Озоление биологического материала
Применяемые методы озоления (минерализации) биологического материала в настоящее время имеют ряд недостатков. Это, прежде всего, относится к анализу материала на содержание микро- и макроэлементов.
Для озоления биологического материала в некоторых лабораториях используют электрические муфельные печи, которые выпускаются промышленностью для прокаливания,, плавки и других целей.
При вышеупомянутом методе озоления наблюдается сухая перегонка органических веществ с обугливанием материала и окисление всего углерода озоляемого материала до СО2. Необходимо иметь в виду, что при сухом озолении (особенно при температуре выше 500°С) могут быть потери легколетучих элементов и их соединений, таких как калий, фосфор, йод, ртуть, мышьяк, хлориды легких металлов, а также цинка и железа. Имеющиеся в золе окиси металлов могут сплавляться с глазурью применяемой фарфоровой посуды (особенно при большом содержании щелочных металлов).
Метод сухого озоления биологического материала простой и широко доступный, но требует длительного времени. Кроме того, казеин, крахмал, печень, безминеральные пищевые продукты в этих условиях не озоляются. Муфельные печи поглощают много электроэнергии, что значительно удорожает анализы.
Во многих лабораториях биологический материал озоляют с помощью метода мокрого озоления. Сущность его состоит в том, что органические вещества в озоляемом материале окисляются сильными окислителями. Озоление биологического материала этим способом с добавлением жидких окислителей — пергидроля, азотной, серной, хлорной кислот и других веществ — хотя происходит быстрее, но всегда сопровождается загрязнением материала макро- и микроэлементами. Даже при тщательной перегонке указанных окислителей они содержат в качестве примесей указанные элементы.
Заслуживает внимания методика микроозоления биологического материала для рентгеновского микроанализа, описанная Wehnev G. К. (1959) . Согласно этой методике озоление материала осуществляют с помощью кислородной плазмы. Устройство для озоления включает камеру, окруженную высокочастотной катушкой. Камера, в которую помещают исследуемый материал, герметически закрывается и соединяется с вакуумным насосом, обеспечивающим в ней вакуум около 0,1333 кПа. В этих условиях при сравнительно низкой температуре образуется атомарный кислород и другие реакционноспособные вещества, под влиянием которых быстрее озоляется исследуемый материал.
Низкотемпературное озоление позволяет сохранить в золе такие легколетучие при тепловом микроозолении элементы, как мышьяк, золото, сурьму, железо, серебро, цинк. Возможности описанного метода и устройства для его осуществления до конца не раскрыты. Необходимы дополнительные исследования с целью апробации метода для озоления различных образцов биологического материала в большей массе, усовершенствование и разработка применяемой аппаратуры для обеспечения интенсивности и серийности озоления.
В настоящее время наиболее рациональным является озоление биологического материала в атмосфере паров окислителей и по возможности при низкой температуре. Определенные успехи в исследованиях в этом направлении достигнуты Г. Я. Ринькисом (1963), Б. И. Сойбельманом (1964). Мы также изучали пути озоления биологического материала в атмосфере паров окислителей. Нам удалось частично снизить температуру озоления с целью сохранения легколетучих микроэлементов и других компонентов в озоляемом материале, усовершенствовать существующие и разработать новые устройства, приборы и методы озоления биологического материала и пищевых продуктов. Устройства и методы различны по сложности, поэтому каждая лаборатория, в зависимости от своих возможностей, может внедрить у себя наиболее рациональное устройство или метод.
Устройство для озоления биологического материала в парах азотной кислоты и пергидроля
Это устройство (рис. 66) используется тогда, когда необходимо озолить несколько образцов материала и поэтому нецелесообразно включать муфельную печь, а также при отсутствии последней в лаборатории.
