Хроматография в криминалистике

 

Рождение хроматографии связано с именем русского биолога Михаила Семеновича Цвета (1872-1920). Свои первые хроматографические эксперименты он поставил для того, чтобы разделить на отдельные пигменты хлорофилл - растительный экстракт, окрашенный в зеленый цвет. Ученый предположил, что хлорофилл представляет собой не индивидуальное соединение, а смесь нескольких компонентов.

Прежде всего он очень мелко растер сухие зеленые листья, полученный порошок обработал этанолом, и вскоре спиртовая вытяжка окрасилась в зеленый цвет, потому что этанол извлек хлорофилл. Затем он взял стеклянную трубку, заполнил ее толченым мелом и сверху налил только что полученную окрашенную в зеленый цвет спиртовую вытяжку, содержащую хлорофилл. Верхний слой мела в трубке окрасился в зеленый цвет, получилось зеленое кольцо, а снизу из трубки начал капать бесцветный этанол. Затем в трубку был налит чистый бензол; по мере прохождения бензола зеленая кольцевая зона сначала увеличивалась, а затем разделилась на несколько разноцветных колец. Постепенно по длине трубки сверху вниз образовалось шесть самостоятельных кольцевых зон: желтая, желто-зеленая, темно-зеленая и три желтых кольца.

Т.е. насыпанный карбонат кальция СаСО₃ адсорбировал из раствора отдельные компоненты смеси, которая придает листьям зеленую окраску - хлорофилл.

Если через слой адсорбированного вещества пропускать соответствующий растворитель, начнется процесс, обратный адсорбции, и часть адсорбированных молекул вновь перейдет с поверхности адсорбента в раствор. Подобный процесс называется десорбцией. В реальных экспериментах процессы адсорбции и десорбции разделить во времени нельзя, потому что они протекают параллельно друг другу. Однако, правильно подобрав условия эксперимента, можно добиться того, что определяющую роль станет играть лишь один из этих процессов, поскольку скорость протекания этого процесса значительно превысит скорость другого, конкурентного. Если проследить за перемещением вещества по хроматографической колонки, окажется, что на своем пути оно то задерживается на поверхности адсорбента, то вновь переходит в раствор.

Вещество, которое в виде раствора перемещается под действием силы тяжести по колонке, распределяется между поверхностью твердого тела (здесь мела) и растворителем (здесь бензолом). В результате одна часть молекул этого вещества как бы закрепляется на твердой поверхности, а другая - остается в растворе. Сколько адсорбируемого вещества окажется на поверхности, а сколько в растворе, зависит от свойств этого вещества, а также от свойств твердого тела и особенностей его поверхности, от природы растворителя и количественного соотношения фаз, т.е. твердого вещества - мела, растворителя - бензола и разделяемого вещества - хлорофилла, и, конечно, от температуры колонки.

Первая стадия опыта проходила в условиях, благоприятных для процессов адсорбции: на порошке мела (карбоната кальция), то есть на так называемой неподвижной фазе, адсорбировались компоненты растворенные в этаноле, иначе говоря, компоненты подвижной жидкой фазы. При этом все окрашенные пигменты перешли из раствора на поверхность частичек карбоната кальция. Затем через ту же колонку стали пропускать бензол, а поскольку он очень легко растворяет пигменты хлорофилла, на этой стадии опыта определяющую роль играли процессы десорбции. Пигменты, придающие листьям зеленый цвет, перешли в раствор и начали перемещаться вниз по колонке. Но, как только пигменты попали на свободную поверхность частичек мела, некоторые красящие вещества из их смеси тут же закрепились на ней, то есть пигменты вновь распределились между раствором бензола и мелом. Но едва этот процесс завершился, сверху начинают поступать новые порции бензола и начинается новое перераспределение компонентов бензольного раствора. Такая смена циклов адсорбции и десорбции происходит до тех пор, пока пигменты в конце концов не дойдут до выхода из колонки.

