Методы и технические средства аналитических исследований. Часть 1

 
МИНИСТЕРСТВО  НАУКИ  И  ВЫСШЕГО  ОБРАЗОВАНИЯ  
РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное автономное 
образовательное учреждение высшего образования 
“ЮЖНЫЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ” 
Инженерно-технологическая академия 
 
 
Н. Н. ЧЕРНОВ 
Л. В. СМЕКАЛКИНА 
А. Ю. ВАРЕНИКОВА 
М. В. ЛАГУТА 
 
 
МЕТОДЫ  И  ТЕХНИЧЕСКИЕ  СРЕДСТВА  
АНАЛИТИЧЕСКИХ  ИССЛЕДОВАНИЙ 
 
Учебное пособие 
в двух частях 
 
Часть 1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ростов-на-Дону – Таганрог 
Издательство Южного федерального университета 
2023 
 
1 

 
УДК 577.3(075.8) 
ББК  28.071я73 
         М545 
Печатается по решению кафедры электрогидроакустической и медицинской 
техники Института нанотехнологии, электроники и приборостроения                 
Южного федерального университета (протокол № 37 от 31 мая 2023 г.) 
Рецензенты: 
кандидат технических наук, директор НТ ООО «Кардиокод»  
М. Ю. Руденко 
доктор медицинских наук, доцент кафедры электрогидроакустической                   
и медицинской техники Института нанотехнологии, электроники                              
и приборостроения Южного федерального университета 
Д. А. Кравчук 
Чернов, Н. Н. 
М545           Методы и технические средства аналитических исследований : учебное пособие : в 2 ч. / Н. Н. Чернов, Л. В. Смекалкина, А. Ю. Вареникова, 
М. В. Лагута ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2023.  
ISBN 978-5-9275-4630-5 
Часть 1. − 154 с. 
ISBN 978-5-9275-4631-2 (Ч. 1) 
В учебном пособии изложены основные теоретические положения о 
методах клинико-лабораторного анализа, основанных на различных физических и физико-химических явлениях. В первой части пособия рассмотрены 
общие вопросы проведения лабораторных исследований и способы пробоподготовки, а также несколько групп методов лабораторных исследований: физико-механическая, оптическая и электрохимическая.  
Пособие предназначено для освоения курса «Клинико-лабораторная и 
экологическая электронная техника» студентами направления подготовки 
12.03.04 «Биотехнические системы и технологии» при подготовке к практическим занятиям и для самостоятельного изучения курса.  
УДК 577.3(075.8) 
ББК 28.071я73 
ISBN 978-5-9275-4631-2 (Ч. 1) 
ISBN 978-5-9275-4630-5 
© Южный федеральный университет, 2023 
© Чернов Н. Н., Смекалкина Л. В.,  
    Лагута М. В., Вареникова А. Ю., 2023  
© Оформление. Макет. Издательство  
    Южного федерального университета, 2023
 
2 

 
СОДЕРЖАНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………… 
5 
Глава 1. БИОПРОБЫ,  ВОПРОСЫ  ПРОВЕДЕНИЯ                           
АНАЛИТИЧЕСКИХ  ИССЛЕДОВАНИЙ …………………………….. 
6 
1.1. Объекты аналитических исследований и их медико-биологические параметры ………………………………………………………… 
6 
1.2. Диагностические возможности лабораторного анализа ………... 
17 
1.3. Технологический цикл аналитического исследования ……………….. 
20 
1.4. Методические схемы проведения аналитических исследований 
24 
1.5. Основные операции аналитического исследования …………….. 
28 
Глава 2. МЕТОДЫ  ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ                                
ИССЛЕДОВАНИЙ ……………………………………………………… 
33 
2.1. Общие сведения о физико-механических методах анализа …….. 
33 
2.2. Волюмометрия …………………………………………………….. 
34 
2.3. Осмометрия ………………………………………………………... 
35 
2.4. Весометрия ………………………………………………………… 
38 
2.5. Вискозиметрия …………………………………………………….. 
42 
2.6. Тромбоэластометрия ……………………………………………… 
48 
2.7. Седиментационный анализ ……………………………………….. 
50 
2.8. Ультразвуковой анализ …………………………………………… 
55 
2.9. Оценка поверхностного натяжения ……………………………… 
60 
Глава 3. МЕТОДЫ  ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ                                
ИССЛЕДОВАНИЙ.  ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ  МЕТОДЫ …………… 
64 
3.1. Основные понятия фотометрического анализа …………………. 
64 
3.2. Методы регистрации интегрально или избирательно поглощенного излучения …………………………………………………………. 
71 
3.2.1. Абсорбционная фотометрия ……………………………………… 
71 
3.2.2. Фотоколориметрия …………………………………………………. 
78 
3.2.3. Нефелометрия и турбидиметрия ………………………………... 
84 
3.3. Изучение тонкой структуры биосубстратов и анализ дисперсных фаз ………………………………………………………………………………………………… 
89 
3.3.1. Оптическая микроскопия ………………………………………………………. 
89 
3 

