通过鉴定尿液中非正常物质或及其量，你也可以获得一些证据，这对于病理状态诊断和处理是非常有用的。 3)分析 根据在人类新陈代谢中所起的作用，临床分析中测量的金属元素可分为三类，通常为基本的、有毒的或治疗性的三类。 ● 基本的 基本元素可分为三个子类，根据它们在样品中的正常浓度水平分为常量、微量和痕量元素。各个子类中的元素如下： 常量：钙、镁、钠和钾。 微量：铁、铜和锌。 痕量：铬、锰、钼、钴、矾、硒和镍。 常量基本元素 钙 钙作为一种基本的矿物元素约占到人体体重的2%。男性骨骼中含有大约1kg钙质，但仅有1%的总钙量在体液内处于生理运动状态。钙离子可降低肌肉的兴奋性，参与血液凝结、酶的激发并在运送无机离子穿过细胞壁时发挥重要的作用。从本质上说，血液中所有的钙都出现在血清中正常成人血清中的钙水平范围为 2.32-2.60mmol/L。 镁 对于许多参与磷酸盐类转运和水解的重要酶系统而言，镁离子可作为其催化剂。血清最重要的临床应用是缺镁抽搐症的诊断，镁缺乏可在吸收障碍综合症、急性胰腺炎、肾上腺皮质功能减退、慢性酒精中毒和精神性谵妄、醛甾酮症、慢性中毒等诊装中发现，通过保护性添加四价镁，发现尿液中有过量的镁损失。对于脱水、严重的尿毒症和阿狄森症，则可观察到血清中镁量增加加情 况。任何干扰肾小球过滤的情况都将增强镁的滞留从而提高血清中镁的水平。正常成人的浓度范围在 0.75-1.25mmol/L。 钠 钠是细胞外流体中常见的阳离子。正常成人体内70g中约2/3的量都是在这类流体中发现的；余下部分位于骨骼中，仅有相当小的一部分是位于细胞内的。以氯化物形式存在，钠参与了许多重要的生理功能。它涉及到体液 pH 值的协调控制，调节人体酸反应和体液量。在所有人体组织中都可以发现钠，对它的测定也是非常常见的临床操作。血清中钠含量相对恒定，可根据据的轻微波动对疾病进行诊断。很多情况下均会出现血清中钠水平较低的情形，包括严重多尿症、新陈代谢酸毒症、阿狄森症、腹泻和肾小管性病症。而对于肾上腺机能亢进(库欣综合症)、水损失造成的严重脱水、某些脑创伤、经胰岛素和过量钠盐治疗造成的糖尿病昏迷时，血清中钠水平会上升。血清中钠的正常范围为 135-148mmol/L。 钾 钾是人体细胞内主要的阳离子。通过活跃的运输机理维持了细胞内外流体的平衡。钾水平低会引起肌肉和心肌功能因兴奋引起的变化，同时也伴有特征性的电心动图变化。因长时间腹泻和呕吐造成钾的大量损失导致了缺钾。正常血清中钾的水平范围为 3.5-5.3mmol/L。 微量基本元素 锌 锌对于细胞培养养的生长和繁殖及数种酶的功能是必需的。正常人体内含约 0.003%。锌存在于血清、血浆、红血球和白血球中。血浆中以与白蛋白和红蛋白松散或紧密连接的片段形式存在。锌的水平是各种病理状态的重要指标。血清中正常的锌含量范围为11-24u mol/L(0.71.60mg/L)。因性别或年龄存在微小差异但在每日10.00am时会出现浓度变化的峰值。 铜 铜是极为广泛存在的微量元素，几乎在所有的生命形式中都可以被发现。缺铜会造成生长和新陈代谢中严重的扰乱。铜测定最为重要的临床应用是用于肝豆恶化的诊断(威尔逊症)，该病中血清中总铜水平显著降低。染上大部分急慢性传染病、白血病、霍其金症、各类贫血症、血色沉着症、风湿性关节炎、怀孕、硬化和梗塞时其血液中铜水平很高。因年龄和性别血清中正常水平各异。新生婴儿为3-11pmol/L (0.2-0.7mg/L)，6个月以上的儿童和成人为11-20 u mol/L(0.7-1.3mg/L)。成年男性为11一20 u mol/L (0.7-1.3mg/L)，女性微高为112.5-24p mol/L(0.80-1.55mg/L)。怀孕期间从16周往后，女性的值上升到27一40 u mol/L(1.7-2.5mg/L)。 铁 铁是最早被认识到是植物动物必需的微量元素之一。一个正常的成年男性估计含4-5克铁。