Если в колонке находится вещество, состоящее из молекул одинакового размера, то все эти молекулы перемещаются по высоте колонки приблизительно с одинаковой скоростью, потому что каждая молекула не отличается от другой ни по времени, проведенном на поверхности адсорбента, ни по времени пребывания в растворе. Если вещество состоит из различных молекул, эти параметры (времена) для молекул разные. По этой причине и отделились друг от друга различные пигменты в колонке, приготовленной Цветом, а затем они образовали отдельные кольцевые зоны. Самое нижнее кольцо, наиболее удаленное от входа (верха) колонки, принадлежало веществу, которое с карбонатом кальция связывалось наименее прочно, и большую часть времени его молекулы провели в бензольном растворе. А ближе всех к входу колонки расположилось кольцо с «медлительными» молекулами, потому что они очень прочно удерживались карбонатом кальция.

Получив на колонке отдельные кольцевые зоны, Цвет осторожно выдавил содержимое колонки из стеклянной трубки, вырезал эти кольца и растворил вещества, адсорбированные на карбонате кальция. После этого он легко доказал, что хлорофилл не является индивидуальным веществом, а представляет собой смесь двух пигментов - желто-зеленого и темно-зеленого. В кольце, окрашенном в желтый цвет, были обнаружены, кроме того, другие растительные пигменты - ксантофиллы. Так был открыт метод, который позволил не только установить качественный состав веществ, элюированных с колонки, но и определить количества этих веществ.

Этот метод Цвет назвал хроматографией, что по-гречески означает запись цвета. Окрашенной картине, которая возникает при разделении компонентов он дал название хроматограммы.

Методика обнаружения растительных пигментов дошла до наших дней почти в неизменном виде. Эта методика оказала большую помощь в разоблачении одного молодого злоумышленника, который занимался поджогом стогов сена. Последовательность действий поджигателя была всегда одинакова. Вначале он оповещал дежурных о пожаре, причем делал это он часто еще до поджога, а убедившись, что огонь начинает полыхать, он выбирал отдаленное укромное местечко и оттуда наблюдал за развитием событий. Точно так же он вел себя и во время своего последнего «подвига» и оповестив о пожаре, выбрал себе укромную полянку, укрылся за кочкой и «любовался» зрелищем пожара, а затем его тушением.

После того как пожар был потушен, полицейские стали прочесывать окружающую местность, и вскоре им в глаза бросилась примятая трава, которая сохранила форму лежащего человека. К тому же они сразу поняли, что с этой полянки было удобнее всего наблюдать и за пожаром, и за суматохой, связанной с тушением огня. Предположив, что они наткнулись на следы злоумышленника, полицейские ускорили поиски и вскоре задержали молодого человека в джинсах и свитере. Одежда этого человека была покрыта зелеными пятнами, которые, как показали результаты хроматографического анализа, представляли собой следы травяного покрова. После тщательной «чистки» одежды с ее поверхности были выделены остатки трав и частички земли, по составу не отличавшиеся от растений и следов почвы, найденных на том участке полянки, где полицейские наткнулись на примятый травяной покров. Как только подозреваемого ознакомили с доказательствами, которые ясно говорили, что именно он укрывался за кочкой, тот рассказал о поджогах.

Открытие Цвета долго не находило практического применения. О нем вспомнили лишь незадолго до начала второй мировой войны, то есть в те годы, когда начал стремительно развиваться промышленный органический синтез. Для того чтобы освоить новые технологические процессы, было необходимо усилить контроль и за соблюдением технического регламента, и за составом продуктов производства. Так, быстрое развитие фармацевтической промышленности стало возможно только после того, как были разработаны методики анализа лекарственных препаратов на содержание даже очень малых примесей; ведь эти примеси вместе с лекарствами попадают в организм человека. Во время поисков надежных методов анализа и вспомнили об уже забытых работах Цвета; хроматография возродилась как метод разделения разнообразных смесей.

Еще в прошлом веке был разработан целый ряд методов качественного и количественного анализа неорганических веществ, однако аналитическая химия органических соединений долгое время находилась на весьма примитивном уровне. Такой разрыв, вероятно, связан с тем, что число органических соединений необычайно велико.

