CC BY
86
УДК 340.6:611.715:543.42
ПЕРСПЕКТИВЫ СПЕКТРАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ КОСТЕЙ В МЕДИКОКРИМИНАЛИСТИЧЕСКИХ ЛАБОРАТОРИЯХ БЮРО СМЭ
А.Б. Шадымов1, К.И. Воронкин1, А.В. Пивоваров2, ПА. Васькин1, А.П. Романенко2
1Алтайское краевое бюро судебно-медицинской экспертизы, Барнаул 2ГОУ ВПО Алтайский государственный медицинский университет Минздравсоцразвития России, Барнаул E-mail: shadymov_akbsme@mail.ru, sanchez_sme@mail.ru, bomser@yandex.ru
PROSPECTS OF SPECTRAL STUDIES OF BONES IN HEALTH-CRIME LAB BUREAU JMO
A.B. Shadymov1, K.I. Voronkin1, A.V. Pivovarov2, P.A. Vaskin1, A.P. Romanenko2
1Bureau of forensic medical examination, Barnaul 2Altai State Medical University, Barnaul
В статье описаны перспективы использования спектрального анализа для определения качественного и количественного химического состава костей свода черепа.
Ключевые слова: рентгеноспектральный флуоресцентный, химический состав, кости свода черепа.
In article prospects of use of the spectral analysis for definition of a qualitative and quantitative chemical compound of bones of calvaria are described.
Key words: X-ray fluorescence, chemical composition, the bones of calvaria.
Введение
В 70-е, 80-е годы XX века для решения вопроса о микроэлементом составе биологических тканей, рядом ученых проводился спектральный анализ с целью выявления как количественной, так и качественной вариабельности микроэлементов в организме человека, животных,
в зависимости от пола, возраста, а также при воздействии на ткань физических факторов (электромагнитные волны), биологических (заболевания). В доступных нам статьях фигурировали такие объекты исследования, как нативная костная ткань (Тихомиров П.Е., 1967; Овсянников
В.Н., 1967; Шадрукова Н.И., Шабанова Т.М., 1967; Колосова В.М., 1967; Журавлев В.С., Жданова С.А., 1967; Дмитриев
И.Б., 1967; Иванов В.К., Пашкова В.И., 1974; Лопатин В.А., Володин С.А., 1982; Звягин В.Н., Иванов В.К., Куликов А.Ю., 1996; и др.), мягкие ткани и биологические жидкости (Карасев А.Г, 1967; Табакман М.Б. 1967; Жаров В.В., 19б7; Шевчук В.А., 1967; Кортев А.И., 1967; Назаров Г.Н., Макаренко Т.Ф., 1994; и др.).
Несмотря на столь популярное использование этого метода исследования, данный аппарат имеет ряд отрицательных моментов: крупногабаритность, уничтожение объекта в процессе исследования, использование расходного материала (“спектрально” чистый уголь).
На сегодняшний день не только в России, но и во всем мире, в промышленности, научных лабораториях широко используется рентгеноспектральный флуоресцентный анализ. Благодаря простоте, возможности экспресс-анализа, точности, отсутствию сложной пробоподготовки. Сферы его применения продолжают расширяться.
Рентгеноспектральный флуоресцентный анализ (РСФА) - один из современных спектроскопических методов исследования вещества с целью получения его элементного состава, т.е. его элементного анализа. С помощью него могут анализироваться различные элементы от бериллия (Ве) до урана (и). Метод РСФА основан на сборе и последующем анализе спектра, полученного путем воздействия на исследуемый материал рентгеновским излучением. При облучении атом переходит в возбужденное состояние, сопровождающееся переходом электронов на более высокие квантовые уровни. В возбужденном состоянии атом пребывает крайне малое время, порядка одной микросекунды, после чего возвращается в спокойное положение (основное состояние). При этом электроны с внешних оболочек либо заполняют образовавшиеся вакантные места, а излишек энергии испускается в виде фотона, либо энергия передается другому электрону из внешних оболочек. При этом каждый атом испускает фотоэлектрон с энергией строго определенного значения, например железо при облучении рентгеновскими лучами испускает фотоны Ка=6,4 кэВ. Далее соответственно по энергии и количеству квантов судят о строении вещества.
В качестве источника излучения могут использоваться как рентгеновские трубки, так и изотопы каких-либо элементов. Поскольку каждая страна имеет свои требования к ввозу и вывозу излучающих изотопов, в производстве рентгенофлюоресцентной техники в последнее время стараются использовать, как правило, рентгеновскую трубку. Трубки могут быть как с родиевым, так и с медным, молибденовым, серебряным или другим анодом. Анод трубки, в некоторых случаях, выбирается в зависимости от типа задачи (элементов, требующих анализа), для решения которой будет использоваться данный прибор. Для разных групп элементов используются различные значения силы тока и напряжения на трубке. Для исследования легких элементов вполне достаточно установить напряжение 10 кВ, для средних 20-30 кВ, для тяжелых - 40-50 кВ. Кроме того, при исследовании легких элементов большое влияние на спектр оказывает атмосфера, поэтому камеру с образцом либо вакуумируют, либо заполняют гелием. После возбуждения спектр регистрируется на специальном детекторе. Чем лучше спектраль-
ное разрешение детектора, тем точнее он сможет отделять друг от друга фотоны от разных элементов, что в свою очередь скажется и на точности самого прибора. В настоящее время наилучшей возможной разрешающей способностью детектора является 123 эВ.
