Određivanje cinka i selena pomoću atomske apsorpcijske spektroskopije

Mariela StipetićAnamarija Stipić

Nikolina SučićAnton Toni Sušić

Katarina ŠafarIva Šakota

Seminar;15.01.2015.

Sadržaj seminara:

Minerali

Cink, selen

Određivanje cinka i selena pomoću atomske

apsorpcijske spektroskopije

Minerali Milijarde godina metaboličkih procesa mogu se odvijati samo uz prisutnost 45

životno neophodnih bioloških tvari(vitamini, minerali, elementi u tragovima) Klasična deficijencija minerala koji ulaze u sastav našeg organizma jest da su to

tvari koje se u organizmu nalaze u vrlo malim količinama, neki gotovo u tragovima, ali su neophodni za normalno odvijanje izmjene tvari(metabolizma)

Metali su anorganski kemijski elementi, ima ih 103, a 80 ih nalazimo u našem organizmu

Minerali čine 4.5 % naše tjelesne mase, a glavnina ih se nalazi u kostima te zatim u našem tkivu i tjelesnoj tekućini, mozgu, krvi, enzimima, hormonima i hemoglobinu

Ne možemo ih stvoriti niti potrošiti i cijeli život ih moramo unositi putem hrane, vode i lijekova

Količine minerala u organizmu su konstantne jer postoji velik broj mehanizama za održavanje homeostaze

Podjela minerala

Minerale dijelimo na: makroelemente, mikroelemente i elemente u tragovima

Makroelementi su oni elementi koje organizam treba u količini većoj od 100 mg na dan. U takve elemente spada kalcij, magnezij, kalij, fosfor, natrij, klor i sumpor

Mikroelementi su oni elementi koje organizam treba u količini manjoj od 100 mg na dan. U takve elemente spadaju cink, mangan, željezo, fluor, bakar i jod

Elementi u tragovima: selen, bor, krom, silicij, molibden, kobalt

o Nekad se smatralo da su četiri elementa ( željezo, bakar, jod i cink ) neophodni za normalno funkcioniranje organizma. Tijekom posljednjih 30 godina tom je popisu dodano još desetak elemenata, ali najvjerojatnije ni to nije konačan broj

Funkcija minerala Minerali su pohranjeni u različitim dijelovima našeg organizma,

ponajviše u kostima i mišićnom tkivu Minerali su potrebni za normalno funkcioniranje svih stanica ,

te mentalno i fizičko zdravlje Oni su nositelji životnih funkcija organizma jer sudjeluju u

enzimskom sastavu bez kojega nema neophodnih biokemijskih procesa

Potrebni su za očuvanje osjetljive ionske ravnoteže stanične tekućine, elektrokemijsku aktivnost u živčanim stanicama i regulaciju tonusa mišića

Imaju ulogu elektrolita, bez kojih mnoge tvari ne bi mogle biti otopljene u staničnim i tkivnim tekućinama

Gubitak minerala Vrlo često se događa da se bez nekog dodatnog razloga osjećamo loše i bezvoljno. Možda se upravo radi

o nedostatku nekog važnog minerala u našem organizmu. Minerali se neprestano izlučuju iz našeg organizma putem znojenja te ih je potrebno svakodnevno unositi u organizam

Deficit minerala nastaje kada ih ne konzumiramo u dovoljnoj količini u hrani ili kada u tijelu postoje poremećaji koji sprječavaju dovoljnu apsorpciju ili iskoristivost minerala u tijelu

Nedostatak minerala i elemenata u tragovima je kod većine ljudi vjerojatniji od nedostatka vitamina Osim neadekvatnog načina prehrane i neurednog života, dugotrajno uzimanje lijekova poput steroida,

prekomjerno konzumiranje alkohola, pušenje, konzumiranje droge, čak i svakodnevno trošenje velikih količina kave i čaja dovest će do manjka minerala u organizmu

Povećani rizik od nedostatka minerala uočen je i kod ljudi koji drže dijetu, starijih ljudi, trudnica, vegeterijanaca, ljudi koji se bave sportom ili teškim fizičkim poslom, ljudi koji boluju od težih bolesti (dijabetes)