Конечно, способы определения органических веществ были известны давно, но все они были разработаны для анализа индивидуальных соединений и присутствие посторонних соединений приводило к искажению результатов анализа. Так, если смесь состоит из спиртов, содержащих 5 и 6 атомов углерода, и оба индивидуальных компонента находятся приблизительно в равных соотношениях, то состав классическими методами анализа установить трудно. Трудности возникнут и в том случае, если один из спиртов присутствует в очень большом избытке по отношению к другому. В таком случае выходом является предварительное разделение смеси на отдельные компоненты.

В первых работах по применению хроматографии методика Цвета подверглась усовершенствованию, но принцип разделения сохранился без существенных изменений. Твердую неподвижную фазу, которой в опытах русского биолога была набита колонка, некоторые исследователи стали насыпать тонким слоем на тонкую пластинку. В таких экспериментах можно было непосредственно наблюдать за тем, как разделяются даже неокрашенные соединения, и, для того чтобы видеть результаты разделения, им уже не надо было, как это делал Цвет, извлекать адсорбент из набитой колонки. Поскольку процесс разделения происходит в тонком слое предварительно высушенного адсорбента, который наносят на пластинку, метод получил название тонкослойной хроматографии.

Суть метода заключается в следующем. На слой адсорбента на расстоянии около 2 см от края пластинки, то есть на стартовую линию, наносят каплю исследуемого вещества. Затем на дно какой-нибудь плоскодонной емкости наливают растворитель (он выполняет в данном случае роль подвижной фазы) и, когда проба высохнет, пластинку подносят к раствору и закрепляют ее в таком положении, чтобы край пластинки лишь касался поверхности раствора. Жидкость смачивает адсорбент и попадает в его поры, где под действием сил поверхностного натяжения молекулы растворителя начинают продвигаться вверх подобно жидкости в стеклянных капиллярах, при этом молекулы растворенного вещества взаимодействуют с адсорбентом путем чередования циклов адсорбции и десорбции. Как и в опытах Цвета, различные соединения продвигаются по пластинке с разными скоростями и, когда это продвижение завершится, разделенные вещества будут находиться на максимальном расстоянии друг от друга. Окрашенные вещества сразу же проступают в виде отдельных разноцветных пятен; в случае бесцветных веществ пластинку обрабатывают специальными реагентами.

Когда аналитик приступает к хроматографическому анализу, ему необходимо знать, какие вещества может содержать данный образец, потому что в зависимости от предполагаемого состава он должен подобрать тип адсорбента неподвижной фазы и состав растворителя - подвижной фазы, а также задать температуру и время разделения. Кроме того, необходимо подыскать «свидетеля», который также наносится на пластинку для сравнения. Обычно аналитикам заранее сообщают предполагаемый состав анализируемого образца и просят лишь подтвердить или опровергнуть это предположение. Химикам, работающим в криминалистических лабораториях, в сущности приходится сталкиваться с теми же самыми вопросами.

Тонкослойная хроматография приходит на помощь аналитикам и тогда, когда они не располагают никакими данными о составе образцов, поступивших на анализ. Правда, этот метод не дает возможности выяснить их количественный химический состав, но он позволяет получить важную информацию, опираясь на которую можно планировать дальнейшие аналитические исследования. Так, применяя тонкослойную хроматографию, удается ответить на вопрос, в каком растворителе вещества, нанесенные на стартовую линию, начинают перемещаться по пластинке, а в каком остаются без движения. Кроме того, с помощью этого метода можно получить представление о том, сколько компонентов входит в состав анализируемой смеси, и даже установить соотношение этих компонентов.