大部分的铁与蛋白质化合成血红素或]卟啉化合物特别是血淋巴和肌球素的形式而存在。血液中的铁与红血球中的血淋巴化合并以约100比1的比率成为血浆中的铁传递蛋白。血清中铁含量的逐步降低是由于体内总铁量的减少所引起，可能是因为吸收的铁量不充分而造成。血液和血蛋白过少型贫血、急慢性疾病、怀孕和缺铁状态都会出现血清中铁量过低。出现血色沉着症、血色素减少型贫血、肝炎时血清中铁含量增加。成年男性正常血清中铁水平范围为 9.5-23 u mol/L(0.60-1.50mg/L)， 而成年女性则为 8-20 u mol/L (0.50-1.30mg/L)。老年人血清中铁水平减少为6.2-12.5u mol/L(0.40-0.80mg/L)。 痕量基本元素 ( 铬 ) 铬是一种基本元素，但当浓度提高时其存在是具有毒性的。该金属在痕量时显示了生物活性，而且作为“葡萄糖耐药因子”的含铬分子被认为是一种胰岛素的副因子，因此与葡萄糖新陈代谢相 关。血液中铬的分析可作为长期暴露的反映，然而尿液中的铬能更好地反映最近的吸收状况。人体全血中铬的正常浓度范围为 0.5-5.0ug/L。 锰 锰是一种人体基本的营养素。它影响正常的生长，并在活化形成尿素必需的酶(精氨酸酶)时起到非常重要的作用。高浓度的锰被认为是有毒的。从锰中毒案例中观察到的症状包括精神运动失调及幻觉。肢体运动的僵化类似于帕金森和威尔逊症。 钼 钼作为一种基本元素其重要性已经被认识到了。钼离子催化黄嘌呤和醛氧化酶的活性。人类对人体缺钼还未认识到，但动物中毒和缺钼的例子已被广泛报道。 钴 钴是一种基本的痕量元素。机体合成维他命B²需要钴。该金属其他的重要功能涉及到某些酶的活化和血红蛋白的合成。钴浓度过高会导致由胃粘膜局部不适而引起恶心呕吐。 矾 正常成人体内含有 10-25mg的矾，主要位于牙齿、骨骼和脂肪中。摄取的大部分矾都可以通过尿液迅速排出；剩余部分则保留在肝脏和骨骼中。矾可抑制生物体外的胆固醇。缺矾会使骨骼生长迟缓并减弱生殖能力。 硒 50年代，硒被首次认识到是人类新陈代谢的基本元素。缺硒会造成心脏疾病、肌肉营养失调及生殖紊乱，同时该元素也是哺乳动物谷光甘肽过氧化酶的基本成分。象很多基本元素素-样，当浓度过高时硒元素也是有毒的。硒中毒症状包括腹痛和可能的局部瘫痪。正常情况下全血中的硒浓度在50至350u g/L 内变化并依赖于某些饮食因素。 镍 镍是种基本的痕量元素。虽然骨干中含量较高，但软组织中的浓度还是相对较低的。有报告称RNA 和 DNA 中也含有该元素。缺镍会影响生殖过程并降低生物体外甘油磷酸的肝脏氧化 ● 有毒元素 通常将妨碍新陈代谢过程的元素定义为有毒元素。该组中包含的元素如如： 有毒元素：铅、汞、砷、铊、镉、铝、硼、锑。 铅 铅是一种有毒元素，易于在露天工作人体的组织和骨骼中积聚。该元素可通过空气吸入或从固体或液体中摄取。大部分铅通过肾脏排泄，但是与吸收的速率相比消除的速度慢的多。长期暴露于铅环境下会导致厌食、牙龈出血、恶心、数种腹痛、瘫痪、精神混乱、贫血、脑振荡和和部创伤。 汞 汞是一种高毒性的环境污染物。汞的化合物，特别是有机汞化合物甚至是在低浓度时，就阻止巯基的活性从而干扰细胞功能。无机汞化合物将造成如肾脏和肠道组织的可逆损伤，而烃基汞化合物就不可逆地对中枢神经系统造成破坏。 砷 长久以来人类对砷的毒性就有很好的了解。由于它与巯基团具有巨大的亲和力，砷易于与蛋白质结合。这就导致蛋白质的凝结，造成肠胃刺激和重要酶系统不可逆的抑制作用，这些都是砷重要的毒性效应。砷对组织蛋白巨大的亲和力也使血液中的砷迅速减少。因此，除非是对过量服用该物质的案例进行研究，最好不用。 铊 铊中毒在人类和家养动物身上均有频繁发生。用铊盐作为灭鼠剂也作为内外用脱毛药。铊中毒的典型特点是脱发或偶尔的脱甲及脚部脱皮。由于生物体中不存在该种金属，尿液中任何量的示例 都具有重大意义。 镉 镉是一种剧毒元素。短期暴露普遍会导致肺水肿。长期暴露可能会导致肺气肿、蛋白尿症和嗅觉缺失症。