- •Билет 1 Современная аналитическая химия. Классификации биологических объектов. Методология получения биологического материала и экстракции биологических молекул и субклеточных структур
- •Принципы ямр-спектрометрии
- •Билет 2 Основные типы ямр-спектрометров
- •Билет 3 Центрифуги и их роторы.
- •Билет 4 Методы центрифугирования для разделения клеток, субклеточных структур и биологических молекул
- •Билет 5 Мембранные технологии разделения биологического материала
- •Билет 6 Хроматография. Классификация методов хроматографии
- •Основные методы рентгеновского анализа биологического материала
- •Билет 7 Общая схема и основные элементы конструкции газовых хроматографов
- •Современная рентгеновская томография
- •Билет 8 Общая схема и основные элементы конструкции жидкостных хроматографов
- •Билет 9 Основные хроматографические методы разделения и анализа биологических веществ
- •Масс-спектрометрия (идентификация молекулы по ее осколкам). Основные типы конструкции масс-спектрометров
- •Билет 10 Основные электрофоретические методы разделения и анализы биологических объектов
- •Основные способы ионизации молекул для их масс-спектрометрического анализа
- •Билет 11 Спектрометрия и классификация методов спектрометрии
- •Масс-спектрометрия биологических объектов
- •Билет 12 Спектрометрия видимого и ультрафиолетового спектра. Общая схема и основные элементы конструкции спектрофотометров для измерений в видимом и ультрафиолетовом диапазонах спектра
- •Изотопные и радиоизотопные методы в биохимии и биофизике
- •Билет 13 Спектрофлюоресцентные методы анализа. Общая схема и основные элементы конструкции спектрофлюориметров.
- •Биофизические основы современных методов анализа первичной структуры нуклеиновых и белковых молекул
- •Билет 14
- •Принципы микроскопии сверхвысокого разрешения
- •Билет 15 Фурье- спектрометрия. Основные типы ик-Фурье-спектрометров
- •Методы электронной микроскопии
- •Билет 16 Спектрометрия комбинационного рассеивания (Раман спектрометрия)
- •Оптические методы анализа клеточной и субклеточной структуры
- •Билет 17 Принципы эпр-спектромерии
- •Билет 18 Проблемы измерения и анализа в современных биохимических, молекулярно-биологических, медицинских и биотехнологических исследованиях
Билет 1 Современная аналитическая химия. Классификации биологических объектов. Методология получения биологического материала и экстракции биологических молекул и субклеточных структур
Биологические объекты:
1. Простые и сложные биологические молекулы, различные субклеточные структуры (ДНК и РНК клеточного, паразитического и симбиотического происхождения, органеллы и др. внутриклеточные структуры), вирусы, одноклеточные и многоклеточные организмы.
2. Биологическое содержимое биосферы (биологические вещества, организмы и их содержимое).
3. Простые химические вещества, в контексте их биологического действия.
Аналитическая химия:
Аналитическая химия рассматривает «принципы и методы определения химического состава вещества. Включает качественный анализ и количественный анализ». Занимается разработкой методов, аппаратуры и общей стратегии исследования качественного и количественного состава веществ и отдельных химических компонентов, а также их пространственной структуры и изменения во времени. Современная аналитическая химия характеризуется использованием огромного разнообразия различных физических методов и применением электронно-вычислительных средств обработки и анализа полученных в результате измерений данных.
Общая схема процесса химического анализа.
Методология получения биологического материала и экстракции биологических молекул и субклеточных структур.
Принципы ямр-спектрометрии
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — резонансное поглощение или излучение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, на частоте ν (называемой частотой ЯМР), обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер.
Одни и те же ядра атомов в различных окружениях в молекуле показывают различные сигналы ЯМР. Отличие такого сигнала ЯМР от сигнала стандартного вещества позволяет определить так называемый химический сдвиг, который обусловлен химическим строением изучаемого вещества. В методиках ЯМР есть много возможностей определять химическое строение веществ, конформации молекул, эффекты взаимного влияния, внутримолекулярные превращения.
