Файл: УМКД-Токс.химия-2012-2013-рус.docx

• ультрамикроэлементы: Co, Cr, Ni, Ag, Be, Ga, Ge, Sc, Zr, Bi, Sb, U, Th, Rh.

При определении токсичности металлов и других элементов (например, селена, мышьяка) нужно учитывать уникальные и разнообразные физические и химические свойства этой группы токсикантов. Металлы не подвержены деградации естественным путем, что приводит к более выраженному их воздействию, чем у других, менее устойчивых токсичных веществ органичес­кой природы. Способность соединений металлов к ионизации в растворах влияет на абсорб­цию, распределение и выведение токсикантов. Существование элементов в окружающей среде, растительных и животных организмах в различных химических формах (элементная, ионная, ковалентная, в частности координационная) влияет на их химические и токсические свойства.

Химическое состояние и степень окисления металла в соединениях значительно влияют на их токсичность. Химическое состояние и степень окисления металла в соединениях значительно влияют на их токсичность. Соли металлов (ион­ная форма металлов) имеют токсические свойства, которые отличаются от таковых у металла, связанного в комплекс. Комплексы металлов в зависимости от геометрии молекул, природы лигандов, устойчивости и других факторов могут вести себя по-разному, что влияет на их аб­сорбцию и распределение в организме. Переход металла из одной формы в другую в условиях окружающей среды обусловлен био­геохимическими циклами.

Иллюстративный материал

1. Рис. 1. Зависимость доза—эффект: каждый эс­сенциальный элемент имеет диапазон оптималь­ных концентраций, обеспечивающий нормальную жизнедеятельность организма (3 — область МЛ Г).

Доза

1 — Недостаточность МЭ 2, 4 — Пограничные зоны 3 — Оптитмальный эффект 5 — Токсическое действие

3. Рис. 2. Синергическое и анта­гонистическое влияние элемен­тов на различные биохимические процессы и физиологические по­казатели.

Литература

1. Токсикологическая химия: метаболизм и анализ токсикантов: учебное пособие + СD/ под ред. Н.И. Калетиной. – М., 2008. – 1016 с. Переплет.

2. Токсикологическая химия: учебник / под ред. Т.В. Плетеневой. – 2-ое изд. – М., 2008. – 512 с. Переплет.

3. Крамаренко В. Ф. Токсикологическая химия / В. Ф. Крамаренко. - Киев, «Высшая школа», 1989.- 272 с.

4. Швайкова М.Д. Токсикологическая химия/ М.Д. Швайкова. - М., «Медицина», 1975.-376 с.

Контрольные вопросы (обратная связь)

1. Общая характеристика группы веществ, изолируемых из биологических объектов минера­лизацией.

2. Роль и значение макро- и мик­роэлементов в регулировании жизненных функций организма.

3. Физико-химические свойства и механизмы токсичности.

4. Вопросы токсикокинетики: всасывание, распределение, выведение

Тема 2 - Методы изолирования соединений тяжелых металлов и мышьяка из биологических объектов.

Цель: Ознакомить студентов с методами выделения из биологического материала соединений тяжелых металлов.

---

Тезисы лекции

В химико-токсикологическом анализе метод минерализации применяется при исследовании биологического материала (орга­нов трупов, биологических жидкостей, растений, пищевых про­дуктов и др.) на наличие так называемых «металлических ядов».

Оценка элементного статуса человека важна для определения влияния на здоровье человека дефицита, избытка или нарушения тканевого перераспределения макро- и микроэлементов.