На электроплитку 1 ставят тигли с озоляемым материалом. В резервуар 4 наливают концентрированную азотную кислоту или ее смесь с пергидролем. Тигли вместе с резервуаром накрывают термостойким стаканом 3. Включают электроплитку в сеть. Во время нагревания электроплитки происходит испарение окисляющей смеси в резервуаре 4. Пары опускаются вниз к тиглям с материалом.
В результате контакта паров окислителей с озоляемым материалом происходит сравнительно быстрое озоление. При необходимости после остывания электроплитки в резервуар добавляют еще окислительную смесь и озоление продолжают.
Прибор для озоления биологического материала
Нами сконструирован прибор, с помощью которого можно создать условия для быстрого озоления и предотвратить загрязнение озоляемого материала и потерю легколетучих компонентов. Первый вариант прибора показан на рис. 67.
Рис. 67. Прибор для озоления биологического материала (первый вариант): 1 — тефлоновые прокладки; 2 — резиновая прокладка; 3 — устройство для крепления крышки; 4 — бортик камеры; полиэтиленовые или полихлорвиниловые трубки; 6, 15 — отводы; 7 — электроспираль; 8, 9 — вводы; 10 — резервуар; 11 — перегородка, с помощью которой образуется резервуар; 10, 12 — страховочная перегородка; 13 - кожух; 14 — камера; 16 — крышка
Во внутренней части камеры у закрытого ее конца находится отделение-резервуар 10, который образуется ограничивающей от остального пространства камеры перегородкой 11. На небольшом расстоянии от этой перегородки имеется страховочная перегородка 12. Противоположный открытый конец камеры заканчивается отогнутым бортиком 4, лицевая сторона которого отшлифована. Камера 14 с открытого конца герметически закрывается крышкой 16. Герметичность достигается тефлоновыми прокладками 1, а амортизацию обеспечивает резиновая прокладка 2. Крышка 16 крепится к корпусу камеры к отшлифованной части бортика 4 при помощи устройства 3. У этого же конца камеры имеются отводы 6 и 15 с краном для избытка окисляющих агентов, продуктов окисления и конденсата. Они соединяются с поглотительной системой. Соединение вводов и выводов прибора с сосудами, содержащими окислители, а также с поглотительной системой осуществляется посредством полиэтиленовых или полихлорвиниловых трубок 5.
Пространство между страховочной перегородкой 12 и границей вывода 15 обогревается намотанной вокруг камеры электроспиралью 7. Она изолируется извне изоляционным материалом и кожухом 3. Камера 14 прибора изготовлена из кварца, но последний можно заменить другим термостойким и окислителестойким материалом, например стеклом «пирекс». Крышка 16 и прижимное устройство 3 изготовлены из текстолита, но их можно сделать из любого соответствующего материала.
Тигли с пробами биологического материала помещают в камеру 14 и герметически закрывают крышкой 16 с помощью устройства 3. Через ввод 9 вводят жидкие окислители в резервуар 10, заполняя его на 2/3 объема. Включают прибор в электросеть. Камера подогревается электроспиралью с автоматическим выключателем. При достижении температуры, необходимой для озоления, через ввод 8 подают газообразные окислители. Озоление можно вести только одними жидкими окислителями. Во время кипения окислители испаряются и разлагаются. Пары и газообразные продукты их проходят через центральную часть камеры к выводам 6 и 15. При этом они, как и газообразные окислители, идут тем же путем и вступают в контакт с озоляемым материалом. В таких условиях озоление биологического материала происходит во много раз быстрее и при более низкой температуре.
Попаданию жидких окислителей на пробы материала препятствует страховочная перегородка 12, которая размещается на небольшом расстоянии от резервуара 10. По окончании озоления прибор выключают, после остывания раскрывают, и из него извлекают тигли с озоляемым материалом.
Второй вариант прибора представлен на рис. 68.
