76 «Мокрая» минерализация биологических объектов Основные этапы

76. «Мокрая» минерализация биологических объектов. Основные этапы. Кислоты, используемые для минерализации. Достоинства и недостатки метода.
Минерализация – это окисление (сжигание) органического вещества (объекта) для освобождения металлов из комплексов с белками и другими соединениями. [5, с.83]
Мокрая минерализация применяется при общем (ненаправленном) исследовании на группу металлических ядов, пригодны для изолирования всех катионов металлов, кроме ртути. Для минерализации используют смеси кислот – окислителей (серной и азотной, серной, азотной и хлорной), а также калия хлорат и пергидроль. Под действием окислителей происходит разрушение биологического материала с образованием более простых химических соединений. При этом связи между металлами и биологическими субстратами организма (белками, аминокислотами и др.) разрушаются, образуются соли этих металлов, которые можно обнаружить в минерализате при помощи соответствующих реакций и методов. [5, с. 84]
Три группы реагентов используются при мокрой минерализации:
Окислители: НNО3, Н2О2, НСlО4 и т.д.
Солюбилизаторы и нейтрализаторы: Н2SО4, НСl, NH3;
Катализаторы Н2SO4, Fe2+, Ag2+. [2, с.265]
Мокрую минерализацию лучше всего выполнять в две ступени. Сначала биологический материал гидролизуют разбавленной кислотой, преимущественно той, которая будет использована в концентрированной форме в качестве оксиданта, но при более низкой температуре (<90°С). При этом биоматериал растворяется. В зависимости от характера матрицы некоторые органические вещества дают при гидролизе летучие продукты, эти продукты выносят из зоны реакции и, значит, не подвергаются окислению на следующей стадии; соответственно расход оксиданта будет меньше. Увеличение поверхности контакта при гидролизе способствует окислению. [2, с.266]
На первой стадии происходит разрушение биологических субстратов организма (белков, жиров, углеводов) на составные части: белки разрушаются до аминокислот, углеводы (полисахариды) до ди- и моносахаридов, жиры до глицерина и жирных кислот. На первой стадии нагревание не должно быть сильным, чтобы избежать подгорания объекта или сильного пенообразования и выброса частиц объекта из колбы. Поэтому, в начале колбу Къельдаля закрепляют над плиткой на расстоянии 1 или 2 см. Температура не должна превышать 110°С. Эта стадия не продолжительна по времени, длится от 15 до 40 минут. По окончании деструкции получается прозрачная желтовато-бурая жидкость, иногда с плёнкой жира, т.к. на этой стадии все элементы объекта разрушены, кроме жиров.
На стадии деструкции концентрированная серная кислота выполняет роль водоотнимающего средства, что приводит к нарушению структуры клеток и тканей, деформирует их. При этом она способствует повышению температуры кипения смеси и тем самым повышает окислительное действие концентрированной азотистой кислоты. Роль окислителя выполняет концентрированная азотная кислота.
Под влиянием индуцирующих веществ биоматериала в начале минерализации часть азотной кислоты разлагается до азотистой кислоты и оксидов азота, которые являются катализаторами процесса окисления. Под их влиянием с повышением температуры азотная кислота проявляет себя как сильный окислитель. Идёт автокаталитический процесс окисления органических веществ: НNO3=2NO2+Н2О2 и Н2О2=Н2О+[О]. [5, с.85]
На второй стадии вода испаряется до тех пор, пока концентрация окислителя не станет достаточной для того, чтобы окислить органический материал. Если необходимо, надо добавить более концентрированный окислитель. Окисление матрицы можно описать следующим уравнение:
(Органич.материал)(МХ)(МУ) окислитель↔(СО2)(NОх)(SO2)(H2O)(MX)(MY), где М – катионы, Х – анионы из реагента, У – анионы, происходящие из матрицы. Равновесие сдвигается право, поскольку происходит удаление летучих продуктов из редакционной смеси. Кинетика реакции зависит от температуры реакции. [2, с.266]
Колбу Къендаля опускают на плитку и усиливают нагревание. На этой стадии происходит окончательное разрушение органических веществ. Полностью разрушаются жиры, которые на первой стадии почти не пострадали под действием кислоты азотной. В процессе окисления необходимо по каплям постоянно добавлять в колбы разведенную кислоту азотную из капельной воронки, но при этом скорость добавления реактива должна быть такова, чтобы бурые пары окислов азота, образующиеся при минерализации, не выходили из колбы. Эта стадия длится 3-4 часа и считается законченной тогда, когда начинает выделяться белый туман (пары SO2), жидкость остаётся бесцветной и минерализат не темнеет в течение 30 минут без добавления кислоты азотной.