Ljudi kod kojih stanje elemenata u tragovima nije optimalno ( npr. selena ), imaju povećani rizik oboljenja od određenih vrsta karcinoma i bolesti srca

Osjetljivost našeg tijela čak i na manje promjene u balansu ovih minerala može se uočiti ako usporedimo naš dnevni unos minerala ( oko 1.5 grama ) sa ukupnim unosom ugljikohidrata, masti i bjelančevina ( oko 500-1 000 grama )

Djelovanje svakog minerala ovisi o količini koju smo unijeli u organizam, no većina ljudi ne dobiva dovoljne količine vitamina i minerala u svakodnevnoj ishrani što dugotrajno rezultira povećanim brojem oboljenja

Suplementacija minerala

Ubrzani tempo i moderan način života često ne ostavlja dovoljno vremena za pravilnu prehranu stoga je ponekad potrebno nadomjestiti manjak mineralnim suplementima

Dodatci prehrani ili suplementi su proizvodi koji se sastoje od jedne ili više esencijalnih hranjivih tvari kao što su vitamini, minerali, aminokiseline, koncentrati, metaboliti, sastojci i ekstrakti tih tvari

Na tržištu su prisutni u mnogim oblicima kao što su tablete, kapsule, prahovi, gelovi i tekućine

Suplementacija elemenata Upotreba suplemenata je poželjna u

slučajevima kada nije moguće provoditi pravilnu prehranu, kada se ne osiguravaju preporučeni unosi, ako je prisutan poremećaj apsorpcije, ako su veliki gubitci ili ako postoji neki fiziološki poremećaj

Potrebno je napomenuti da prilikom upotrebe dodatnih preparata u obliku mineralnih nadopuna-tableta trebamo voditi računa o uputama za upotrebu koje daje proizvođač jer se vrlo lako može dogoditi da nekontroliranim unosom dovedemo svoj organizam u stanje „predoziranosti”, tj. u toksično stanje

Suplementacija organizma selenom Selen je osobito potreban trudnicama, pušačima, starijim osobama,

tinejdžerima te svima koji se neuravnoteženo hrane Važan je u prevenciji pojave visokog krvnog tlaka, kod pojedinih srčanih

bolesti, a danas je postala „svakodnevica” isticati selen kao važan faktor u prevenciji raka

Selen u kombinaciji sa vitaminom E uspješno štiti strukture u našem organizmu od opasnog utjecaja slobodnih radikala, ali dnevne potrebe za selenom su izrazito male ( 0.2 miligrama na dan)

Dovoljno je da tijekom dana konzumiramo mliječne proizvode, crni kruh ili plavu ribu ili jetru ili bubrege ili brokule

Naime, potreban je oprez kod preparata selena jer dok su male količine dobrodošle za organizam, samo nešto veće količine pokazuju toksične pojave, a u stanjima predoziranosti selen postaje kancerogeni čimbenik

Cink: biokemija i fiziologija

Cink je poslije željeza najzastupljeniji element u tragu u humanom organizmu

Kod osobe tjelesne mase od 70 kg, nalazi se u količini od 1.4-2.3 grama

Prostata, sjemena tekućina, jetra, bubrezi, hipotalamus, retina, kosti i mišići su tkiva i tekućine koja su bogata cinkom

Sadržaj cinka u eritrocitima je deset puta veći nego u plazmi, s obzirom da su oni bogati karbo-anhidrazom i drugim enzimima koji sadrže cink

U biološkim sustavima cink se nalazi samo u dvovalentnom stanju

Biokemija i fiziologija cinka Metabolička funkcija cinka zasnovana je na tome da je on

esencijalna komponenta mnogih metaloenzima uključenih u praktično sve aspekte metabolizma

Cink je integralni dio gotovo 300 enzima Značajniji enzimi koji sadrže cink su karbo-anhidraza, alkalna

fosfataza, RNA- polimeraza, DNA-polimeraza, timidin kinaza, karboksipeptidaza i alkohol-dehidrogenaza

Stabilizira strukture proteina i nukleinskih kiselina Održava integritet subcelularnih organela Sudjeluje u procesima transporta tvari kroz membranu Ima značajnu ulogu u održavanju imuniteta

