معجزه ای در صنعت و حوزه سلامت٬ دستگاه ICP-MS

در این مقاله سعی داریم با معرفی دستگاه ICP-MS مجتمع آزمایشگاهی رادگستر شما را با کاربرد های بیشمار این دستگاه آشنا سازیم.

مقدمه : ICP-MS چیست؟

علم پزشکی رشته تحصیلی است که به همه افراد مربوط می شود، اما توسعه علوم دارویی، زیست پزشکی و علوم زیستی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در این زمینه‌ها، مطالعات بیشتری برای تعیین مقدار و غلظت عناصر معدنی و ترکیبات آلی مانند نوکلئوتیدها، پپتیدها و پروتئین‌های حاوی گوگرد و فسفر برای استفاده در انواع داروها با دقت باورنکردنی در حال انجام است. از سال 1980، طیف سنجی جرمی پلاسما جفت شده القایی (ICP-MS) به عنوان یک تکنیک جدید و قدرتمند برای تجزیه و تحلیل عنصری و ایزوتوپی ظهور کرده است. ابزاری برای تجزیه و تحلیل طیف بسیار گسترده ای از عناصر و تحلیل مشترک اکثر عناصر در جدول تناوبی فراهم می کند. همچنین می تواند برای تجزیه و تحلیل کیفی، کمی و نیمه کمی و برای اندازه گیری نسبت های ایزوتوپی از طریق نسبت جرم به بار استفاده شود. در سال‌های اخیر، ICP-MS به عنوان بهترین تکنیک برای تعیین کمیت ناخالصی‌های معدنی در کاربردهای دارویی و زیست پزشکی ظاهر شده است. این فصل بر معرفی کاربردهای ICP-MS در زمینه های دارویی و زیست پزشکی تمرکز دارد. برخی از مشکلات پیش روی ICP-MS نیز در پایان این فصل ارائه شده است.

موارد کاربرد دستگاه ICP-MS

  • سم شناسی
  • پزشکی قانونی
  • محیط زیست
  • تشخیص فلزات سنگین و معدنی
  • زیست پزشکی
  • سرطان
  • پروتئین ها
  • دارو ها

فلزات سنگین در داروها و تشخیص با ICP-MS

در طول سنتز داروها، ناخالصی‌های معدنی می‌توانند از چندین منبع و فاز مختلف، از جمله حلال‌ها، مواد خام، معرف‌ها، کاتالیزورها، الکترودها، مخازن واکنش، لوله‌کشی و سایر تجهیزات مورد استفاده ایجاد شوند. این ناخالصی ها اغلب نتیجه فرآیند تولید هستند. به طور معمول به عنوان ناخالصی در چندین دارو کنترل می شود: کادمیوم، مس، کروم، جیوه، ایریدیم، مولیبدن، نیکل، اسمیم، سرب، تنگستن، پالادیوم، پلاتین، رودیم، و روتنیم و وانادیم و مشتقات آنها . برای سنتز بسیاری از داروها، کاتالیزورهای حاوی تنگستن در فرآیند واکنش میانی استفاده می‌شوند.

در صنعت داروسازی، نظارت بر فلزات سنگین یک فعالیت مهم برای واسطه‌های واکنش و مواد دارویی نهایی است، نه تنها به دلیل توانایی آنها در تجزیه تجزیه، بلکه به دلیل پتانسیل آنها برای سمیت. حتی در دوزهای بسیار کم، فلزات سنگین مانند سرب، کادمیوم، جیوه و کروم زمانی که برای اهداف دارویی استفاده می شوند، خطرات جدی برای سلامتی ایجاد می کنند. قرار گرفتن در معرض طولانی مدت می تواند باعث مشکلات فیزیولوژیکی و رفتاری شود.

به عنوان مثال، قرار گرفتن روزانه در معرض 0.06 میلی گرم سرب برای یک دوره 1 ماهه برای ایجاد مشکلات طولانی مدت مانند نارسایی کلیه، دمینرالیزاسیون و بیماری انسدادی ریه کافی است. در مواد دارویی و زیست پزشکی، وجود فلزات سنگین توسط مقامات نظارتی نظارت و محدود می شود. آزمایش‌هایی انجام می‌شود تا اطمینان حاصل شود که هیچ معرف یا آلاینده‌ای با پایه معدنی در هیچ مرحله‌ای از فرآیند تولید وارد دارو نمی‌شود.

