Марганец

Марганец входит в состав многих ферментов, играет важную роль в процессах роста, кроветворения, образования костной ткани.

Суточная потребность в марганце 5-10 мг.

В растительных пищевых продуктах (семена бобовых, злаковых растений, чай) марганца содержится больше, чем в животных.

Недостаточность марганца у человека была описана в 1974 г. Вследствие исключения марганца из рациона наблюдали быструю потерю массы тела, тошноту и рвоту, изменение цвета волос. Недостаточность марганца часто фиксируют при различных формах анемии. Недостаточность марганца в пище может привести к развитию остеопороза, причем прием кальция усугубляет его дефицит, так как затрудняет его усвоение в организме.

Основными источниками марганца являются (мкг/100 г): фундук – 4200, черная смородина – 1300, капуста белокочанная – 300, картофель – 170, рыба и рыбопродукты – 100-120.

ХРОМ

Хром широко распространен в земной коре, он составляет 0,04% твердой породы. Хром в основном применяется в металлургической промышленности для получения нержавеющих сталей и для покрытия металлических изделий с целью коррозионной защиты, в частности, металлических консервных банок. Феррохром и хром используются в промышленности в качестве легирующих добавок, для получения красок и в полиграфической промышленности. Дубление соединениями хрома является традиционным способом изготовления кожаных изделий. Хроматы добавляют в качестве антикоррозионных агентов в воду, а присутствие их в сточных водах приводит к значительному выделению промышленных хроматов в окружающую среду.

Хром в небольших количествах находится в большинстве пищевых продуктов и напитков.

Среднее суточное потребление хрома с пищей составляет приблизительно 50 – 80 мкг.

Установлено, что содержание хрома в продуктах питания, производимых в США, колеблется от 0,175 до 0,470 мг/кг.

Хром усиливает действие инсулина во всех метаболических процессах, регулируемых этим гормоном.

Суточная потребность в хроме колеблется в пределах 50 – 200 мкг.

При недостаточности хрома у человека отмечаются снижение толерантности к глюкозе, повышение концентрации инсулина в крови.

Наиболее значимые пищевые источники хрома – черный перец, телячья печень, проросшие зерна пшеницы, пивные дрожжи, хлеб из муки грубого помола. Особенно важно, что хром в этих продуктах содержится в биологически активной и легкоусвояемой форме.

Методы минерализации

Минерализация – это окисление (сжигание) органического вещества (объекта) для освобождения металлов из комплексов с белками и др. соединениями. Наиболее широко распространенные методы минерализации можно разделить на 2 большие группы:

1. Частные методы (методы “сухого озоления”) – минерализация путем простого сжигания или сплавления со смесью нитратов и карбонатов щелочных металлов. К числу частных методов относится и метод частичной минерализации (деструкция), служащий для изолирования ртути из биологических объектов.

Метод простого сжигания основан на нагревании органического вещества (объекта) при высокой температуре при доступе воздуха. Сухое озоление проводят в фарфоровых, платиновых или кварцевых тиглях. На исследование берут небольшие навески (1-3 г), температура нагревания достигает 300-400 ^о С. Метод применяется при специальных заданиях по обнаружению катионов марганца, меди, цинка, висмута, особенно в тех случаях, когда объект либо очень эластичен, трудноразрушаем, либо его количество ограничено. Метод имеет определенные недостатки:

1. При нагревании возможно улетучивание металлов в виде солей или в индивидуальном виде, т.к. при нагревании в условиях проведения сухого озоления не всегда удается контролировать температуру. Даже при относительно невысокой температуре улетучиваются соединения ртути и таллия, а при температуре свыше 400 ^оС - хлориды кадмия, свинца, серебра, цинка, марганца, мышьяка.

2. Возможно взаимодействие некоторых металлов с материалом тигля, например, цинк, свинец, серебро могут реагировать с кварцем и фарфором, а кобальт может сплавляться с платиной.

Метод сплавления с нитратами щелочных металлов в химико-токсикологическом анализе применяется чаще, чем сухое озоление. Биологический материал нагревают с расплавленными нитратами щелочных металлов. Но с чистыми нитратами окисление идет очень быстро, особенно при повышенных температурах, при этом может наблюдаться выбрасывание пробы из тигля. Поэтому, для предотвращения бурного протекания реакции при сплавлении применяют смесь нитратов с карбонатами щелочных металлов.