Содержание 
3.4. Регистрация свечения биосубстратов при возбуждении внешними источниками энергии …………………………………………… 
97 
3.4.1. Люминесцентная фотометрия …………………………………… 
97 
3.4.2 Флуориметрия ………………………………………………………… 
98 
3.5. Определение показателя преломления. Рефрактометрия ………. 101 
3.6. Изучение спектральных характеристик биопроб ……………….. 105 
3.6.1. Спектральный анализ ……………………………………………….. 105 
3.6.2. Абсорбционная спекторофотометрия ………………………….. 110 
3.6.3. Изучение оптически активных биологических веществ.               
Поляриметрия ……………………………………………………………… 115 
Глава 4. МЕТОДЫ  ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ                                 
ИССЛЕДОВАНИЙ.  ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ                                
МЕТОДЫ  ИССЛЕДОВАНИЯ ………………………………………… 118 
4.1. Классификация электрохимических методов …………………… 118 
4.2. Кондуктометрия …………………………………………………... 119 
4.3. Диэлькометрия …………………………………………………….. 124 
4.4. Импедансометрия …………………………………………………. 126 
4.5. Полярография ……………………………………………………... 127 
4.6. Вольтамперометрия ……………………………………………….. 130 
4.7. Кулонометрия ……………………………………………………... 133 
4.8. Потенциометрия …………………………………………………... 137 
4.9. Электрофоретический анализ …………………………………….. 139 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………. 146 
СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………… 147 
 
 
 
 
4 

 
ВВЕДЕНИЕ 
Методы и средства аналитического контроля находят широкое распространение как в практике медико-биологических исследований, так и в многих отраслях промышленности при исследовании жидких, твердых и газообразных сред на состав, структуру и состояние.  
Использование методов и средств аналитического контроля в медицинских учреждениях позволяет получать лабораторную информацию о состоянии организма и применять её для диагностики болезней и контроля за 
лечением больных. 
Важным для освоения методов исследования является поиск общих 
для различных методов, принципов их практического использования, включая методические приемы подготовки объекта исследования, измерительные схемы и расчетные соотношения. По мере возможности это обстоятельство также учтено в пособии за счет выбора физического подхода к формированию описания методов.  
В пособии представлены основы лабораторной аналитики: правила 
проведения и оценка результатов лабораторного анализа, контроль качества исследований. Описаны унифицированные методы исследования биологических жидкостей, отбираемых из внутренней среды человека и окружающей его экосистемы. 
Методы исследований разделены на группы по различным признакам в соответствии с разделами физики, при этом описание по единой 
схеме: принцип метода, пробоподготовка, реактивы и оборудование, ход 
исследований. 
В качестве дополнительного признака классификации в некоторых 
разделах вводится ссылка на принцип извлечения диагностической информации, диагностическую направленность метода или принципиальные особенности конкретной группы методов. 
 
 
5 

 
Содержание 
Глава 1 
БИОПРОБЫ,  ВОПРОСЫ  ПРОВЕДЕНИЯ 
АНАЛИТИЧЕСКИХ  ИССЛЕДОВАНИЙ 
1.1. Объекты аналитических исследований                                  
и их медико-биологические параметры 
Основными объектами, анализируемыми в процессе проведения медико-биологических исследований, являются такие биоматериалы, как биологические жидкости, различные ткани организма, микроорганизмы, существующие во внутренней среде организма, а также вода, почва и воздух. 
Для проведения лабораторного анализа принято использовать минимальное количество биоматериала – биопробу (пробу), которая может находиться в твердом, жидком и газообразном состояниях. 
Для того чтобы исследование было репрезентативным, компоненты, 
содержащиеся в биопробе, должны отражать в полной мере все особенности основной массы изучаемого материала. Поэтому выбор оптимального 
объема пробы – одна из сложных задач аналитических исследований. Часто 
для получения достоверных результатов приходится исследовать несколько 
проб и проводить серийный эксперимент [1–3]. 
Из всех направлений аналитических задач исследования биоматериалов выделяются сложностью и разноплановостью. Их отличают как разнообразие самих анализируемых материалов и содержащихся в них веществ, 
так и множество конкретных задач, которые могут быть поставлены при 
каждом эксперименте с биопробой. Подобные исследования проводятся в 
лабораториях различного профиля и обеспечивают решение многих фундаментальных и прикладных задач. В таких лабораториях создаются оптимальные условия для экспериментов с биопробами – они снабжены специальной аналитической техникой и оборудованием. 
Значительную часть аналитических исследований биологической 
направленности составляют исследования, проводимые в здравоохранении, 
медицинской промышленности, микробиологии, научно-исследовательских учреждениях биологического и медицинского профилей, лабораториях судебно-медицинской экспертизы. Также много общего с задачами, 
характерными для медико-биологических клинических исследований, 
6 

