NsmuBase

Учебные материалы и ответы на тесты

Методы физико-химического анализа

Методы физико-химического анализа

Методы физико-химического анализа применяют для качественного и количественного определения ядовитых веществ в биологических тканях и средах организма и для выявления источников этих веществ — продуктов питания, виноводочной продукции, лекарственных препаратов и т. д.:

■ спектральный анализ (нейтронно-активационный, эмиссионный и атомно-абсорбционный) позволяет определить содержание тяжелых металлов (Fe, Zn, Cu, Pb, Cd, Ni, Cr и др.) в твердых образцах и биологических объектах (волосах). Многие токсичные органические соединения, например формальдегид, метиловый и изоамило-вый спирты, а также фармацевтические препараты определяют фотометрически;

ЭМИССИОННЫЙ АНАЛИЗ

Атомно-эмиссионный спектральный анализ (АЭСА) — метод элементного анализа, основанный на изучении спектров испускания свободных атомов и ионов в газовой фазе в области длин волн 150-800 нм

Принцип действия метода основан на том, что атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах.

Атомные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000—10000°C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов.

С помощью эмиссионного спектрального анализа могут быть произведены: установление неорганических элементов, которые могли быть внесены в организм человека из окружающей среды; диагностика огнестрельных повреждений; дифференциация входного и выходного раневых отверстий, колото-резаных, рубленых повреждений и повреждений тупыми металлическими предметами на коже и во внутренних органах и тканях, а также на одежде пострадавшего по наличию металлов, входящих в состав копоти выстрела, и металлов, из которых изготовлены повреждающие одежду и ткани человека предметы; установление при поражении электрическим током места контакта металлического токонесущего проводника с телом; идентификация дроби (при дробовых ранениях и обнаружении дроби в органах и тканях пострадавшего).

АКТИВАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ
Активационный анализ (радиоактивационный анализ) — метод качественного и количественного элементного анализа вещества, основанный на активации ядер атомов и исследовании образовавшихся радиоактивных изотопов (радионуклидов). Вещество облучают ядерными частицами (тепловыми или быстрыми нейтронами, протонами, дейтронами, α- частицами и т.д.) или γ — квантами. Затем определяют вид, т.е. порядковый номер и массовое число, образовавшихся радионуклидов по их периодам полураспада Т1/2 и энергиям излучения Е, которые табулированы. Поскольку ядерные реакции, приводящие к образованию тех или иных радионуклидов, обычно известны, можно установить, какие атомы были исходными. Активационный анализ — метод определения состава вещества, основанный на активации атомных ядер и исследовании радиоактивного излучения, возникающего вследствие изменения нуклонного состава или энергетического состояния ядер. Активационный анализ — наиболее распространенный ядерно-физический метод определения состава вещества.  Активационный анализ — качественное и количественное определение состава вещества, основанное на измерении энергии излучения и периодов полураспада радиоактивных изотопов, образующихся в исследуемом веществе при облучении его нейтронами, протонами, α-частицами, γ-квантами и др.

Наиболее распространен нейтронно-активационный анализ, в котором исследуемое вещество

облучают потоком тепловых нейтронов с энергией 0,025 эВ, а в образце протекает (n,γ)-реакция, при которой

каждый активирующийся изотоп увеличивает массу на единицу. Преимущество этого варианта связано с

отсутствием энергетического порога для реакций с нейтронами, в результате чего нейтроны с очень малой

энергией могут реагировать практически с любыми ядрами. Кроме того, сечения ядерных реакций (n,γ) на

тепловых нейтронах для большинства элементов на несколько порядков выше сечений других ядерных

реакций. Важно также, что ядерные реакторы и другие источники тепловых нейтронов сейчас довольно

доступны. Поток нейтронов из ядерных реакторов достигает 1013-1015 частиц/см2

*с. Метод позволяет определять большинство элементов периодической системы начиная с натрия с пределами обнаружения 10-4 —

10-12%, в том числе 53 элемента — с пределами обнаружения менее 10-6%.