2. Общие методы (методы “мокрой минерализации”) применяются 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 хлорат калия 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.

Методы “мокрой минерализации”

Первый метод минерализации биологического материала при химико-токсикологических исследованиях с использованием в качестве окислителя кислоты азотной концентрированной предложил русский ученый Нелюбин А.П. Этот метод сыграл большую роль в развитии химико-токсикологического анализа. Однако разрушение биологического материала при нагревании с конц. HNO₃требует большой затраты времени, реагент слабо окисляет жиры. В дальнейшем в качестве окислителя использовалась кислота серная концентрированная, действующая одновременно и как дегидратирующий агент. Однако, этот процесс тоже был весьма продолжительным по времени, и в процессе минерализации образовывались неразлагающиеся обуглившиеся остатки. Для устранения этих недостатков в 1821 году М.Ж.Орфила предложил применять смесь концентрированных серной и азотной кислот. Этот метод был модифицирован и применен для целей химико-токсикологического анализа в 1908 году П.К.Равданикисом. До настоящего времени этот метод находит применение в практике Бюро СМЭ и является по сути дела основным методом минерализации.

Метод минерализации смесью концентрированных серной,

азотной кислот и воды (1:1:1)

Процесс разрушения биологического объекта протекает в 2 стадии:

1. Стадия деструкции, на которой 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. Менее всего подвержены разрушению на первой стадии жиры. На первой стадии нагревание не должно быть сильным, чтобы избежать подгорания объекта или сильного пенообразования и выброса частиц объекта из колбы. Поэтому, в начале процесса колбу Къельдаля закрепляют над плиткой на расстоянии 1-2 см. Температура не должна превышать 110 ^о С. Эта стадия непродолжительна по времени, длится от 15 до 40 минут. По окончании деструкции получается прозрачная желтовато-бурая жидкость, иногда с пленкой жира, т.к. на этой стадии все элементы объекта разрушены, кроме жиров.

На стадии деструкции конц. H₂SO₄ 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 конц. HNО₃.

Роль окислителя на первой стадии выполняет конц. HNО_3. Азотная кислота, свободная от окислов азота, что наблюдается в самом начале минерализации, почти инертна. Под влиянием индуцирующих веществ в процессе окисления биоматериала часть азотной кислоты разлагается до азотистой кислоты и оксидов азота, которые являются катализаторами окисления. Под их влиянием и с повышением температуры азотная кислота проявляет себя как сильный окислитель. Идет интенсивный автокаталитический процесс окисления органических веществ:

2. Стадия глубокого жидкофазного окисления. Колбу Къельдаля опускают на плитку и усиливают нагревание. На этой стадии происходит окончательное разрушение органических веществ. Полностью разрушаются и жиры, которые на первой стадии почти не пострадали под действием азотной кислоты. В процессе окисления необходимо по каплям постоянно добавлять в колбу разведенную азотную кислоту 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 остается бесцветной;

- минерализат не темнеет в течение 30 минут без добавления

азотной кислоты.

Роль окислителя на этой стадии играет концентрированная серная кислота (её концентрация повышается в смеси до 60-70%, температура превышает 110^оС). Она разлагается с выделением оксида серы (IV) и активного кислорода.

В процессе минерализации происходит не только разрушение органических веществ, но и ряд побочных реакций, имеющих негативное значение:

А) Серная кислота в высоких концентрациях сульфирует органические вещества, а азотная кислота, особенно в присутствии серной кислоты, – нитрует их. Сульфо- и нитросоединения очень прочные, трудно поддаются воздействию окислителей, что влечет за собой неполное разрушение биообъекта. Эти негативные процессы можно значительно уменьшить. Это достигается использованием не концентрированных кислот, а частично разбавленных добавлением в окислительную смесь воды (вспомните соотношение реагентов в окислительной смеси). При разбавлении H₂ SO₄ и HNO₃ водой степень нитрования и сульфирования значительно снижается.

Б) Ещё одна побочная реакция связана с образованием нитрозилсерной кислоты при взаимодействии оксидов азота с концентрированной серной кислотой.

Нитрозилсерная кислота очень устойчива к температуре, однако легко гидролизуется. Реакция гидролиза обратима.

Нитрозилсерная кислота является источником окислителей в минерализате, что мешает в дальнейшем обнаружению некоторых катионов металлов. Чтобы избавиться от негативного воздействия нитрозилсерной кислоты, её удаляют путем проведения денитрации.