1.1. Объекты аналитических исследований и их медико-биологические параметры 
имеют задачи, решаемые в фармацевтической промышленности, в биотехнологическом производстве и экологических центрах [2]. 
Так как объекты аналитических исследований необычайно разнообразны, целесообразно представить их в виде нескольких групп, характеризующихся общими свойствами. Выделение той или иной группы возможно 
путем выбора критериев классификации, в качестве которых могут использоваться их общие характеристикой.  
В зависимости от среды, из которой была взята биопроба, выделим следующие группы объектов аналитических исследований:  
• часть исследуемого объекта, например, животного или расти- тельного организма, при изучении свойств веществ из его внутренней среды; 
• часть среды обитания организма – пробы воздуха, воды или из 
почвы, взятые из окружающей среды, в которой постоянно находится организм в процессе жизнедеятельности;
• продукты питания, потребляемые организмом с целью пополнения 
запасов энергии и веществ, необходимых для осуществления его жизненно 
важных функций; 
• активные минеральные и растительные вещества, попадающие в организмы из внешней среды и оказывающие значимое влияние на процессы 
жизнедеятельности в организме, усиливая или угнетая последние, это: материалы биотехнологических производств, так называемые активные биологические вещества, лекарственные препараты с заданными свойствами, 
пищевые добавки в рационы человека и животных, получившие широкое 
распространение в качестве средств профилактики или компенсации неблагоприятных для организма факторов [3]. 
Далее рассмотрим более подробно особенности первых двух групп 
биопроб. 
Группа биопроб, взятых из внутренней среды организма, характеризует медицинские пробы. В эту группу входят вещества, представляющие 
собой неотъемлемую часть этой среды и образующиеся в процессе жизнедеятельности.  
Как правило, это объекты, исследуемые при решении медицинских, а 
иногда и биологических задач, если рассматриваются организмы других 
животных и растений. 
7 

Глава 1. Биопробы, вопросы проведения аналитических исследований 
Число биологических веществ, которые можно отобрать из внутренней 
среды организма, достаточно велико: на сегодняшний день известно более 
2 000 аналитических исследований с разными биоматериалами, поэтому 
рассмотрим группы веществ, характеризующиеся общими свойствами. 
Учитывать специфические свойства биопробы необходимо на этапе выбора 
метода аналитической диагностики для определения ряда медико-биологических показателей [4, 5]. 
Свойства биопроб, взятых из внутренней среды организма, делают анализ медико-биологических показателей довольно сложной аналитической 
задачей. Отметим основные свойства таких биопроб: 
• малая концентрация компонентов; 
• многокомпонентность; 
• гетерогенность биоматериала; 
• легкая травмируемость отобранной пробы; 
• малое количество пробы; 
• быстрые изменения свойств отобранной биопробы, часто определяющих необходимость экспрессного анализа. 
При подготовке таких биопроб к лабораторному анализу необходимо 
учитывать следующие особенности: 
• низкий энергетический уровень внутренних взаимодействий, нестабильность, легкая травмируемость. вплоть до утраты специфических 
свойств при внешних энергетических воздействиях; 
• гетерогенность, их многокомпонентность, сохранение биологической специфичности в узком диапазоне значений кислотности рН, ионной 
силы и других химических показателей; 
• очень низкие концентрации активных компонентов при больших количествах примесей; 
• минимальные изменения значимых физико-химических свойств 
биопробы, которые существенно влияют на процессы жизнедеятельности; 
• сохранение биологической специфичности в относительно узком 
температурном диапазоне, следствием чего является необходимость проведения исследований при стабилизированных температурах; 
• ограниченный исходный объем биопробы, измеряемый иногда единицами микролитров [6]. 
8 