 

Применения активационного анализа.

Известны многочисленные применения активационного анализа. Основные из них: анализ особо

чистых веществ, геологических объектов и объектов окружающей среды; экспрессный анализ металлов и

сплавов в промышленности; определение содержания микроэлементов в крови, плазме, тканях животных и

растений; судебно-медицинская экспертиза. Активационный анализ используется для определения следовых

примесей в полупроводниковых материалах, металлах, метеоритах, лунных и земных горных пород, причём

для определения нескольких элементов одновременно. Это позволяет получить информацию о термической и

химической истории Земли, Луны, Марса и метеоритов, а также об источнике и возрасте отдельных объектов.

Геохимические применения активационного анализа включают космохимию, геохимию литосферы и

гидросферы. Анализ используется для определения распространённости элементов в земной коре, выявления

механизма кристаллизации магмы, и механизма возникновения осадочных пород, для определения

абсолютного возраста минералов и т.п. Активационный анализ неорганических материалов используется для определения примесей в чистых

веществах, для анализа полупроводниковых материалов, а также для анализа водыи водных растворов.

Использование активационного анализа в криминалистике и судебной медицине также хорошо

известно. Здесь определяют распределение следовых элементов в пулях, ножах, картинах, посуде, вине и

пище и т.п., как-то связанных с преступлениями. Такая идентификация быстра и не разрушает объект

исследования. Она применяется как реальное доказательство в суде. Примером является доказательство, что

Наполеон был отравлен, полученное по содержанию мышьяка в волосах. Другие примеры — доказательство,

что человек был застрелен выстрелом именно их этого нагана, или был отравлен именно этим напитком.

Атомно-абсорбционный анализ

веществa — метод количеств. определения элементного состава исследуемого вещества по атомным спектрам поглощения, основанный на способности атомов избирательно поглощать электромагнитное излучение в разл. участках спектра. A.-a. a. проводят на спец. приборах — абсорбц. спектрофотометрах. Пробу анализируемого материала растворяют (обычно c образованием солей); раствор в виде аэрозоля подают в пламя горелки. Под действием пламени (3000°C) молекулы солей диссоциируют на атомы, к-рые могут поглощать свет. Затем через пламя горелки пропускают пучок света, в спектре к-рого есть соответствующие тому или иному элементу спектральные линии. Из общего излучения исследуемые спектральные линии выделяют монохроматором, a их интенсивность фиксируют блоком регистрации. Mатем. обработка проводится по формуле: J = J0 * e-kvI,

где J и J0, — интенсивности прошедшего и падающего света; kv — коэфф. поглощения, зависящий от его частоты; I — толщина поглощающего слоя. Зная kv и I, можно определить оптич. плотность паров материала и c её помощью по калибровочным графикам — его концентрацию. Атомизацию чаще всего проводят в пламени воздух — ацетилен или закись азота — ацетилен. A.-a. a. характеризуется высокой избирательностью, низкими пределами обнаружения (10-1 и 10-4 мкг/мл для пламенного и беспламенного вариантов соответственно), хорошей воспроизводимостью (относит. стандартное отклонение 0,005-0,02), экспрессностью (до 300 измерений в час) и высокой степенью автоматизации. A.-a. a. применяют для определения как следовых (10-6%), так и макроколичеств примерно 70 элементов в разл. г. п., рудах и минералах, в продуктах нефтехимии и металлургии, в биол. объектах и т.д. При геохим. поисках в условиях полевых лабораторий используют беспламенный метод для определения микропримесей (10-7 — 10-1%) ртути.

 

■ газовая хроматография и хромато-масс-спектрометрия используются для качественного и количественного определения этилового спирта и токсичных примесей;

■ высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) и тонкослойная хроматография применяется для обнаружения лекарственных веществ;

■ контактно-диффузионный метод (метод цветных отпечатков) основан на диффузии микроэлементов в эмульсионный слой фотографической бумаги с поверхности кожи или вещественных доказательств; простота метода сделала его распространенным в экспертной практике.