伴随而来的另一个问题是镉易于取代机体中的锌。这是非常严重的，因为锌在许多酶的功能中都起到重要的作用。 铝 生物体液中铝的测定是许多文章中研究的课题。大部分研究都致力于血清分析，因为血清中的量可以用于诊断和监控在铝中毒透析病人。对于进行透析的肾衰竭病人，除了摄取含铝的磷酸盐止泄药外，铝污染水源和透析液可造成铝中毒。 硼 人体硼酸中毒的主要原因除进食摄取外，是通过损伤或灼伤皮肤和粘膜表面的再吸收造成的。摄取或再吸收获得的大部分硼通过肾脏排除，然而针对硼中毒可从血液、脊髓、腹膜透析液片断、脑、肝脏、脾和心脏组织中进行检测。 锑 锑及其化合物有剧毒。物理性接触、烟尘会引起皮炎、角膜炎、结膜炎和鼻膜溃疡。锑的挥发性氢化物派生物、锑化氢都具有高危险性，造成红血球溶解和腹痛。 ● 治疗性元素 治疗性元素用于某些疾病的治疗，对进行治疗的病人体内元素含量水平进行监控以控制用药量和治疗进度。 治疗性元素：金、铂和和。 金 金的化合物用于风湿性关节炎和某些其他胶原质疾病的治疗。应用放射性金元素进行癌症疾病的治疗，而带电金叶可作为神经外科手术中用于闭合软脑膜的装置。 铂 铂盐，特别是联体型(cis-diamminedichloroplatinium(I))是防睾丸癌、卵巢癌、头颈部恶性肿瘤和其他肿瘤的有效抗癌药。联体型铂盐的抗肿瘤效应通过与 DNA 捆绑形成许多不同分子种类作为媒介反映，与 DNA 绑定的总铂与肿瘤细胞的杀死直接相关。 锂 锂在治疗抑郁性精神病的狂躁阶段的控制中广泛应用。治疗初期，血清中治疗浓度为1.0-1.5mmol/L， 6一10天后出现极限值。巩固治疗期间血清水平大体保持在 0.5-1.0mmol/L。虽然当血清中浓度低于 1.5mmol/L 时不易觉察出中毒反应，但增加锂的用量仍然会导致中毒。当浓度日益增加至 2.0mmol/L 毒性表现就很严重了。所以在对病人实行此类治疗时应定期监控其血清中锂的水平。 4)取样 大部分临床情况中使用许多明确定义的取样技术。 ● 血液样品 进行血液取样前，先用一次性酒精棉球清洁皮肤表面。当对样本体取样时要注意待测元素的污染，如铝，工业环境中该预防措施是十分需要的。 由于易于受到污染，应避免采用毛细管血样。总的来说，，正常情况下采用标准的一次性金属针采集静脉血样，但对于某些分析，如锰、铬和镍，使用此类操作会使污染几率上升。对于这些元素，应采用塑料插管获取血样，舍弃初始 5mL 的血样或保留进行非痕量元素的分析。 建议对每种元素使用特定的容器和抗凝血剂。对于一些痕量元素，这些都是重要的污染源，错误 的选型会使整个化验结果作废。以下给出一些实例： 肝磷脂一可能含有化学分离和提纯时积累的锌、铜和锰。 EDTA 钾一从红血球中将锌滤入血浆。可能含有有效量的锰和钴。 橡胶塞/帽一释放出有效量的锌。 橙色塑料塞/帽一释放镉。 凝胶分离系统一释放锌和其他元素。 隔膜型塞/帽也会引起铅污染。 为了将污染降至最低，最好将血样收集在塑料平管中并转出血清。对于某些化验，特别是铝，最好使用聚碳酸酯试管。从红细胞中分离出血清或血浆时，最好使用带有一体化头的聚乙烯巴斯德试管。由于滴头内的云母和灰尘中含有锌元素，会在分离的过程中进入试管造成污染，所以不要使用橡皮滴头的玻璃巴斯德试管。玻璃试管中释放出的铝也会造成该元素的化验结果作废。由于铝元素的普遍存在所以最好在运送样品时不要对其进行分离。对于需要全血样品的化验，虽已提及其中可能包含有效量的锰和孟， EDTA 钾仍是较好的抗凝血剂。 为了对可能的污染进行检测，一般建议每个样品或每批样品都需放入空试管中运送至实验室。 ● 尿液样品 一般而言我们收集24小时内的尿样。将收集物装入以稀释后的硝酸(M或2M)彻底冲洗并以蒸馏水洗净的容器中。冲洗和使用前应先移去黑胶密封帽。聚乙烯容器不适合用于收集尿液中的汞，应使用聚碳酸酯容器。正常情况下，将20mL 收集物装入消毒后的通用试管后送入实验室分析。 