1.1. Объекты аналитических исследований и их медико-биологические параметры 
Сложность учета всех особенностей методов клинико-лабораторного 
анализа приводит к ошибкам в интерпретации результатов исследований, а 
следовательно, в постановке диагноза и в выборе лечебных мероприятий. 
Вторая группа биопроб, исследуемых методами и средствами аналитической диагностики, – объекты, поступающие из внешней окружающей 
среды. Это вещества, участвующие в метаболических процессах организма 
или характеризующие среду обитания живых объектов и с которыми биологические объекты постоянно взаимодействуют в процессе своей жизнедеятельности.  
Данная группа биопроб подразделяется две подгруппы. 
В первую подгруппу входят вещества, необходимые человеку для нормального существования, прежде всего, воздух как окислитель для метаболических процессов, вода и продукты питания. 
Вторая подгруппа – вещества, характеризующие среду обитания организма: атмосферный воздух, вода, почва, другие макро- и микроорганизмы, 
которые живут в этой же среде и могут контактировать с человеком; отходы 
жизнедеятельности живых систем и продукты промышленных производств, попадающие и воздух, воду и почву. Соприкосновение с этими составляющими не всегда безвредно для организма человека. Кроме того, 
наличие экологических проблем приводит к тому, что основные компоненты окружающей среды поступают в организм вместе с веществами, 
наличие которых может представлять для него серьезную опасность. Необходимость своевременного и качественного мониторинга состояния окружающей среды обуславливает важность развития методов и средств медико-экологического контроля [6, 7]. 
Рассмотрим более подробно характеристики биопроб, получаемых из 
окружающей среды. 
Атмосферный воздух по своему составу представляет собой газовый 
компонент окружающей среды, большую долю которого, 99,9%, составляют такие газы, как азот, кислород и аргон; 0,1% состава атмосферного 
воздуха – оксид углерода (до 0,25 мг/м3), оксиды азота, аммиака, криптона, 
неона, гелия, ксенона, водорода и метана (до 0,5–1,5 мг/м3). 
Основными источникам загрязнений воздуха являются: 
• тепловые электростанции, работающие на каменном угле, в выбросах которых содержатся сажа, зола и диоксид серы; 
9 

Глава 1. Биопробы, вопросы проведения аналитических исследований 
• металлургические заводы – источники сажи, пыли, оксида железа, 
диоксиды сера, фторидов; 
• цементные заводы, выделяющие огромное количество пыли; 
• предприятия по производству продуктов неорганической химии – 
диоксид серы, фтороводород, оксиды азота, хлор, озон; 
• заводы по производству целлюлозы, очистке нефти – газообразные 
отходы (одоранты); 
• предприятия нефтехимии – источники углеводородов и органических соединений, таких как амины, меркаптаны, сульфиды, альдегиды, кетоны, спирты, кислоты и других веществ; 
• газы автомобилей и процессы испарения топлива при горении образуют оксид углерода, газообразные углеводороды, высококипящие полициклические ароматические углеводороды и сажа, продукты неполного 
окисления топлива (например, альдегиды), галогеноуглеводороды, тяжелые металлы и оксиды азота; 
• лесные пожары, в результате которых в воздух выделяется значительное количество углеводородов и оксидов углерода. 
Помимо обозначенных загрязнителей в атмосферном воздухе присутствуют такие твердые и жидкие компоненты, как пыль, песок, сажа, вулканическая пыль и аэрозоли органической (высокомолекулярные соединения) 
и неорганической природы (с диаметром 0,001–100 мкм), радиоактивные 
вещества [8]. 
Загрязнители атмосферного воздуха в зависимости от источника и механизма образования делятся на две группы:  
а) первичные загрязнители – вещества, попадающие в воздух из стационарных или подвижных источников; 
б) вторичные загрязнители, образующиеся под действием ультрафиолетового излучения в результате взаимодействий в атмосфере первичных 
загрязнителей между собой и с присутствующими в воздухе веществами. 
Большая доля загрязнителей атмосферного воздуха приходится на 
группу вторичных загрязнителей, которые часто оказываются гораздо токсичнее первичных. Отдельно отметим выхлопные газы автомобилей, состоящие из различных веществ, которые вступают в фотохимические реакции 
с веществами в атмосфере при влиянии солнечной радиации, приводя к образованию токсичного смога. 
10