На сегодняшний день АКБ СМЭ имеет в своем оснащении спектральный аппарат ‘^ресйоБсяп МАКС^” Санкт-Петербургского производства, приобретенный в 2008 г по заказу АКБ СМЭ. Спектрометр управляется персональным компьютером, который обеспечивает сбор, обработку, систематизацию и архивирование информации; программное обеспечение позволяет проводить качественный и количественный анализ с применением стандартных образцов.
Принцип работы такого аппарата заключается в следующем: в рентгеновской трубке при бомбардировке анода сфокусированным электронным пучком возникает рентгеновское излучение. Оно называется первичным рентгеновским излучением. Это излучение направляется на анализируемый объект (пробу), в которой под действием излучения генерируется рентгеновское флуоресцентное излучение. Часть потока этого излучения, вырезаемая щелью, направляется на кристалл-анализатор. С помощью специальной механической системы кристалл-анализатор, поворачиваясь вокруг образца, осуществляет “развертку” спектра флуоресценции по длине волны. Синхронно с поворотом кристалл-анализатора происходит поворот детектора, регистрирующего отраженное от кристалла излучение с фиксированной длиной волны. Сигнал с детектора поступает на электронную регистрирующую схему и далее через интерфейс компьютера в программный комплекс “Спектроскан”.
Для получения точного количественного содержания необходимо обработать полученный спектр с помощью специальной программы калибровки (количественной градуировки прибора). Калибровочная программа должна быть предварительно создана с использованием стандартных образцов, чей элементный состав точно известен. Упрощенно, при количественном анализе спектр неизвестного вещества сравнивается со спектрами, полученными при облучении стандартных образцов, таким образом, получается информация о количественном составе вещества.
В различных регионах России эксперты медико-криминалистических отделений ставят для спектроскана ряд стандартных задач, не стремясь раскрыть в полной мере его экспертные возможности. Одной из основных задач является определение привнесения металлических частиц на биологическую ткань (кожу) и текстильный материал (одежду) с целью идентификации орудий травмирования (тупые, острые объекты), а также огнестрельных повреждений.
В связи с отсутствием данных об использовании костного материала, как объекта исследования для рентгеноспектрального аппарата, нами было принято решение исследовать нативную костную ткань с целью решения вопроса о допустимости и необходимости использования такого объекта исследования как кость. Одной из главных целей данного исследования была отработка методики установления достоверного качественного и
Сибирский медицинский журнал, 2011, Том 26, № 1, Выпуск 2
Рис 1. Пример соотношения исследованных элементов в различных слоях одной области (эксперимент №6, лобная кость). А - наружная компактная пластинка (17,5 мг н.к.*); Б - губчатый слой (19 мг н.к.*); В - внутренняя компактная пластинка (24,3 мг н.к.*); * - н.к. (неорганический компонент)
количественного химического состава нативной костной ткани в различных отделах одной области.
На первом этапе объектом исследования была выбрана костная ткань свода черепа. Из выбранных образцов нами выпиливались фрагменты из заранее известных областей: теменной бугор, плоская часть теменной кости, лобный бугор, плоская часть лобной кости, височная линия, венечный шов, сагиттальный шов.
Далее помещали нативный материал в кювету с неизменным рабочим окном, которое полностью охватывается пучком рентгеновского излучения. В ходе проведения исследования в рентгеноспектральном аппарате мы столкнулись с рядом проблем. Для их решения было необходимо: стандартизировать размеры выпиливаемых фрагментов; добиться отсутствия привнесения инородных частиц на поверхности исследуемых объектов и т.д. Помимо непосредственного исследования в рентгеноспектральном аппарате, проводилась метрическая характеристика исследуемого объекта. Так, например, масса объекта измерялась на аналитических весах.
Было исследовано 8 объектов. Расчет массовой доли химического элемента в нативной костной ткани проводилось в соответствии с содержанием исследуемого ана-лита в стандартной навеске соли.
В результате проведенного исследования выявилось 20 химических элементов, однако только 10 из них ^п, Со, Си, I, Сё, Бе, ^, РЬ, Сг, Ж) определялись в каждом исследованном случае. Их суммарная массовая доля по отношению к нативной кости, в разных слоях, составила от 0,27% (16 лет) до 3,84% (46 лет) с некоторой их количественной вариабельностью (рис. 1).
Помимо исследования цельного препарата костной ткани, также было проведено исследование костной муки. Приготовленные пластинки с порошком помещались в кювету спектрального аппарата, в котором проходил стандартный цикл исследования. По итогам исследования в костной муке преобладали 3 новых элемента (8п, Ва, В1), ранее (в нативной кости) не определяемые.