Роль окислителя на этой стадии играет концентрированная серная кислота (её концентрация в смеси до 70%, температура превышает 110°С). Она разлагается с выделением оксида серы (IV) и активного кислорода. Кроме того, в процессе минерализации происходит не только разрушение органических веществ, но и ряд побочных реакций, имеющих негативное значение. [5, с.86]
Достоинства метода мокрой минерализации:
Сравнительно быстрое достижение полноты разрушения органических веществ;
Полнота разрушения объекта обусловливает большую чувствительность метода анализа на катионы металлов;
Малый объем получаемого минерализата, также повышает чувствительность методов анализа. [5, с.87]
Основным недостатком метода являются большие потери ртути (до 98% ) за счет её летучести. Поэтому изолирование ртути в виде ионов проводят в отдельной невесте биообъекта частным методом изолирования, который исключает действие высоких температур. [5, с.87]
90.Токсичность соединений цинка. Методы выделения из биологическогоматериала. Условия проведения предварительной реакции. Использованиеправила «рядов» Н.А. Тананаева для выделения цинка из минерализата. Химические реакции обнаружения цинка в минерализате. Способы количественного определения.
Цинк используется при гальванизации железа, в сплавах (латунь); аккумуляторных батареях и как стабилизатор полимеров. Природным источником цинка являются минералы. В медицине цинк применяют в радиоизотопной диагностике, в том числе как метку для цинкосодержащих ферментов. Сульфат цинка используют при определениях свертываемости крови. В последние годы Zn (глюконат, аспартат, пиколинат и др.) стали широко применяться в дерматологии, эндокринологии, при лечении иммунодефицитных состояний. [3, с.843]
Цинк является кофактором большой группы ферментов, участвующих в белковом и других видах обмена, поэтому он необходим для нормального протекания многих биологических процессов. Этот элемент требуется для синтеза белков, в том числе коллагена и формирования костей. Цинк принимает участие в делении и дифференцировке клеток, сперматогенезе, формировании Т-клеточного иммунитета, выработке инсулина поджелудочной железой, регенерации кожи, росте волос и ногтей, секреции сальных желез, биотрансформации алкоголя, кроветворения, ранозаживлении, способствует всасыванию витаминов А и Е, поддержанию их нормальной концентрации в крови. [3, с.844]
Наибольшую опасность для организма человека представляют попадание пыли, аэрозолей цинка и его соединений через легкие. Хронические отравления соединениями цинка могут происходить в производственных условиях. Повышенное содержание цинка в почве в радиусе 2-3 км от цинкового завода представляет опасность для населения. Токсичными являются многие соединения цинка, среди которых самым токсичным является фосфид цинка. Тяжелое отравление наступает при попадании в организм десятых долей грамма этого вещества и проявляется через несколько минут резкими болями в животе, слабостью, головокружением, многократной рвотой с поимесью желчи и крови, пострадавший теряет сознание, смерть наступает в первые часы после приема яда. Токсический эффект связан также с действием фосфористого водорода, который образуется в желудке в результате разложения фосфида цинка хлороводородной кислотой желудочного сока.
Бытовые отравления соединениями цинка описаны при использовании паяльной жидкости (смесь хлорида цинка и концентрированной хлороводородной кислоты) по неосторожности или с суицидальной целью.[1, с.339]
Пары цинка и его соединений, в основном оксида, при отравлении вызывают некроз эпителия лёгочных альвеол. Отравления проявляются «литейной лихорадкой», напоминающей малярию. Скрытый период отравления длится 3-5 ч. Основные симптомы: сухость и металлический вкус во рту, жжение в гортани, за грудной. Цинка хлорид и цинка сульфат вызывают отравления, клинически сходные с отравлением меди сульфатом. [4, с.392]
Токсическая доза цинка для человека при хроническом поступлении – 150-600 мг, летальная доза – 6 г. [3, с.846]
Для обнаружения цинка в минерализате рекомендуется использовать атомно-абсорбционную спектрометрию и химический метод.
При атомно-абсорбционной спектрометрии обнаружение цинка проводят по характерной для цинка линии резонансного перехода при длине волны 213,9 нм. Предел обнаружения цинка составляет 0,04 мкг в 1 мл исследуемой пробы.
Химический метод анализа основан на использовании реакций комплексообразования и осаждения.
Реакция с дитизоном (предварительная). К 0,5 мл минерализата прибавляют 0,25 мл насыщенного раствора тиосульфата натрия, устанавливают рН=4,5-5,0 (по универсальному индикатору) с помощью ацетатного буферного раствора, добавляют 2 капли 0,01% раствора дитизона в хлороформе и 1 мл хлороформа. Полученный раствор энергично встряхивают. При наличии ионов цинка слой хлороформа окрашивается в розовый или красно-фиолетовый цвет. Реакцией можно обнаружить в 100 г исследуемого объекта 5 мг цинка. Реакция имеет судебно – медицинское значение при отрицательном результате.