Metabolizam cinkaOko 20-30 % hranom unesenog

cinka se apsorbira i to najvećim dijelom u duodenumu i proksimalnom dijelu jejunuma

Apsorbira se aktivnim transportom, djelomično posredovanim specifičnim transportnim ligandima

Apsorpcija cinka ima značajnu ulogu u homeostatskoj regulaciji

Namirnice bogate proteinima kao što su meso i riba su značajni izvori cinkom

Bioraspoloživost cinka iz povrća je smanjena zbog fitata ( inozitol fosfati), celuloze, hemiceluloze i drugih dijetalnih vlakana koja inhibiraju apsorpciju cinka

Raspoloživost dijetalnog cinka smanjuju visoke količine kalcija, fosfora, željeza i bakra

Prehrana bogata proteinima stimulira apsorpciju cinka, dok ona siromašna proteinima ima suprotan efekt

Cink se u plazmi transportira najvećim dijelom vezan za albumin (60-70%) i α2-makroglobulin (30-40%) uz malu količinu vezanu za transferin i slobodne aminokiseline

Cink se najvećim dijelom izlučuje fecesom Pankreasnim sokom izluči se oko 25% ukupno izlučenog Gubitak urinom iznosi oko 0.6 mg/danu kod odraslih koji

unose 12 mg/danu i direktno je povezan sa količinom cinka unesenog hranom

Gubitak znojem je sličan onome koji se gubi urinom, ali može biti i veći u tropskim krajevima i kod psihičkog stresa

Klinički značaj cinka Klinička slika deficijencije cinka uključuje zaostajanje u rastu, sazrijevanje mišića, testikularnu atrofiju i

hepatosplenomegaliju Starost, trudnoća, laktacija i alkoholizam su povezani sa većom incidencijom nedostatka cinkom Kako deficijencija cinkom napreduje, manifestacije se mogu kretati u širokom spektru od blagih do veoma

ozbiljnih simptoma Manifestacije ozbiljnih slučajeva nedostatka cinka uključuju alopeciju, gubitak težine, dijareju,

neuropsihijatrijske poremećaje i ponovljene infekcije Osim prehrambenih faktora, mnoga oboljenja i medicinski tretmani mogu dovesti do deficijencije cinka Deficijencija cinka kod pacijenata sa hepatičnom cirozom (alkoholizam, virusni hepatitis) karakterizira se

niskom koncentracijom cinka u serumu -uz visoku koncentraciju u urinu Snižene koncentracije cinka potvrđene su i kod pacijenata sa gastrointestinalnim poremećajima (ulkusi),

ulcerativni kolitisom, Chronovom bolešću, regionalnim enteritisom Pojava deficijencije cinka kod pacijenata sa renalnim oboljenjima pripisuje se gubitku proteina koji sa

cinkom grade komplekse Jatrogeni uzroci deficijencije cinka uključuju davanje anabolika ili helatnih agenasa koji vezuju metale, kao

što su kortikosteroidi i penicilinDeficijencija cinka kod pacijenata sa neoplastičnim i inflamatornim oboljenjima (artritis, lupus eritromatotus) pripisuju se anoreksiji, gladovanju, gubitku cinka iz kataboliziranih tkiva i povećanoj urinarnoj ekskreciji nakon njegove mobilizacije interleukinom-1

Trudnice imaju visok rizik od deficijencije cinkom zbog velikih potreba fetusa Najjasnije definiran genetski poremećaj metabolizma cinka je acrodermatitis enteropatica Anemije srpastih stanica: cink je povišen u serumu, a u urinu je snižen

Laboratorijska ispitivanja cinka

Dva tipa ispitivanja:a) Određivanje koncentracije cinka u tkivu ili tjelesnim

tekućinamab) Testiranje funkcija zavisnih od cinka: određivanje aktivnosti

alkalne fosfataze i laktat-dehidrogenaze i testovi osjetila ukusa

• Cink u serumu ili plazmi• Cink u kosi• Cink u urinu• Cink u leukocitima• Enzimi i metalotionin sa cinkom