Чтобы получить адекватные результаты анализа и избежать артефактов, необходимо выбрать наиболее подходящие для цели исследования биообъекты. Часто для определения элементов используют кровь, мочу, волосы, ткани органов, например костную. Концентрации элементов в моче и крови указывают на недавнее прямое или косвенное воздействие токсиканта, либо нарушение металолигандного гомеостаза вследствие других причин. Для выявле­ния состояния обмена элементов в организме и/или хронического токсичного воздействия отдельных металлов широко применяют исследование волос, содержание макро- и микро­элементов в которых отражается элементный статус организма в целом. Диагностическим тестом может служить содержание металла в конкретной форме. Изменение содержания элементов, кратковременное по экспози­ции и значительное по степени отклонения элементного статуса, отражается на концентрации элементов в жидких средах организма, которые являются информативными биосредами для целей как клинико-токсикологического, так и судебно-химического анализа. Сложность определения микроэлементов в биосистемах связана с чрезвычайно низкими концентрациями элементов в тканях и биожидкостях при условии их постоянного присутствия в организме, необходимого для обеспечения жизнедеятельности. Определение собственно хи­мических элементов брутто проводят после полной деструкции органической матрицы. Для исследования биологического материала на наличие «ме­таллических ядов» необходимо разрушить органические веще­ства, с которыми связаны металлы, и перевести их в ионное со­стояние. Методы, применяемые для этой цели, можно подразде­лить на две группы: методы сухого озоления и методы мокрого озоления, или мокрой минерализации. Выбор метода минерализации органических веществ зависит от свойств исследуемых элементов, количества пробы биологиче­ского материала, поступившего на анализ, и т. д.

Пробоподготовка к определению элементов в биообъекте состоит из 2 этапов: извлечения элементов из биологических проб путем деструкции биомолекул и перевода их в форму, удоб­ную для выполнения определения, обычно в раствор. Биосубстраты человека, используемые для элементного анализа, и способы пробоподготовки образцов приведены в табл. 1. Стадия пробоподготовки, которая называется минерализацией, одна из самых ответственных. Цель минерализации — ликвидировать органическую матрицу, не потеряв при этом опре­деляемые элементы. Традиционный (сухой) способ минерализации — прокаливание в муфель­ных печах (нагревание возможно до температуры 1150 ^СС). Мокрое озоление. наиболее распространенный способ минерализации, это обработка образца концен­трированными кислотами-окислителями, например азотной, серной, иногда хлорной. При определении макроэлементов используют классические методы в современном автома­тизированном варианте с помощью устройств, оснащенных микропроцессорами. В биомеди­цинских исследованиях, как правило, определяют общее количество элемента, содержащееся в различных биологических объектах. В зависимости от выбора метода измерения аналитического сигнала эффективной может быть пробоподготовка не только с полной, но и с частичной деструкцией матрицы.

---

С позиций ХТА общие подходы к преданалитической пробоподготовке определяются:

• типом анализа (направленный или ненаправленный. КТА или допинг-контроль и т.д.):

• типом биологической матрицы образца (биологические жидкости, ткани органов и др.);

• физико-химическими свойствами анализируемых веществ для выбора способа их изолиро­вания (экстракция, сорбция, перегонка с водяным паром, дистилляция, возгонка и др.):

• частными задачами ХТА (изолирование летучих и металлических ядов, пестицидов и др.):

• техникой проведения процедуры (лиофилизация, диализ и др.).

В практической деятельности химик-токсиколог при выборе наиболее рациональной техни­ки изолирования (схемы изолирования), как правило, должен учитывать все 5 позиций.