Камера 8 изготовлена из обыкновенной кварцевой трубки или стекла «пирекс» диаметром 90-120 см. Торцы камеры отшлифовывают. С обоих концов снаружи на камеру надевают круговые насадки 4 и располагают их от торцов на расстоянии 0,5-1 см. Насадки на камере 8 фиксируют с помощью одного из термостойких клеев или термостойких резиновых прокладок, ввиду того, что температура камеры 8 в этом месте составляет 100-150° С. Можно их фиксировать с помощью трех-четырех наваренных приблизительно на одинаковом расстоянии по кругу невысоких стержневых выступов 2. Тогда в насадке дополнительно делают соответствующие пазы для них. Насадку надевают, совмещая пазы с выступами 2. Затем ее поворачивают вокруг оси на определенный угол, чтобы выступы 2 оказались на некотором расстоянии от пазов. Чтобы насадка 4 не поворачивалась вокруг оси, пространство между ею и поверхностью камеры 8 сильно уплотняют волокнистым асбестом. С этой целью на поверхности камеры против пазов делают небольшие углубления. Изготовляют крышки 3 в виде муфты с внутренней резьбой, соответствующей резьбе на насадке 4. В крышке 41 закрытия камеры с тыльной стороны в центре делают отверстие с целью герметической установки в него ввода 6. Крышки 3 и насадки 4 можно изготовить из тефлона или другого термостойкого и окислителестойкого материала. Прокладки 1 изготовляют также из вышеуказанного материала. В прокладке для тыльной стороны камеры делают отверстие. Из кварца или стекла «пирекс» изготовляют емкость 7. Она представляет собой закрытый с обоих концов желоб, разделенный перегородкой на больший и меньший отсеки. Кривизна желоба немного меньше кривизны камеры 8. Перед сборкой прибора емкость 7 помещают открытой частью вверх во внутрь камеры 8 с тыльного конца большим отсеком к наружной части. Отвод 6 с кранами 5 проводят через отверстие в крышке 3 и герметически фиксируют в отверстии прокладки 1. При этом конец отвода 6 немного загнут вниз и должен быть напротив большого отсека емкости 7. Крышку 3 навинчивают на насадку 4, прижимая прокладку 1 к торцу камеры 5. Во внутрь камеры ставят тигли с озоляемым материалом. Вход в камеру закрывают прокладкой 1 и крышкой 3 так, как закрывали камеру с тыльной стороны. Через один из кранов в больший отсек емкости 7 подают жидкие окислители, а через другой кран 5 - газообразные окислители в пространство камеры 8. Обогрев камеры 8, отвод газообразных продуктов и другие операции методики озоления осуществляются как в первом варианте выполнения прибора (см. выше).
Применение прибора нашей конструкции позволяет процесс озоления биологического материала сделать более экономичным и наиболее эффективно использовать пары жидких или газообразных окислителей.
Устройство для озоления биологического материала смесью кислорода и озона
С целью повышения эффективности и производительности способа озоления, а также его удешевления, нами разработано устройство для озоления биологического материала смесью кислорода и озона (рис. 69).
Рис. 69. Устройство для озоления биологического материала смесью кислорода и озона: 1 — крышка для закрытия входа в камеру; 2 — камера из кварца или стекла «пирекс»; 3 — тигли с озоляемым материалом; 4 — электроды; 5 —- трубки-футляры для электродов; 6 — ввод для кислорода; 7 — изоляционный кожух; 8 — полка для тиглей с озоляемым материалом; 9 — вывод для газообразных продуктов окисления, кислорода и озона
В камере 2 из кварца или стекла «пирекс» с тыльной стороны впаивают трубки 5 из кварца или стекла «пирекс» с закрытыми внутренними концами. Здесь же делают ввод 6 для кислорода. Все это выполняют герметически. В кварцевые трубки 5 вставляют электроды 4, подсоединяют их накрест к противоположным полюсам источника тока. С открытого конца камеры делают вывод 9 для газообразных продуктов окисления материала, кислорода и озона, торцовуючасть камеры отшлифовывают. В камеру вставляют кварцевую или из стекла «пирекс» пластину — дно 8 для тиглей с озоляемым материалом. Открытый конец камеры 2 закрывают герметически тефлоновой крышкой 1 с прокладкой из термоустойчивого материала. На камеру снаружи наматывают электроспираль и в таком виде устанавливают ее в кожухе 7.