Допустим, что к нам попала неизвестная смесь, и мы не знаем, сколько веществ входит в ее состав. Нанесем эту смесь из капилляра на стартовую линию, а в стороне на эту же линию поместим каплю индивидуального вещества - «свидетеля», присутствие которого в данном образце мы хотим проверить. Конечно, для того чтобы сократить время, необходимое для исследования образца, лучше всего на пластинку нанести несколько индивидуальных веществ. Если мы видим, что обе зоны переместились на одинаковое расстояние от стартовой линии, можно предположить, что они обусловлены присутствием одного и того же вещества. Но чтобы доказать это предположение, надо провести какую-то реакцию, используемую для обнаружения этого вещества. Если предположение об идентификации правильно, после опрыскивания зон соответствующим реагентом изменения зоны «свидетеля» и определяемого вещества должны быть одинаковы.

Приведем пример конкретного применения тонкослойной хроматографии для проведения судебно-химической экспертизы.

Девушка, написав расписку очень торопилась, и вместо суммы прописью указала цифру - 500. Когда «кредитор» потребовал сумму в 5000 девушка не согласилась с выдвинутыми требованиями - расписку передали на экспертизу. Вначале она попала к эксперту-графологу, и он попытался сравнить особенности написания последней цифры «0» с почерком автора расписки. Однако установить наличие подделки в данном случае, когда речь идет об одном знаке - практически неразрешимая для графолога задача.

Затем за дело взялся эксперт-химик, которому предстояло выяснить, написаны ли текст и все три нуля одними и теми же чернилами. Вот как происходило расследование. Прежде всего эксперт вырезал из расписки образцы-кружочки бумаги диаметром ~0,5 мм так, чтобы в образец попала часть каждой цифры «нуль»; затем кружочки были помещены на стартовую линию пластинки с тонким слоем адсорбента. Край пластинки погрузили в соответствующий растворитель, выдержали необходимое время и хроматограмму проявили. После проявления на пластинке выступило пять зон, но если зоны от двух нулей находились на том же самом расстоянии от стартовой линии, что и зоны от букв текста, то зона от третьего нуля находилась на значительном удалении от остальных пятен. На этом основании был сделан вывод, что последняя цифра в расписке написана совсем другими чернилами.

Оставалось разобраться, почему так сильно различаются между собой цифры на расписке. На пластинку нанесли образец чернил, которыми обычно пользуется девушка, и по сложению пятен на хроматограмме было установлено, что точно такими же чернилами написан текст расписки. У сотрудника, требовавшего возврата долга, не удалось получить образец чернил, идентичных с чернилами третьего нуля на расписке. Однако, как только в руки эксперта-химика попал текст, написанный ранее рукой этого сотрудника, он с помощью метода тонкослойной хроматографии сразу же выяснил, что автор текста и человек, «подрисовавший» нулик на расписке, одно и то же лицо.

Все вещества, нанесенные на стартовую линию пластинки, после проявления остаются на ней в виде зон, и их можно использовать для количественного анализа. С этой целью зоны хорошо разделенных веществ иногда прямо вместе с адсорбентом снимают с хроматограмм, переводят в раствор и затем с помощью тех или иных методов определяют их состав. Однако чаще количественный анализ разделенных веществ проводят непосредственно на самой хроматограмме.

Токсикология

Яды

криминалистический химический хроматография дактилоскопия

Токсикологическая химия - наука, изучающая методы выделения токсических веществ из различных объектов, а также методы обнаружения и количественного определения этих веществ.

Яды, они же токсические вещества, это химические вещества, способные при попадании в организм в достаточных дозах вызывать интоксикацию (отравление) или смерть. Яды могут попасть в организм через рот, легкие или кожу, либо абсорбироваться на коже при контакте с ней.

Один из возможных способов классификации ядов основан на объединении их в группы по химическим и физическим признакам, например кислоты, щелочи, алкалоиды, промышленные растворители, неорганические соединения, органические соединения, ядовитые газы, ядовитые пищевые продукты.

Кроме того, яды можно классифицировать по их физиологическому действию. Ряд химических веществ выступает в качестве ядов местного действия; в их числе:

) едкие вещества, разрушающие ткани при непосредственном контакте (неорганические кислоты, едкие щелочи и фенол);

) раздражающие вещества, в частности соединения мышьяка, свинца, ртути, цинка.

) яды системного действия; они попадают в кровоток и воздействуют на сердце, почки, нервную систему и другие жизненно важные органы. К этому типу относятся цианиды, снотворные, производные опия и стрихнин.