Соединения мышьяка относятся к числу веществ, проявляющих сильное ток­сическое действие на организм людей и животных. Отмечены случаи отравлений ангидридом мышьяковистой кислоты, арсенитами, арсенатами, хлоридом мышьяка (III), мышьяковистым водородом, органическими препаратами мышьяка и другими. В настоящее время неорганические соединения мышьяка в незначи­тельных количествах входят в состав общеукрепляющих и тонизирующих средств, содержатся в лечебных минеральных водах и грязях, а органические соединения мышьяка используются как противомикробные и противопротозойные препараты. Мышьяк, поступающий с пищей, легко всасывается в кровь и быстро выводится в равных количествах с мочой и калом. Мышьяк накапливается в печени, почках, селезенке, легких, стенке пищеварительного тракта. Основное депо мышьяка — эритроциты и селезенка. Мышь­як долго сохраняется в костях и волосах. При отравлении определяется содержание мышьяка в моче, волосах, ногтях. Применяемые в химико-токсикологическом анализе методы обнаружения мышьяка основаны на переведении его в мышьяко­вистый водород и на последующем определении мышьяковистого водорода при помощи реакции Зангер — Блека, реакции с раст­вором диэтилдитиокарбамата серебра в пиридине и реакции Марша. При всех этих реакциях из соединений мышьяка выде­ляется летучий и очень ядовитый мышьяковистый водород. Две первые реакции являются предварительными. При их отрицательном результате дальнейшее исследование минерализата на наличие мышьяка не производится. При положительном результате указанных реакций на мышьяк дополнительно выпол­няют реакцию Марша.

4. Иллюстративный материал

1. Таблица 1. Биосубстраты человека, используемые для элементного анализа, и способы пробоподготов­ки образцов

2. Русунок 1.

4. Реакция Марша основана на восстановлении соединений мышьяка водородом в момент его выделения и на последующем термическом разложении образовавшегося при этом мышьякови­стого водорода:

AsO_a + 7Н → AsH₈ + 2Н₂О;

2AsH₃→ 2As + 3H₂.

---

Рисунок 2. Реакцию Марша выполняют в специальном аппарате, который состоит из колбы 1, капельной воронки 2, хлоркальциевой трубки 3 и восстановительной трубки 4.

Таблица 3. Содержание мышьяка в биожидкостях и тканях организма человека при летальном исходе

При интоксикации концентрация мышьяка в цельной крови составляет 0,1 — 1,6 мг/л, в плазме — более 0,1 мг/л, в моче — более 0,1 мг/л, в волосах — 1—47 мг/кг. Токсическая доза мышьяка для человека 5—50 мг, летальная доза As₂O, — 50—340 мг.

5. Литература

1. Токсикологическая химия: метаболизм и анализ токсикантов: учебное пособие + СD/ под ред. Н.И. Калетиной. – М., 2008. – 1016 с. Переплет.

2. Токсикологическая химия: учебник / под ред. Т.В. Плетеневой. – 2-ое изд. – М., 2008. – 512 с. Переплет.

3. Крамаренко В. Ф. Токсикологическая химия / В. Ф. Крамаренко. - Киев, «Высшая школа», 1989.- 272 с.

4. Швайкова М.Д. Токсикологическая химия/ М.Д. Швайкова. - М., «Медицина», 1975.-376 с.

6. Контрольные вопросы (обратная связь)

1. Элементный статуса человека - содержание макро- и микро­элементов, его значение

2. Общие методы изолирования соединений тяжелых металлов из биологических объектов - традиционный

3. «Мокрый» метод минерализации.

4. Методы изолирования мышьяка из биологических объектов.

Тема 3 - Дробный метод анализа «металлов». Особенности. Принципы и способы разделения ионов металлов. Органические реагенты в дробном методе анализа. Дробный анализ на отдельные ионы. Методы количественного определения «металлических» ядов.

Цель: Ознакомить студентов с дробным методом анализа металлических ядов.

Тезисы лекции

Для обнаружения и количественного определения «металли­ческих ядов» используются минерализаты, полученные после раз­рушения биологического материала, содержащего эти яды. Обна­ружению ионов исследуемых металлов могут мешать ионы дру­гих элементов, в том числе и элементов, содержащихся в биоло­гическом материале как естественная составная часть тканей и жидкостей организма. В химико-токсикологическом анализе для обнаружения ионов металлов в минерализатах применяется систематический ход анализа и дробный метод.