Выделение цинка из минерализата. К 10 мл минерализата добавляют 4 мл раствора калия-натрия тартрата или 20% раствор лимонной кислоты (для маскирования железа), 1 мл насыщенного раствора тиомочевины (или тиосульфата натрия) для маскирования ионов кадмия и меди и доводят pH до 8,5 (по универсальному индикатору) с помощью 10% раствора гидроксида натрия. Смесь взбалтывают с 3 мл 1% раствора диэтилдитиокарбамата натрия (ДДТКNa) и 5 мл хлороформа. Слой хлороформа отделяют, промывают 10 мл воды и встряхивают с 3 мл 1 M раствора хлороводородной кислоты. Водную фазу (реэкстракт), содержащую хлорид цинка, отделяют и исследуют.[1, с.337]

В токсикологической химии ДДТКNa используется для выделения катионов из минерализата. Так ДДТК цинка извлекается при рН 8,5, кадмия и висмута – при рН 12. При подкислении комплексы разрушаются: диэтилдитиокарбаминовая кислота остается в органическом растворителе, а ион металла реэкстрагируется в водную фазу. В соответствии с правилом рядов, установленным Н.А. Тананаевым, каждый предшествующий металл, находящийся в водном растворе, вытесняет последующий из его карбамината, растворенного в хлороформе. Ряд Тананаева представлен следующим образом: Hg>Ag>Cu>Ni>Co>Pb>Bi>Cd>Tl>Sb>Zn>Mn>Fe
Подтверждающие реакции на ионы цинка с реэкстрактом.
Реакция с гексацианоферратом (Н) калия. К 1 мл реэкстракта добавляют 10% раствор гидроксида натрия до рН=5 (по универсальному индикатору) и 2 капли 5% раствора гексацианоферрата(И) калия. Образуется осадок или муть белого цвета.
3ZnCI2 + 2K4[Fe(CN)6] → K2Zn3[Fe(CN)6]2↓ + 6KCI
Реакция с сульфидом натрия. К 1 мл реэкстракта прибавляют 10% раствор гидроксида натрия до рН=5 (по универсальному индикатору) и Ъ-Л капли свежеприготовленного 5% раствора сульфида натрия. Образуется осадок или муть белого цвета.
ZnCI2 + Na2S →ZnS↓+ 2NaCI сульфид цинка
Реакция с тетрароданомеркуроатом аммония. 3—4 капли реэкстракта выпаривают досуха на предметном стекле. Сухой остаток растворяют в капле 10% раствора уксусной кислоты и прибавляют каплю раствора тетрароданомеркуроата аммония. В присутствии ионов цинка образуются бесцветные одиночные клиновидные кристаллы или дендриты.
ZnCI2 + (NH4)2 [Hg(NCS)4] →Zn[Hg(NCS)4]↓ + 2NH4CI
Граница обнаружения цинка в 100 г объекта после экстракции в виде диэ-тилдитиокарбамата, реэкстракции хлороводородной кислотой и использования перечисленных реакций составляет 0,5 мг.
Количественное определение рекомендуется проводить с помощью атомно-абсорбционной спектрометрии и методом комплексонометрического титрования.
Атомно-абсорбционная спектрометрия. Определение проводят по величине светопоглощения при длине волны 213,9 нм. Для расчета концентрации используют гра-дуировочный график или метод добавок. [1, с.338]
Комплексонометрическое титрование. Цинк из минерализата выделяют в виде диэтилдитиокарбамата. Реэкстракцию в водную фазу проводят путем встряхивания хлороформного слоя, содержащего диэтилдитиокарбамат цинка, с 10 мл 0,2 M раствора хлороводородной кислоты. К полученному реэкстракту добавляют 1 мл 20% раствора лимонной кислоты, 10 мл аммиачного буферного раствора и.титруют 0,01 M раствором комплексона III в присутствии эриохрома черного ЕТ-00 до перехода красно-фиолетовой окраски в голубую.
Средняя относительная погрешность комплексонометрического определения катионов, выделенных из трупного материала, находится в пределах 3,6-13,1% в зависимости от количества «металлического» яда в 100 г органа (печени или почек).
Комплексонометрическим титрованием определяется 1-100 мг цинка в 100 г объекта. [1, с. 339]
94.Составить подробную схему исследования биологических объектов на наличие токсичных соединений, указанных в диагнозе, согласно направлениям:
Направляются внутренние органы трупа гр. П., 53 лет.
Обстоятельства дела: Гр.П.находился на лечении в кожно-венерологическом диспансере по поводу хронического заболевания. В тяжелом состоянии доставлен в реанимационное отделение, скончался через 2 часа.
Судебно-медицинский диагноз: отравление солями висмута.
Среднее содержание висмута в биожидкостях и тканях организма человека при интоксикации [3, с.867]
Биосубстрат
Кровь Мозг Легкие Печень Желчь Почки Моча
Среднее значение 0,5 0,6 0,9 6,8 3,9 33 1,2

Список литературы
1. Токсикологическая химия: учебник / Т.Х. Вергейчик; под ред. проф. Вергейчика – М.: МЕДпресс-информ, 2009. – 400 с.: ил.
2. Некоторые вопросы токсичности ионов металлов: Пер. с англ. / Под ред. Х.Зигеля, А.Зигель. – М.: Мир, 1993
3. Токсикологическая химия / Под редакцией проф. Н.И. Калетиной. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2007. — 1016 стр.
4. Токсикологическая химия: Учебник для вузов / Под ред. Т.В. Плетневой. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2005. – 512
5. Токсикологическая химия: Учеб. пособие / Е.В. Сальникова, Е.А. Кудрявцева, С.В. Лебедев, М.Г. Скальная .— Оренбург : ОГУ, 2012. — 228 с.