 

Определение яда

 

Определить яд только по симптомам чрезвычайно трудно. Перитонит и острое несварение желудка похожи на отравление кислотами и соединениями металлов; апоплексия, эпилепсия и кровоизлияние в мозг - на отравление наркотиками; симптомы сотрясения мозга - на опьянение. Снотворные и алкалоиды часто вызывают расширение или, наоборот, сужение зрачков. По запаху выдыхаемого воздуха можно определить отравление аммиаком, уксусной кислотой и цианидом (запах горького миндаля).

Синюшность кожи (цианоз), появляющаяся при поверхностном дыхании, указывает на яды с разъедающим действием, соединения свинца или ядовитые пищевые продукты. Повреждение ротовой полости и тканей желудка, сопровождающееся рвотой с кровью и слизью, вызывается отравлением сильными кислотами и щелочами. Головокружение, рвота и понос предполагают воздействие раздражителей желудочно-кишечного тракта, отравление пищевыми продуктами или соединениями металлов типа свинца, мышьяка и меди. Аконит, мышьяк и свинец вызывают паралич.

Главными источниками случайных отравлений со смертельным исходом служат этиловый (винный) спирт, наркотики (героин и кокаин), барбитураты, свинец, метиловый (древесный) спирт и четыреххлористый углерод. При самоубийствах чаще всего отравляются барбитуратами, бытовым газом, выхлопными газами и цианидом. Дети до шести лет часто отравляются и погибают, принимая препараты железа за конфеты.

 

Окраска объекта

 

Определение окраски объектов исследования (главным образом окраски содержимого желудка) имеет определенное значение для предположительного заключения о наличии вещества, вызвавшего отравление.

Желтая окраска объектов указывает на возможное отравление пикриновой кислотой, акрихином, хроматами, азотной кислотой, которая дает окраску с белками стенок желудка, некоторыми анилиновыми красителями и др.

Зеленая окраска указывает на возможное отравление солями меди, соединениями мышьяка (парижская зелень), некоторыми красителями и др.

Черная окраска слизистой желудка указывает на возможное отравление концентрированной серной кислотой.

Розовая окраска содержимого желудка может быть после приема внутрь сулемы, окрашенной эозином.

 

5.4 Определение pΗ среды

 

Определение рН среды содержимого желудка имеет большое значение для предварительного решения вопроса о веществах, которые могли вызвать отравление.

Кислотность и щелочность среды объектов исследования определяют индикаторами. В качестве индикаторов для определения рН содержимого желудка и других объектов исследования применяют лакмус (интервал рН перехода красной окраски в синюю 5,0-8,0), конго красный (интервал рН перехода сине-фиолетовой окраски в красную 3,0-5,2), фенолфталеин (интервал рН перехода бесцветного раствора в красный 8,2-10,0). При использовании этих индикаторов в основном применяются не их растворы, а полоски бумажек, пропитанных соответствующими растворами индикаторов.

Для определения рН среды небольшое количество исследуемого объекта измельчают, вносят в пробирку, прибавляют дистиллированную воду и хорошо взбалтывают. Водную вытяжку отделяют от твердого осадка. В полученной водной вытяжке определяют кислотность или щелочность среды с помощью индикаторных бумажек.

Изменение сине-фиолетовой окраски индикаторной бумажки, пропитанной раствором конго красного, в красную указывает на наличие в исследуемом объекте минеральных кислот или больших количеств органических кислот. При наличии указанных кислот среда имеет рН = 3,0 и ниже (по универсальному индикатору). Слабокислую реакцию (рН = 4,0...6,5) могут иметь объекты за счет кислотного брожения, а также объекты, содержащие малые количества органических кислот, солей некоторых тяжелых металлов, при гидролизе которых среда становится слабокислой.