Метод цветных отпечатков – (син. контактно-диффузионный метод) основан на диффузии микроэлементов в эмульсионный слой фотографической бумаги с поверхности кожи или вещественных доказательств.

Метод цветных отпечатков основан на ионном растворении металлов на объекте исследования при действии реактива-растворителя, переходе металла с исследуемого объекта на бумагу (фото- или хроматографическую) за счет диффузии ионов, выявлении металла на бумаге под действием реактива-проявителя в результате качественной химической реакции.

Один и тот же объект исследования может последовательно обрабатываться несколькими реактивами, что позволяет выявить на объекте различные металлы.

При наличии следов металла соответственно месту их расположения на фотобумаге появляется определенное окрашивание.

Простота метода цветных отпечатков по сравнению с электрографическим методом сделала его распространенным в экспертной практике. Чувствительность обеих методик практически одинакова. Для проведения исследования необходимы реактивы-растворители т реактивы-проявители.

в 1972 И.Я. Купов разработал модификацию метода цветных отпечатков, которая позволяет на одном листе фотобумаги выявлять отложения меди и свинца и их топографическую взаимосвязь. Применение этой модификации наиболее эффективно при исследовании огнестрельных повреждений при выстрелах в упор и с самых близких дистанций оболочечными пулями, имеющими свинцовый сердечник.

При поражении с более дальних дистанций этой методикой выявляется только один металл – медь (оболочечные снаряды), свинец (безоболочечные снаряды).

Использование данной модификации метода цветных отпечатков при огнестрельных поражениях в упор и с наиболее близких расстояний позволяет установить не только химическую природу отложений (свинца и меди), но и их взаимное расположение на одном отпечатке.

Это весьма существенное преимущество потому, что при выстрелах из одинаковых моделей оружия с разных дистанций и из разных моделей с одинаковых дистанций на цветных отпечатках обычно возникают различные картины распределения свинца и меди.

В экспертной практике установить модель оружия по отложениям основных металлов можно путем сравнения цветных отпечатков, полученных с объектов исследования, с экспериментальных мишеней, пораженных из предполагаемых экземпляров оружия.

Выявление на одном отпечатке диффузных отложений меди и свинца исключает применение как безоболочечных, так и оболочечных со стальным сердечником боеприпасов. Выявление только меди свидетельствует об использовании оболочечного снаряда, не исключается и пуля со свинцовым сердечником. Обнаружение на цветном отпечатке отложений только свинца исключает применение оболочечных снарядов как со стальным, так и со свинцовым сердечником.

 

 

ХРОМАТОГРАФИЯ

Газовая хроматография — разновидность хроматографии, метод разделения летучих компонентов, при котором подвижной фазой служит инертный газ (газ-носитель), протекающий через неподвижную фазу с большой поверхностью. В качестве подвижной фазы используют водород, гелий, азот, аргон, углекислый газ. Газ-носитель не реагирует с неподвижной фазой и разделяемыми веществами.

Различают газо-твёрдофазную и газо-жидкостную хроматографию. В первом случае неподвижной фазой является твёрдый носитель (силикагель, уголь, оксид алюминия), во втором — жидкость, нанесённая на поверхность инертного носителя.

Газо-жидкостная хроматография — разделение газовой смеси вследствие различной растворимости компонентов пробы в жидкости или различной стабильности образующихся комплексов. Неподвижной фазой служит жидкость, нанесенная на инертный носитель, подвижной — газ.

Разделение основано на различиях в летучести и растворимости (или адсорбируемости) компонентов разделяемой смеси.

Этот метод можно использовать для анализа газообразных, жидких и твёрдых веществ с молекулярной массой меньше 400, которые должны удовлетворять определённым требованиям, главные из которых — летучесть, термостабильность, инертность, лёгкость получения. Этим требованиям в полной мере удовлетворяют, как правило, органические вещества, поэтому газовую хроматографию широко используют как серийный метод анализа органических соединений.