Систематический ход анализа основан на последовательном выделении из растворов отдельных групп ионов, на подразделе­нии этих групп на подгруппы и на выделении отдельных ионов из подгрупп. Выделенные из растворов ионы определяют при помощи соответствующих реакций.

Дробный метод анализа. Основоположником дробного метода анализа, применяемого в современной аналитической химии, является советский учёный Н. А. Тананаев. Большая заслуга в разработке методик дробного анализа «металлических ядов» и внедрении этих методик в практику химико-токсикологического анализа принадлежит А. Н. Крыловой и сотр.

Дробный метод основан на применении реакций, с помощью которых в любой последовательности можно обнаружить иско­мые ионы в отдельных небольших порциях исследуемого рас­твора. Пользуясь дробным методом, отпадает необходимость вы­деления исследуемых ионов из растворов.

---

Для обнаружения соответствующих ионов дробным методом необходимо применять специфические реактивы, позволяющие обнаружить искомый ион в присутствии посторонних ионов. Однако не всегда можно подобрать специфические реакции для обнаружения искомых ионов. В этих случаях в дробном анализе пользуются специальным приемом (маскировкой), с помощью которого устраняется влияние мешающих ионов.

Обнаружение искомых ионов дробным методом производится в два этапа. Вначале устраняют влияние мешающих ионов с по­мощью соответствующих реактивов или их смесей, а затем при­бавляют реактив, дающий окраску или осадок с искомым ионом.

Маскировка ионов является одной из важнейших операций в дробном анализе. Маскировкой называется процесс устранения влияния мешающих ионов, находящихся в сложной смеси, на обнаружение искомых ионов. Основным способом маскировки мешающих ионов, который применяется в аналитической химии и в химико-токсикологиче­ском анализе, является комплексообразование. В дробном анализе «металлических ядов» для маскировки мешающих ионов применяются цианиды, фториды, фосфаты, тиосульфаты, тиомочевина и другие вещества.

Демаскировкой называют процесс осво­бождения ранее замаскированных ионов от маскирующих реак­тивов. В результате демаскировки ранее замаскированные ионы восстанавливают способность вступать в реакции с соответствую­щими реактивами. Демаскировка в основном осуществляется раз­ложением комплексных ионов, которые ранее образовались в процессе маскировки.

Для обнаружения ионов металлов, содержащихся в минерализатах, применяют реакции образования осадков, микрокристаллоскопические и цветные реакции. В ряде случаев для этой цели применяются физико-химические методы.

Для количественного определения «металлических ядов» в химико-токсикологическом анализе применяются гравиметри­ческие, титриметрические и фотоколориметрические методы. Большинство ионов металлов, находящихся в минерализате (или в деструктате), определяют фотоколориметрическим мето­дом.

4. Иллюстративный материал

Реактивы, применяемые в дробном анализе «металлических ядов» для маскировки ионов

В дробном анализе «металлических ядов» для маскировки мешающих ионов применяются цианиды, фториды, фосфаты, тиосульфаты, тиомочевина и другие вещества.

1. Цианиды. Применение цианидов для маскировки ионов основано на том, что с их помощью мешающие ионы можно пере­вести в комплексы:

[Со(СN)₆]^4-, [Fe(CN) ]^4-, [Fe(CN)₆]^3-, [Ni(CN)₆]^4-, [Zn(CN)₄]^2-, [Cd(CN)₄]^2-, [Hg(CN)₄]^2-, [Ag(CN)₂]^-.

Образование цианидных комплексов меди происходит в 2 эта­па. Вначале восстанавливаются ионы меди (II), а затем обра­зуется комплексный ион:

CuS0₄ + 2KCN → Си (CN)₂ + K₂SO₄;

2Си (СN)₂ → 2CuCN + (CN)₂;

CuCN + 3KCN → K₃ [Си (CN)₄].

2. Фториды. Фториды часто используются для маскировки ионов железа (III), с которыми они образуют бесцветные устойчивые ком­плексные ионы [FeF₆]^3-.

---