Laboratorijska ispitivanja cinka

Metode određivanja cinka u serumu ili plazmi kolorimetrijskom metodom s

4-(2-piridilazo) rezorcinolomOdređivanje cinka u plazmi atomskom

apsorpcijsom spektroskopijom (AAS)

Prihvaćeni referentni interval za cink u plazmi je 10.7 – 18.4 µmol/L

Selen: biokemija i fiziologija Ulazi u sastav dvaju enzima: glutation peroksidaze i tiroksin-5-dejodinaze Dva oblika selena: selenometionin i selenocistein. Selenometionin se unosi

hranom, a selenocistein ima aktivnmu biološku formu selena (čvrsta regulacija selenocisteina koji ulazi u sastav glutation-peroksidaze, tiroksin-5-dejodinaze i selenoproteina P

Selen sudjeluje u zaštiti organizma od oksidativnog stresa i u metabolizmu tireoidnih hormona

Uloga glutation-peroksidaze: a) Katalizira razlaganje hidroksiperoksida, fosfolipid-hidroksiperoksida i dr.b) Eritrocitna glutation-peroksidaza ima 4 atoma selena u obliku selenocisteinac) Kod duže deficijencije selena-niža aktivnost glutation-peroksidaze Uloga selenoproteina P:a) U plazmi transportira selen iz jetre do testisab) Zaštita ekstracelularnih oksidativnih enzima

Unos selena hranom i njegov metabolizam

Glavni izvor selena su seleno-aminokiseline ( selenometionin iz biljaka, selenocistein iz životinjskih namirnica i neorganski selen) Apsorpcija selena: dobra apsorpcija(>50%) i nema

regulacije apsorpcije Izlučivanje selena: urinom (regulira se koncentracija

selena). Višak selena dovodi do isparavljivih formi selena Sadržaj selena u hrani varira, zavisi od sadržaja selena u

zemljištu i od geografskog područja Endemska područja sa deficijencijom selena (Kina) Pojava Keshanovog oboljenja

Klinički značaj selena

Deficijencije selena:Keshanovo oboljenje-endemska kardiomiopatijaPogađa djecu i trudnice u nekim dijelovima Kine Ishrana siromašna selenomNiska aktivnost glutation-peroksidazeKoncentracija selena je niska u serumu i kosi(30-

40% niža od normalne)Terapija je davanje selenaKashin-Backovo oboljenje-endemski osteoartritis

Laboratorijska procjena statusa selena

Za procjenu statusa selena korisno je odrediti koncentraciju selena u krvi i urinu

Određivanje koncentracije selena u plazmi ili serumu može biti osjetljiviji indikator statusa selena od određivanja selena u punoj krvi

Određivanje aktivnosti eritrocitne glutation peroksidaze korelira sa koncentracijom selena u krvi i ima isto značaj u procjeni statusa selena

Analitičke metode

Najčešće korištena metoda za određivanje selena je AAS

Za određivanje selena u biološkim uzorcima preporučljivo je koristiti AAS bez plamena

Referentne vrijednosti selena

• Puna krv: 0.74-2.07 µmol/L• Eritrociti: 3.05 µmol/L• Serum/plazma: 0.58-1.82 µmol/L• Urin: 7-160 µmol/L

Apsorpcijska spektroskopija

Apsorpcijska spektroskopija1) Izvor zračenja: izvor signala daje analitički signal pojedinih sastojaka

uzorka. Čine ga izvor energije i uzorka koji u interakciji daju analitički signal. Lampe su dizajnirane da emitiraju atomski spekatar specifičnog elementa. Lampe se odaberu za upotrebu ovisno o elementu koji se treba odraditi. Izvori zračenja mogu biti kontinuirani i diskontinuirani

2) Selektor valnih duljina: Uređaj koji skraćuje mjeru zračenja do uske vrpce koju uzorak apsorbira te se tako utjele na selektivnost i osjetljivost instrumenta. Postoje dvije vrste selektora valnih duljina: filtri i monokromatori