Хромато-масс-спектрометрия Масс-спектрометры используются для анализа органических и неорганических соединений.

Органические вещества в большинстве случаев представляют собой многокомпонентные смеси индивидуальных компонентов. Например, показано, что запах жареной курицы составляют 400 компонентов (то есть, 400 индивидуальных органических соединений). Задача аналитики состоит в том, чтобы определить сколько компонентов составляют органическое вещество, узнать какие это компоненты (идентифицировать их) и узнать сколько каждого соединения содержится в смеси. Для этого идеальным является сочетание хроматографии с масс-спектрометрией. Газовая хроматография как нельзя лучше подходит для сочетания с ионным источником масс-спектрометра с ионизацией электронным ударом или химической ионизацией, поскольку в колонке хроматографа соединения уже находятся в газовой фазе. Приборы, в которых масс-спектрометрический детектор скомбинирован с газовым хроматографом, называются хромато-масс-спектрометрами («Хромасс»).

Многие органические соединения невозможно разделить на компоненты с помощью газовой хроматографии, но можно с помощью жидкостной хроматографии. Для сочетания жидкостной хроматографии с масс-спектрометрией сегодня используют источники ионизации в электроспрее (ESI) и химической ионизации при атмосферном давлении (APCI), а комбинацию жидкостных хроматографов с масс-спектрометрами называют ЖХ/МС (англ. LC/MS). Самые мощные системы для органического анализа, востребованные современной протеомикой, строятся на основе сверхпроводящего магнита и работают по принципу ионно-циклотронного резонанса. Они также носят название FT/MS, поскольку в них используется Фурье преобразование сигнала.

Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ, англ. HPLC, High performance liquid chromatography) — один из эффективных методов разделения сложных смесей веществ, широко применяемый как в аналитической химии, так и в химической технологии. Основой хроматографического разделения является участие компонентов разделяемой смеси в сложной системе Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий (преимущественно межмолекулярных) на границе раздела фаз. Как способ анализа, ВЭЖХ входит в состав группы методов, которая, ввиду сложности исследуемых объектов, включает предварительное разделение исходной сложной смеси на относительно простые. Полученные простые смеси анализируются затем обычными физико-химическими методами или специальными методами, созданными для хроматографии.

Принцип жидкостной хроматографии состоит в разделении компонентов смеси, основанном на различии в равновесном распределении их между двумя несмешивающимися фазами, одна из которых неподвижна, а другая подвижна (элюент).

Отличительной особенностью ВЭЖХ является использование высокого давления (до 400 бар) и мелкозернистых сорбентов (обычно 3—5 мкм, сейчас до 1,8 мкм). Это позволяет разделять сложные смеси веществ быстро и полно (среднее время анализа от 3 до 30 мин).

Метод ВЭЖХ находит широкое применение в таких областях, как химия, нефтехимия, биология, биотехнология, медицина, пищевая промышленность, охрана окружающей среды, производство лекарственных препаратов и во многих других.

По механизму разделения анализируемых или разделяемых веществ ВЭЖХ делится на адсорбционную, распределительную, ионообменную, эксклюзионную, лигандообменную и другие.

Следует иметь в виду, что в практической работе разделение часто протекает не по одному, а по нескольким механизмам одновременно. Так, эксклюзионное разделение бывает осложнено адсорбционными эффектами, адсорбционное — распределительными, и наоборот. При этом чем больше различие веществ в пробе по степени ионизации, основности или кислотности, по молекулярной массе, поляризуемости и другим параметрам, тем больше вероятность проявления другого механизма разделения для таких веществ.

Тонкослойная хроматография (ТСХ) является планарной разновидностью жидкостной хроматографии, в которой подвижная фаза (ПФ) движется в пористой среде слоя адсорбента.