Приборы
Сердцем спектрометра ЯМР является мощный магнит. В эксперименте, образец, помещенный в стеклянную ампулу диаметром около 5 мм, заключается между полюсами сильного электромагнита. Затем, для улучшения однородности магнитного поля, ампула начинает вращаться, а магнитное поле, действующее на нее, постепенно усиливают. В качестве источника излучения используется радиочастотный генератор высокой добротности. Под действием усиливающегося магнитного поля начинают резонировать ядра, на которые настроен спектрометр. При этом экранированные ядра резонируют на частоте чуть меньшей, чем ядра, лишенные электронных оболочек. Поглощение энергии фиксируется радиочастотным мостом и затем записывается самописцем. Частоту увеличивают до тех пор, пока она не достигнет некого предела, выше которого резонанс невозможен.
Так как идущие от моста токи весьма малы, снятием одного спектра не ограничиваются, а делают несколько десятков проходов. Все полученные сигналы суммируются на итоговом графике, качество которого зависит от отношения сигнал/шум прибора.
В данном методе образец подвергается радиочастотному облучению неизменной частоты, в то время как сила магнитного поля изменяется, поэтому его еще называют методом непрерывного облучения (CW, continous wave).
Традиционный метод ЯМР-спектроскопии имеет множество недостатков. Во-первых, он требует большого количества времени для построения каждого спектра. Во-вторых, он очень требователен к отсутствию внешних помех, и, как правило, получаемые спектры имеют значительные шумы. В-третьих, он непригоден для создания спектрометров высоких частот (300, 400, 500 и более МГц). Поэтому в современных приборах ЯМР используется метод так называемой импульсной спектроскопии (PW), основанной на фурье-преобразованиях полученного сигнала. В настоящее время все ЯМР-спектрометры строятся на основе мощных сверхпроводящих магнитов с постоянной величиной магнитного поля.
В отличие от CW-метода, в импульсном варианте возбуждение ядер осуществляют не «постоянной волной», а с помощью короткого импульса, продолжительностью несколько микросекунд. Амплитуды частотных компонент импульса уменьшаются с увеличением расстояния от ν0. Но так как желательно, чтобы все ядра облучались одинаково, необходимо использовать «жесткие импульсы», то есть короткие импульсы большой мощности. Продолжительность импульса выбирают так, чтобы ширина частотной полосы была больше ширины спектра на один-два порядка. Мощность достигает нескольких тысяч ватт.
В результате импульсной спектроскопии получают не обычный спектр с видимыми пиками резонанса, а изображение затухающих резонансных колебаний, в котором смешаны все сигналы от всех резонирующих ядер — так называемый «спад свободной индукции» (FID, free induction decay). Для преобразования данного спектра используют математические методы, так называемое фурье-преобразование, по которому любая функция может быть представлена в виде суммы множества гармонических колебаний.
С пектры ЯМР
(Спектр 1H 4-этоксибензальдегида. В слабом поле (синглет ~9,25 м.д) сигнал протона альдегидной группы, в сильном (триплет ~1,85-2 м.д.) — протонов метила этоксильной группы.)
Для качественного анализа с помощью ЯМР используют анализ спектров, основанный на таких замечательных свойствах данного метода:
сигналы ядер атомов, входящих в определенные функциональные группы, лежат в строго определенных участках спектра;
интегральная площадь, ограниченная пиком, строго пропорциональна количеству резонирующих атомов;
ядра, лежащие через 1-4 связи, способны давать мультиплетные сигналы в результате т. н. расщепления друг на друге.
Положение сигнала в спектрах ЯМР характеризуют химическим сдвигом их относительно эталонного сигнала. В качестве последнего в ЯМР 1Н и13С применяют тетраметилсилан Si(CH3)4 (ТМС). Единицей химического сдвига является миллионная доля (м.д.) частоты прибора. Если принять сигнал ТМС за 0, а смещение сигнала в слабое поле считать положительным химическим сдвигом, то мы получим так называемую шкалу δ. Если резонанс тетраметилсилана приравнять 10 м.д. и обратить знаки на противоположные, то результирующая шкала будет шкалой τ, практически не используемой в настоящее время. Если спектр вещества слишком сложен для интерпретирования, можно воспользоваться квантовохимическими методами расчета констант экранирования и на их основании соотнести сигналы.