Для определения щелочной реакции водных вытяжек из биологического материала применяют индикаторные бумажки, пропитанные раствором фенолфталеина или универсальным индикатором. Красная окраска бумажки, пропитанной фенолфталеином, указывает на наличие щелочей в водной вытяжке из биологического материала. Щелочная среда водных вытяжек может быть обусловлена наличием в биологическом материале едких щелочей, карбонатов щелочных металлов, аммиака, легко гидролизуемых солей и других соединений.

Чтобы установить наличие едких щелочей в водных вытяжках из биологического материала, поступают так: 1-2 мл водной вытяжки вносят в пробирку, прибавляют 1-2 капли спиртового раствора фенолфталеина (Г: 1000). Если водная вытяжка имеет щелочную реакцию, то при наличии фенолфталеина она приобретает розовую или красную окраску. Затем к окрашенному раствору прибавляют 3-5 капель 10 %-го раствора нитрата или хлорида бария. Если при этом сохраняется розовая или красная окраска раствора, то это свидетельствует о наличие едких щелочей в биологическом материале. Если же красная окраска раствора исчезает и образуется белый осадок или муть, то это свидетельствует о наличии карбонатов.

Для определения аммиака в исследуемом биологическом материале проводят следующие опыты: в коническую колбу вместимостью 50 мл вносят немного исследуемого объекта (содержимое желудка, рвотные массы). Колбу закрывают корковой пробкой, к нижней поверхности которой прикреплены три индикаторные бумажки: смоченная водой красная лакмусовая бумажка, бумажка, смоченная щелочным раствором ацетата свинца, и бумажка, смоченная щелочным раствором сульфата меди. Если в исследуемом объекте содержится аммиак, то смоченная водой красная лакмусовая бумажка и бумажка, смоченная щелочным раствором сульфата меди, синеют.

При наличии сероводорода в исследуемом объекте бумажка, смоченная щелочным раствором ацетата свинца, чернеет.

Наличие в исследуемом объекте аммиака и сероводорода свидетельствует о происходящих процессах гниения. Поэтому исследование биологического материала на наличие аммиака производить невозможно.

 

Дактилоскопия

 

Конечно же, все слышали об «отпечатках пальцев», правильнее сказать дактилоскопии, и в этой непростой области криминалистики так же невозможно обойтись без химии.

Каждый узор на пальце индивидуален, но составлен, как было установлено еще в 1686 г., из сочетания главным образом трех простых элементов - петель, дуг и завитков. Выделяют и более мелкие детали: вилки, крючки, озера, острова, пересечения. Рисунок образуется до рождения человека, на третьем-четвертом месяце его внутриутробного развития, и сопровождает его, не изменяясь до самой смерти (у детей он лишь увеличивается в размерах).

Отпечатки подразделяют на три вида: видимые, вдавленные и скрытые. Четко видимые отпечатки пальцев возникают на месте преступления, когда руки преступника покрыты каким-либо окрашенным веществом, например кровью; вдавленные - когда он касается пластичных материалов типа влажной глины или непросохшей масляной краски. Однако и чистые руки на твердой поверхности неизбежно оставляют следы, которые невооруженным глазом могут быть незаметны. Это связано с тем, что в коже есть поры, ведущие к сальным железам и постоянно выделяющие разные соединения. На каждом квадратном сантиметре тела - от 150 до 330 таких пор.

Прежде всего, в кожных выделениях можно обнаружить влагу, которая довольно быстро испаряется с поверхности. Содержание влаги в кожных выделениях составляет около 98 или 99%. Далее следует упомянуть соли, в частности поваренную - хлорид натрия, небольшое количество соединений калия и аммония. Наконец, органические производные, среди которых - аминокислоты, глюкоза, молочная кислота, пептиды, рибофлавин и др. Соли и некоторые органические продукты остаются на поверхностях довольно долго. Они и создают бесцветный, скрытый отпечаток кожных покровов.

Обнаружить окрашенные, видимые отпечатки не составляет проблемы, для этого применяют увеличительные стекла и лупы, затем и фотоаппараты. Вдавленные отпечатки становятся видимыми при специальном освещении, что также позволяет их фотографировать. Сложнее находить и регистрировать скрытые, невидимые следы пальцев.