Свободное пространство в кожухе заполняют теплоизоляционном материалом. Устройство можно изготовить и со съемными электродами. На рис. 70 изображены два варианта таких электродов: а и б.
В первом варианте на поверхности трубки-футляра 2 делают шлиф, который соответствует шлифу, сделанному в отверстии в стенке камеры. После изготовления электрод помещают в футляр 2, который вставляют в камеру и соединяют с ней посредством шлифа. Во втором варианте изготовляют трубку-футляр 2 с упорами 8 на нем. До этих упоров на него надевают тефлоновые прокладки 6 и 7. Футляр вставляют в отверстие в стенке камеры с внутренней стороны с закрытого ее конца. После этого на выступающий конец футляра надевают прокладки 6, 9, 10. Сразу же эа ними фиксируют насадку 5 с резьбой из тефлона. Гайкой 11 футляр герметически фиксируют в стенке камеры. Затем в него помещают электрод. Кроме описанных, возможны и другие разновидности крепления трубки для электродов к стенке камеры, широко известные в технике.
Рис. 70. Съемные электроды к устройству для озоления биологического материала: а - первый варианат; б —- второй вариант; 1 — шлиф между футляром-трубкой и стенкой камеры; 2 — трубка-футляр; 3 — электрод; 4 — стенка камеры; 5 — тефлоновая насадка; 6, 7, 10 —тефлоновые прокладки; 8 — упоры на трубке-футляре; 9 — прокладка из термостойкой резины; 11 — гайка из тефлона
Применение съемных электродов позволяет делать их предварительную заготовку в большом количестве и заменять в случае поломки без обращения в стеклодувную мастерскую и демонтирования устройства. Съемные электроды можно изготовлять из стекла «пирекс» или других видов стекол, температура размягчения которых выше 550-600°С.
Для озоления тигли с обугленным материалом на электроплитке или в обыкновенной муфельной печи помещают в камеру 2 на дно 8. Камеру герметически закрывают крышкой 1. Включают устройство в электрическую сеть и камеру 2 нагревают до температуры 400-500°С. Через ввод 6 подают кислород со скоростью возможного счета пузырьков в контрольной склянке. С помощью трансформатора на электродах создают напряжение 8000-10 000 В. В результате разрядов из кислорода образуется озон, который тут же взаимодействует с озоляемым материалом. В процессе окисления материала участвует также кислород. Выделяющиеся через вывод 9 газообразные продукты окисления, кислород и озон отводятся в поглотительную систему.
Проведенные испытания показали, что материал в данном устройстве озоляется в несколько раз быстрее, чем в обыкновенных муфельных печах. Это устройство можно использовать для озоления таких материалов, как печень, крахмал, казеин, которые не озоляются в обыкновенных муфельных печах методом сухого озоления.
Способ озоления проб биологического материала
Этот способ позволяет ускорить процесс озоления биологического материала, устраняет потерю легколетучих компонентов и исключает загрязнение проб примесями, содержащимися в азотной кислоте. Сущность метода заключается в следующем. Тигли с обугленным материалом на обыкновенных электроплитках или в муфельных печах помещают в камеру прибора, показанного на рис. 67, и закрывают крышкой. Камеру нагревают до температуры 250-300°С. Затем в нее непрерывно вводят пары азотной кислоты и хлора. Процесс ведут при указанной температуре. Под конец озоления поступление паров азотной кислоты прекращают и заканчивают процесс в атмосфере чистого хлора.
Описанный режим является наиболее оптимальным для быстрого озоления материала