تعیین بقایای کاتالیزورها و معرف‌های فلزی به طور فزاینده‌ای در تمرکز دستورالعمل‌های نظارتی در 5 سال گذشته قرار گرفته است . آژانس دارویی اروپا دستورالعمل هایی را در مورد الزامات مشخصات کاتالیزورها و معرف های فلزات معدنی منتشر کرده است . فارماکوپه ایالات متحده (USP)، فارماکوپه بریتانیا (BP)، فارماکوپه اروپا (EP) و فارماکوپه ژاپن (JP) نظارت جمعی بر محتوای کل فلز در محصولات دارویی را پیشنهاد کرده اند. به عنوان مثال، EP محدودیت 20 میکروگرم بر گرم پلاتین در فولینات کلسیم را پیشنهاد کرده است. در محلول‌های آبی، رسوب سولفید فلز منجر به تفاوت رنگ واضح بصری می‌شود، اما این مورد برای محلول‌های فلزی استاندارد تیمار شده مشابه نیست.

در هر دو مورد، تعیین حضور دقیق فلزات سنگین فرآیندی زمان‌بر است و انتخابی، خاص یا دقیق نیست. بنابراین، نیاز زیادی به توسعه یک تکنیک بسیار حساس و انتخابی تر برای تعیین وجود فلزات سنگین در مواد دارویی و بر این اساس، برای اطمینان از ایمنی و اثربخشی داروهای در نظر گرفته شده برای مصرف انسان وجود دارد.

ICP-MS در پزشکی قانونی و سم شناسی

یکی از بزرگترین موارد استفاده از ICP-MS در زمینه پزشکی و پزشکی قانونی و به طور خاص سم شناسی است. بسته به پارامتر های خاص و منحصر به فرد برای طرح تشخیصی هر بیمار نمونه های جمع آوری میشود. این نمونه ها شامل خون ٬ ادرار پلاسما و حتی گلبول های قرمز خون میباشد.

کاربرد های ICP-MS در محیط زیست

یکی دیگر از کاربرد های اصلی این دستگاه در محیط زیست است. چنین کاربردهایی شامل آزمایش آب برای شهرداری ها و سازمان آب و فاضلاب و حتی شرکت های خصوصی ٬ خاک و سایر تجزیه و تحلیل ها رای اهداف صنعتی است.

در سالهای اخیر ٬ پایش صنعتی و بیولوژیکی نیاز عمده دیگری را برای آنالیز فلزات از طریق ICP-MS ارایه کرده. افرادی که در کارخانه هایی کار میکنند که قرار گرفتن در معرض فلزات محتمل و اجتناب ناپذیر است. مانند کارخانه های باتری سازی. کارفرما این کارگران را ملزم به دادن آزمایش خون میکند تا سمیت فلزات در بدن آنها به طور منظم تجزیه شود این عمل برای محافظت آنها در محیط کار و اطمینان از اجرای درست وظایف کاری انجام میشود.

کاربرد ICP-MS در گیاهان دارویی

دارو های گیاهی مانند مکمل های غذایی٬ ناخالصی های معدنی را دارا میباشند که میتوانند سمی باشند.

به طور معمول ٬ مکمل های غذایی با استفاده از ICP-MS  با وضوح بالا تجزیه و تحلیل میشوند. برخی از این سموم و ناخالصی ها جیوه و آرسنیک هستند.

در مواد گیاهی کیفیت و ایمنی از اهمیت بالایی برخوردار است. سرب ٬ کادمیوم و آرسنیک به ویژه در مواد گیاهی مانند نعنا ٬ گزنه و برگ های سیاه میتواند یافت شود. دستگاه ICP-MS میتواند وجود این مواد را با دقت بسیار بالایی مورد تحلیل قرار دهد. با انجام این آزمایشات دارو های گیاهی میتواند با بالاترین میزان سلامت به دست مصرف کننده برسد. به خصوص که بر روی داروهای گیاهی نظارت زیادی از نظر وجود مقادیری سم و ناخالصی وجود ندارد.

کاربرد ‌ICP-MS در تجزیه و تحلیل های زیست پزشکی

بهبود مستمر تکنیک ها و کاربرد های دستگاه ICP-MS در حوزه علوم زیستی٬ به پیشرفت این رشته کمک کرده. ICP-MS به عنوان یک تکنیک کلیدی در تحقیقات زیست پزشکی ظاهر شده. در این بخش با برخی از کاربرد های ICP-MS در زیست پزشکی آشنا میشویم.

تجزیه و تحلیل DNA با استفاده از ICP-MS

توسعه سلول های سرطانی و تغییرات در DNA معمولا به دلیل اصلاحات شیمیایی باز های نکلیوس ایجاد میشود. تشخیص سرطان و ترکیبات افزایشی DNA با روشهایی قابل تشخیص است. یکی از این روشها استفاده از طیف سنجی جرمی است.