其他样品 使用清洁的不锈钢解剖刀或针取得活组织切片样品，放入干燥的聚聚酸酯试管中在-20摄氏度保存备用。由于会造成大量的污染及引起组织中大量镉和其他元素的滤出，组织样品不需存放在福尔马林中。 所有含有或预计含有有机体或如乙肝、HIV病毒或物质的样品因会对实验室人员造成严重的感染危险，所以必须被明确鉴别。 5)样品准备 临床样品分析中使用原子吸收光谱的一个显著优点是在大部分情况下很少或不需要进行样品准备。即使需要进行样品准备，操作时涉及的步骤与试剂也尽可能得少。所有使用的试剂级别均为可获得的最高等级。生物样品中正常与病态的区别是相当小的；因此脑海中要时刻牢记避免污染。记住获得精确结果的首要要求是清洁。所有过程中都需要认真操作作免污染。实验室所有器皿的清洁非常重要。使用后所有的玻璃器皿都需要用不含磷酸盐的表面活性去垢剂如 Decon 90 清洗，然后再浸泡在10% v/v 的硝酸中备用。 6)原子吸收光谱 原子吸收光谱是一种光谱分析技术，它基于测量待测样品中的自由原子对特定元素发射的吸收为原理。根据所使用的原子化方法，可以将其分分火焰、石墨墨和氢化物技术三种。 火焰型原子吸收光谱 火焰型原子吸收光谱(FAAS)是一种用于测定常量、微量基本元素的理想化分析技术。作为一种快速、简单、精确并极少受干扰的技术，许多年来都采用 FAAS 进行基本元素的常规测定。在mg/L 浓度水平可以对绝大部分金属元素进行测定，某些元素甚至可以在n g/L 浓度水平上进行测定。最新的仪器设备具备含有质控检查的全自动化能力，提供了增强型的分析力，提高了生产率。 石墨炉原子吸收光谱 石墨炉原子吸收光谱 (GFAAS) 是一种用于测定所有痕量元素的较为理想的技术。虽然与 FAAS相比 GFAAS 是一种速度慢且复杂的技术，但在分析位于n g/L 浓度级的痕量元素和一些 ng/L 浓 度级的元素时其优点十分明显。该技术的另一个优点是样品需求量小，仅需要 1-10ul 即可。复杂的样品基体造成对原子射线的背景吸收(非特征)将带来较大误差，但通常均可通过仪器进行纠正，使用一种或另一种背景校正补偿模式进行纠正：四线(连续光谱源)和塞曼效应两种。此技术的自动化程度的提高大大改善方法的精密度。除汞元素高挥发性造成灵敏度下降外，该技术是其他所有痕量元素分析的理想化手段。 氢化物发生器原子吸收光谱 氢化物发生器原子吸收光谱(HGAAS) 是一种用于汞和砷族元素分析的技术。其存在一些干扰且考虑元素的氧化态十分重要。可对 n g/L浓度水平的氢化物形成元素和 ng/L 浓度水平的汞元素进行分析。 根据不同元素及其浓度和灵敏度，这些原子吸收技术可对所有临床样品进行分析。 7)常量和微量基本元素 通常采用火焰型原子吸收光谱进行血清中常量和微量基本元素的测定。由于血清具有粘性，直接将未稀释的血清吸入原子吸收仪是不可行的，建议至少采用1：10的稀释比来避免雾化器和/或燃烧器狭缝的阻塞问题。 8)痕量元素 采用石墨炉原子吸收光谱对生物流体中的基本和有毒痕量元素进行测定。常用分析涉及以下一个或多个步骤： 直接注射入石墨管或平台中。 (II) 以水、Triton X-100或稀酸稀释。 (IID 以强酸脱蛋白。 (IV) 采用基体改进剂。 除去软组织或骨骼，一般很少需要对样品进行完全消解。由于高性能仪器的使用，所以很少采用鳌合/萃取技术对分析物进行浓缩或分离干扰的基体成分。氢化物发生法是那些用此方法测量的元素一个非常实用的方法。在精确度相仿的基础上，其花费比GFAAS 要低的多。不过通常需要进行样品消解并注意确保消除氧化物的干扰。 9)测量单位 典型临床化学实验室中采用的单位很多，但绝大部分的医院实验室都采用 SI 摩尔单位作为主要的报告单位。不过对于非临床学用户而言也引入了质量/升的单位。常见单位的换算关系如下。 尿液中痕量元素的浓度可按体积、24小时尿产量或每毫摩尔中有多少肌胺酸酐或每克肌胺酸酐多少量来报告。以每u g、mg或 kg湿重、重重或灰重中组织样品的浓度来进行报告。