3) Spremnici za uzorke: kivete 4) Detektor: detektor je naprava koja pokazuje postojanje neke fizičke

pojave. Dijele se na fotonske i toplinske5) Uređaj za očitavanje

Izvor zračenja

Selektor valnih duljinaSpremnici za

uzorke

Detektor

Uređaj za očitavanje

Atomska spektroskopija

Apso

rpci

jska

spe

ktro

skop

ija

Atomska emisijska spektroskopija

Atomska fluorescencijska spektroskopija

Atomska apsorpcijska spektroskopija

Apsorpcijska spektroskopija

Tehnika koja opisuje procese interakcije energije i atoma ili jednoatomnih iona

Koristi se za određivanje elemenata koji apsorbiraju u ultraljubičastom i vidljivom dijelu spektra

U svojoj primjeni može biti:a) Atomska emisijska spektroskopijab) Atomska fluorescencijska spektroskopijac) Atomska apsorpcijska spektroskopija

Uzorak se provede u stanje slobodnog atoma procesom atomizacije primjenom električne struje ili energije plamena

Slobodni atomi apsorbiraju energiju zračenja određene valne duljine Atomsku apsorpciju karakteriziraju linijski spektri Linijske spektre karakterizira određena valna duljina jer atomi u slobodnom

stanju apsorbiraju strogo određene valne duljine Na toj činjenici počiva visoka selektivnost atomske spektroskopije Karakteristične valne duljine odvajaju se monokromatorom i na kraju

detektorom pretvaraju u mjerni signal koji se očitava Atomizacija uzoraka:a) Plamena: stabilnost i jednostavnost, slaba osjetljivost, kratko vrijeme

zadržavanja uzorka u plamenub) Elektrotermalna ( grafitna peć ili kiveta): postupno zagrijavanje, sušenje

oko 100 °C, spaljivanje na 500 do 1 400 °C i atomizacija do 3 000 °C

Atomska apsorpcijska spektroskopija

Kod plamene atomske apsorpcijske spektroskopije, izvor zračenja emitira spektar

Kako zračenje prolazi kroz uzorak, element koji određujemo, apsorbira dio zračenja, količina apsorbiranog zračenja proporcionalna je koncentraciji elementa u plamenu

Intenzitet zračenja se smanjuje izlaskom iz uzorka Određene valne duljine odvajaju se monokromatorom i

detektiraju Zbog raznih odstupanja i zbog korekcije nečistoća, potrebno je

kalibrirati instrument serijom standarda poznatih koncentracija prije analize ispitivanog uzorka te koristiti slijepu probu prilikom mjerenja

Atomska apsorpcijska spektroskopija

Atomska apsorpcijska spektroskopija je najšire primjenjivana tehnika za određivanje minerala u najrazličitijim vrstama uzorka

Plamen je najpogodniji i najreproduktivniji za atomizaciju, ali je manje efikasan

Samo 0.1 % ukupne mase uzorka se atomizira u plamenu, a maksimalno 10 % se unese u plamen

Pored toga, za analizu jednog elementa potrebno je raspršiti nekoliko mililitara uzorka

Zbog toga su razvijeni elektrotermički atomizatori

Grafitna ili elektrotermalna atomska apsorpcijska spektroskopija

Ova vrsta atomizatora predstavlja mini peć, a efikasnost atomizacije je oko 100 %. Tako da to povećava osjetljivost odnosno smanjuje granicu detekcije više od 100 puta

Postoje različite konstrukcije elektrotermalnih atomizatora i mogu biti u obliku cijevi, štapića, kivete i napravljene su od grafita presvučenog pirolitičkim grafitom koji se zagrijava pomoću električne struje

Uzorak se ručno ili automatski postavlja u atomizator, gdje prvo isparava otapalo na temperaturi od 100 °C nekoliko sekundi, a zatim se zagrijavanje nastavlja na 500 do 1 400 °C čime se razaraju organske supstance

Na kraju se uzorak brzo termički atomizira na visokoj temperaturi ( do 3 000 °C )

• Plamenom tehnikom se određuju mg/L dok kod grafitne kivete je to µg/L

• Minerali i elementi u tragovima koji se mogu odrediti plamenom tehnikom su cink, bakar, željezo, mangan, natrij, kalij

• Minerali i elementi u tragovima koji se mogu odrediti grafitnom tehnikom su bakar, cink, kadmij, krom, nikal, olovo, živa, željezo, mangan, aluminij, selen, molibden, arsen