ICP-MS

تجزیه و تحلیل پروتئین ها با استفاده از ICP-MS

در سال های اخیر، ICP-MS به طور گسترده در زمینه پروتئومیکس [36] برای تعیین غلظت فلزات در پروتئین ها و تجزیه و تحلیل زیست پزشکی استفاده شده است. در این مطالعات، به طور مشابه، برم به طور کمی در متابولیسم پلاسمایی موش‌ها و انسان با استفاده از ICP-MS شناسایی شد [36]. در سیستم های بیولوژیکی و به ویژه در پروتئین ها، فلزات به عنوان کوفاکتور نقش مهمی دارند. بدون پروتئین، فلزات ضروری مانند منگنز، آهن، مس، کبالت، مولیبدن و روی و غیر فلزات ضروری مانند سلنیوم و ید وجود نخواهد داشت. کمبود این فلزات و غیرفلزات باعث بیماری ها و همچنین واکنش های سیتوتوکسیک کاتالیزوری می شود. رشته پروتئومیکس فلزات موجود در پروتئین ها را تعیین می کند و بنابراین، با وظیفه چالش برانگیز شناسایی فلزات و غلظت آنها روبرو است که به یک تکنیک تحلیلی انتخابی، حساس و قدرتمندتر نیاز دارد. ICP-MS برای شناسایی فسفر، آهن، روی و مس به صورت کمی در پروتئین‌های مغز استفاده شده است و در مطالعه بیماری‌های نورودژنراتیو مورد استفاده قرار گرفته است [37، 38]. ICP-MS همچنین یک تکنیک قدرتمند برای تشخیص مس، آهن و روی در پروتئین ها در مطالعه بیماری آلزایمر است و همچنین مس، روی و آهن را با توجه به 54Fe/55Fe، 65Cu/63Cu و 67Zn/64Zn تجزیه و تحلیل کرده است.

تجزیه و تحلیل عناصر کمیاب در سلامت انسان

همه می دانند که در سلامت انسان، برخی از عناصر ضروری و برخی دیگر سمی هستند.

در داخل بدن، بسیاری از عناصر ضروری و غیر ضروری می توانند با یکدیگر تعامل داشته باشند. به دلیل این فعل و انفعالات، پیش بینی کمبود و بیش از حد و دانستن سطوح سمیت عنصری مهم است. برای استفاده از تجزیه و تحلیل عنصری برای تعیین غلظت، ICP-MS ثابت کرده است که یک تکنیک سودمند است. ICP-MS برای شناسایی عناصر کمیاب سمی و ضروری استفاده شده است [41، 42، 43، 44]. در خون و سرم انسان، عناصر کمیاب بسیاری از جمله کبالت، مس، روی، سلنیوم، روبیدیم، رودیم، پالادیوم، کادمیوم، تنگستن، پلاتین، جیوه، تالیم و سرب یافت می شود. هم خون و هم سلنیوم سرم مرتبط با خون می توانند حاوی عناصر کمیاب سرب، جیوه، مس و روی باشند.

راه حل مختصری برای مشکلات در کاربرد ICP-MS

ICP-MS یک روش تحلیلی خوب در مقایسه با سایر روش های تحلیلی موجود است. با این حال، بدون اشکال نیست. اینها شامل نوسان سیگنال و اثر ماتریس است، که زمانی رخ می دهد که عناصری که از نظر تعداد جرم بسیار نزدیک هستند، تأثیر غیرقابل تشخیصی را تجربه می کنند . اثر ماتریکس ممکن است نتیجه پلاسما، رسوب نمک ها در روزنه ها، استخراج یون یا استاندارد داخلی باشد . اثر ماتریس می‌تواند تداخل شدیدی ایجاد کند، اما می‌توان آن را با انتخاب استاندارد منطبق برای ماتریس ایزوتوپ رقیق‌شده یا با اطمینان از رقت‌سازی بیشتر نمونه از بین برد. این می تواند برای یون های بار الکتریکی مضاعف مانند باریم و سریم نگران کننده باشد، زیرا این عناصر دارای سطوح انرژی یونیزاسیون دوم پایینی هستند. اکسیدها را می توان با افزایش دمای پلاسما یا کاهش سرعت جریان کنترل کرد. یون‌های چند اتمی و ایزوبارها می‌توانند تشخیص نسبت جرم به بار را از طریق تجزیه و تحلیل کمی مختل کنند و آن‌ها را برای تحلیل‌گران بسیار مهم می‌سازند.

 نتیجه گیری

ICP-MS قدرت مورد نیاز برای تجزیه و تحلیل حساس حضور عناصر کمیاب را دارد. این روش محدودیت‌های تشخیص پایینی دارد، امکان انتخاب بیشتر جرم عنصری را فراهم می‌کند، بینشی نسبت به ایزوتوپ ارائه می‌دهد و تشخیص عنصری فوق‌العاده ردیابی را انجام می‌دهد. می توان از آن برای آنالیز عنصری عناصر معدنی و آلی در انواع داروها، از جمله نوکلئوتیدها، سولفور و پروتئین های حاوی فسفر استفاده کرد که تعیین کمی و کیفی را با دقت فراهم می کند و آن را به روشی حیاتی برای تجزیه و تحلیل عناصر کمیاب در رشته های دارویی و زیست پزشکی.