Достоинства метода: 1. Сравнительно быстрое достижение полноты разрушения органических веществ.

2.Полнота разрушения объекта обусловливает большую чувствительность методов анализа катионов металлов.

3. Малый объем получаемого минерализата, что также повышает чувствительность методов анализа.

Основным недостатком метода являются большие потери Hg (до 90-98%) за счет её летучести. Поэтому изолирование ртути в виде ионов проводят в отдельной навеске биообъекта частным методом изолирования (методом деструкции), который исключает использование высоких температур, процесс ведется в присутствии катализатора (этанола).

Метод минерализации смесью серной, азотной и хлорной кислот (1:1:1)

Хлорную кислоту в качестве окислителя в аналитической химии впервые применил А.Щербак в 1893 году.

В качестве окислительной смеси при изолировании этим методом используют смесь из равных объемов конц. H₂SO₄, конц.HNO₃ и 37% или 42% HClO₄. Методика выполнения изолирования аналогична первому методу, однако второй метод имеет ряд несомненных достоинств:

1. Высокая скорость минерализации, сокращение в 2-3 раза затрат времени в сравнении с первым методом.

2. Очень высокая полнота окисления органических веществ (до 99%), что обусловлено способностью хлорной кислоты разрушать вещества стойкие или медленно разлагающиеся другими окислителями.

3. Окисление большинства поливалентных металлов до высших степеней окисления.

4. Небольшой расход окислителей.

5. Малый объем получаемого минерализата, что повышает чувствительность методов анализа.

Основной недостаток тот же, что и у первого метода – возможность практически полной потери ртути. Однако есть еще одна опасность при использовании хлорной кислоты в составе окислителей – это взрывоопасность и токсичность хлорной кислоты. Безводная хлорная кислота нестойкая, может взрываться при хранении при повышенной температуре или при соприкосновении с некоторыми органическими соединениями. Это требует соблюдения особых мер предосторожности при работе с хлорной кислотой.

При любом способе минерализации следует соблюдать меры предосторожности, т.к. возможны термические ожоги, выбрасывание горячих кислот из колб и даже взрывы (особенно при использовании в качестве окислителей пергидроля, хлорной кислоты и хлората калия).. Поэтому следует пользоваться защитными очками, работать в вытяжных шкафах с хорошей тягой.

Нельзя не остановиться ещё на одном очень важном этапе исследования «металлических ядов» - проверке чистоты реактивов. Недостаточно чистые кислоты-окислителм могут загрязнять минерализаты соединениями металлов, при этом количество примесей может оказаться весьма значительным, что послужит основанием для ошибочного заключения о наличии «металлических ядов» в биоматериале и причине отравления. Чтобы исключить ошибку, необходимо применять кислоты, свободные от примесей. Если степень их чистоты неизвестна, то проводят «холостой опыт», т.е. берут реактивы в нужных для методики количествах и полностью воспроизводят её. Только при отрицательных эффектах реакций обнаружения металлов, делают вывод о пригодности кислот для использования в процессах минерализации.

Независимо от того, каким методом проводилась минерализация биологического материала, минерализат в большинстве случаев содержит окислители, которые помешают дальнейшему проведению анализа. Это – азотная, азотистая кислоты, оксиды азота, нитрозилсерная кислота. Для их удаления используются методы денитрации. Применяемые ранее гидролизный метод, метод денитрации мочевиной, сульфитом натрия практически вытеснены методом денитрации формальдегидом. Метод предложен в 1952 году Т.В.Зайковским. Процесс денитрации заканчивается за 1-2 минуты, избыток непрореагировавшего формальдегида легко удаляется при нагревании в течение 5-10 минут. Для проверки полноты денитрации минерализата проводят реакцию с дифениламином в среде концентрированной серной кислоты.

Полученную после минерализации жидкость, в которой металлы находятся в виде сернокислых солей, разбавляют водой до определенного объема в мерной колбе (200мл) и используют для проведения качественного анализа “дробным” методом и количественного определения.

Объектами исследования на «металлические яды» являются органы и ткани организма человека, чаще всего это печень, почки, желудок и др. Количество исследуемого материала зависит от общей массы объекта, от обстоятельств дела и других факторов, в среднем навеска биоматериала составляет 100 г. Минерализацию разнохарактерных объектов проводят отдельно, не смешивая. Это необходимо для получения объективных результатов анализа и правильной судебно-медицинской оценки.