Процесс подобен бумажной хроматографии, но его преимуществом является большая скорость анализа, более высокое качество разделения, и возможность выбора одной из неподвижных фаз, обладающей наиболее подходящими свойствами. В настоящий момент тонкослойная хроматография (ТСХ)является одним из основных методов анализа смесей органических веществ в научных лабораториях и полностью вытеснил бумажную хроматографию.

Хроматография — физико-химический метод разделения сложных смесей веществ, основной закон которого может быть сформулирован следующим образом: «любая жидкая или газообразная смесь веществ разделяется в процессе движения через слой сорбента, если существуют различия в сорбционном взаимодействии между компонентами смеси и сорбентом».

Заслуга создания хроматографии принадлежит русскому ученому М. С. Цвету, который своим методом разделения растительных пигментов заложил первый камень в фундамент современной хроматографии.

В настоящее время метод пополнился несколькими новыми плодотворными вариантами — ионообменная, осадочная, распределительная, хроматография и др. Примеры успешного применения метода для решения как теоретических, Так и практических вопросов разнообразных отраслей науки и техники множатся с каждым днем. Хроматография считается сейчас одним из лучших методов разделения смесей в аналитической химии.

Интерес к хроматографии со стороны судебных химиков неслучаен и органически связан с особенностями и главными чертами самого метода.

Возможность оперирования широким ассортиментом адсорбентов с различным механизмом действия придает методу хроматографии универсальный характер, что весьма важно для судебной химии.

Метод не имеет узких границ применения и используется для разделения веществ, весьма далеких друг, от друга по своей природе (например, сплавы и ферменты). Эта особенность его прямо соответствует одной из особенностей судебной химии — многообразию объектов исследования.

Вместе с тем хроматографический метод, позволяя работать с минимальными количествами смесей веществ, характеризуется высокой разделяющей способностью, прост по выполнению и экономичен в смысле затраты времени и труда.

Все это делает хроматографический метод анализа чрезвычайно перспективным в отношении применения к области судебной химии.

Накопленный теоретический и практический материал по хроматографии органических и неорганических веществ позволяет наметить основные пути и возможности применения этого ценного метода к решению ряда вопросов судебнохимической экспертизы. При этом в первую очередь следует обратить внимание на те разделы хроматографии, которые уже изучены в достаточной степени, черты и особенности которых определились (ионообменная, осадочная и распределительная хроматография) .

Наиболее важным нам представляется приложение хроматографии к решению практических задач судебной химии, в особенности химикотоксикологического анализа.

Хроматографический метод должен быть использован прежде всего непосредственно при исследовании объектов судебнохимического анализа для двух основных целей: для разделения смеси веществ с последующим качественным и количественным их определением любым методом и для непосредственной их идентификации.

Успех работы в этих случаях в значительной мере будет определяться правильным выбором того или иного варианта хроматографического метода с учетом как его собственных возможностей, так и целей, особенностей и условий, в которых производится анализ исследуемого вещества.

Например, при исследовании веществ,. извлекаемых подкисленным спиртом или подкисленной водой (алкалоиды, вещества синтетического происхождения), когда основной задачей судебного химика является качественное их обнаружение и часто возникает вопрос о разделении гомологов, когда самые вещества в итоге выделения из биологического материала могут быть получены в растворах малых объемов, но значительных концентраций, наиболее отвечающей задачам исследования является распределительная хроматография на бумаге. В то же время при исследовании группы металлических, ядов и мышьяка, когда перед су дебным химиком стоит задача не столько качественной, сколько количественной характеристики искомого вещества, когда работа производится со смесями веществ, находящихся в ионном состоянии, и объемы исследуемых растворов относительно велики, а концентрация исследуемого вещества мала,— наиболее эффективным будет использование ионообменной или осадочной хроматографии, сочетающих свойство разделения компонентов смеси со способностью их концентрирования.

Особый интерес представляет применение хроматографии для разработки дробных методов анализа в разделе тяжелых металлов и мышьяка.

Классический сероводородный метод разделения, как известно, страдает многими недостатками; так, сн связан со значительными потерями исследуемых веществ за счет большого числа операций и процессов соосаждения, с необходимостью работы с вытяжной системой, требует много времени и труда.

Нерентабельно применение этого метода при исследовании, например, катионов 3-й аналитической группы, определяемых уже в конце анализа, тем более что их судебнохимическое исследование в настоящее время производится лишь при специальном задании. Задача была бы значительно упрощена при разработке простых и удобных дробных методов обнаружения этих катионов. То же может быть отнесено и к исследованию катионов других групп.

Следует добавить, что представляет интерес разработка не только индивидуальных, но и групповых дробных методов определения.

Для судебной химии интересен тот факт, что процесс разделения, как показали наши опыты по определению, например, цинка, может быть осуществлен непосредственно с минерализатом, полученным разрушением биологического материала серной и азотной кислотами, т. е. в условиях сложного комплекса среды.

Хроматографические методы в ряде случаев могут быть использованы и в сочетании с другими методами разделения, например, в сочетании с тем же сероводородным методом или с экстракцией органическими растворителями. Так, Айзакс, Моррис и Стакки извлекают дитизонат ртути хлороформом, раствор пропускают через хроматографическую колонку с окисью алюминия, где происходит не только отделение ртути рт цинка и меди, но одновременно осуществляется и ее идентификация; ртуть далее может быть подвергнута количественному определению 2.

Разумеется, пути применения хроматографии в области судебной химии не исчерпываются вышесказанным. Мы не имеем возможности подробно остановиться, например, на использовании хроматографии для очистки судебнохимических реактивов от примесей, на применении ее в химико-криминалистическом анализе и т. д.

Для идентификации ядовитых и сильнодействующих веществ, выделенных из биологического материала, широко применяются методы физико-химического анализа: хроматография в тонком слое сорбента, колоночная хроматография, газовая хроматография, хромато-масс-спектрометрия, высокоэффективная жидкостная хроматография, микрокристаллоскопия, спектрофотометрия в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра.

Одним из доказательных и высокочувствительных методов является газовая хроматография, с каждым годом всё шире применяемая в экспертных исследованиях. С 1994 года нами используется метод газохроматографического обнаружения фосфорорганических пестицидов в биоматериале и разработан газохроматографический скрининг этих соединений и пиретроидов. При подозрении на отравление фосфорорганическими пестицидами или пиретроидами, прежде чем исследовать внутренние органы, проводилась предварительная идентификация этих соединений в крови, моче или содержимом желудка. Для этого использовались селективные детекторы: пламенно-фотометрический (селективен к фосфору и сере) для обнаружения фосфорорганических пестицидов и электронно-захватный (селективен к галогенам) для выявления пиретроидов. Анализ проводился на стеклянных набивных колонках. Система анализа включала в себя изолирование фосфорорганических пестицидов н-гексаном, концентрирование экстрактов при комнатной температуре и последующее их исследование на газовом хроматографе с использованием двух колонок с неподвижными жидкими фазами различной полярности 5% SE-30 и 5% OV-17, нанесёнными на твёрдый носитель Хроматон N-AW-DMCS или Инертон Супер. Температура колонки менялась в зависимости от исследуемого пестицида в диапазоне от 120 до 240 оС. Качественный анализ проводился по абсолютному или относительному времени удерживания вещества (по метафосу), а количественный анализ — методом внешнего стандарта. Предел обнаружения по базудину и фосфамиду составляет 0,5 мкг%, по карбофосу — 1,0 мкг%. После идентификации пестицида осуществляли его изолирование по общепринятым методикам и подтверждение методами хроматографии в тонком слое сорбента, микрокристаллическими реакциями и реакциями окрашивания. Метод газожидкостной хроматографии отличается высокой чувствительностью, что имеет немаловажное значение для проведения судебно-химических экспертиз и химико-токсикологических исследований.

Методы физико-химического анализа

Next Post

Previous Post

© 2020 NsmuBase

Проект winterweb.pro