Помимо полученных данных с нативной костной ткани и с костной муки, решено было сжечь костный столбик с целью удаления из костного материала органических веществ, которые могли прямо, либо косвенно влиять на истинный достоверный результат. Далее сожженные столбики повторно измерялись, взвешивались для дальнейшего сравнения с этими же параметрами нативной костной ткани, с целью определения степени усадки костного вещества.
В результатах, полученных после сожжения, определялись те же самые вещества с понижением концентрации одних элементов и значительным ростом других (так например, при исходных значениях свинца и ртути в нативной костной ткани, после сожжения определялся значительный их рост в несколько раз). Данный эффект по нашему мнению был обусловлен испарением веществ со стальной пластинки и накоплением их в костном ве-
ществе. С учетом допущенных ошибок, в дальнейшем, для сжигания костных столбиков, использовали фарфоровую термостойкую посуду, по результатам которого данного эффекта накопления (привнесения) не наблюдалось.
Кроме того, в сожженном костном материале отсутствовали и те 3 элемента (Sn, Ba, Bi), которые определялись в костной муке, полученной при стирании костного вещества надфилем. Следовательно, можно предположить, что эти элементы были привнесенными.
Расчет количественных показателей (содержание ана-лита в образце исследования) производился с использованием программы “Microsoft Office Ехсеї 2003”. В ходе исследования проводилось трехкратное измерение стандартного образца соли аналита. По результатам импульсного излучения аналита в соответствии с процентным содержанием его в массе навески производился расчет количества импульсов, соответствующие 1 мг аналита, с расчетом вариационного ряда (среднее значение, минимальное и максимальное значения) и расчетом процентной погрешности (дрейф прибора), с учетом значений импульсного излучения в предмете-носителе. Далее аналогично рассчитывалось содержание аналита в объекте исследования, так как полученные значения в объектах находились в порядке 10-6 и менее, произведен перерасчет содержания аналита на 1 г исследуемого вещества.
В результате проведенных исследований была отработана методика установления качественного и количественного химического состава костной ткани свода черепа с использованием рентгеноспектрального флуоресцентного анализа, которая представляет как научный, так и практический интерес для судебной медицины, поскольку может быть использована для решения различных следственных вопросов.
Литература
1. Дмитриев И.Б. Судебно-медицинские возможности спектрального анализа твердых тканей зубов человека // Материалы к научной конференции по теме: Спектрографические методы исследования в биологии и медицине. - Горький, 1967, янв. - С. 139-140.
2. Жаров В.В. К вопросу о применении эмиссионного спектрального анализа скелетных мышц в процессе формирования трупного окоченения // Материалы к научной кон-
ференции по теме: Спектрографические методы исследования в биологии и медицине. - Горький, 1967, янв. -С. 124-126.
3. Журавлев В.С., Жданова С.А. Спектрографическое определение количественного содержания железа и меди в костях человека // Материалы к научной конференции по теме: Спектрографические методы исследования в биологии и медицине. - Горький, 1967, янв. - С. 111-114.
4. Звягин В.Н., Иванов В.К., Куликов А.Ю. К вопросу установления видовой принадлежности костных останков эмиссионным спектральным анализом // Судебно-медицинская экспертиза. - М., 1974. - № 3. - С. 13-14.
5. Карасев А.Г., Белозеров Е.С., Донцов Г.И. и др. Динамика меди, марганца, алюминия, хрома и титана в крови у больных инфекционным гепатитом и острой дизентерией по данным спектрального анализа // Материалы к научной конференции по теме: Спектрографические методы исследования в биологии и медицине. - Горький, 1967, янв. -
С. 90-91.
6. Колосова В.М. Изучение микроэлементов, входящих в состав костной ткани человека, с целью установления возрастных и половых характеристик // Сборник трудов по судебной медицине и судебной химии. - Пермь, 1969. - № 3. - С. 383-392.
7. Кортев А.И., Карасев А.Г., Белозеров Е.С. и др. Полуколиче-ственный спектральный анализ в оценке восстановительного периода инфекционного гепатита // Материалы к научной конференции по теме: Спектрографические методы исследования в биологии и медицине. - Горький, 1967, янв. - С. 92-93.
8. Лопатин В.А., Володин С.А. К установлению видовой принадлежности костей по содержанию макро-микроэлементов // Совершенствование организации и методик лабора-
торных исследований в судебной медицине : сборник научных трудов. - Ярославль, 1982. - С. 36-42.
9. Назаров Г.Н., Макаренко Т.Ф. Методы спектрального анализа в судебной медицине (практическое руководство). - М. : ЭСИ, 1994. - 360 с.
10. Овсянников В.Н. К методике спектрографического исследования костей в судебно-медицинском отношении. Материалы к научной конференции по теме: Спектрографические методы исследования в биологии и медицине. - Горький, 1967, янв. - С. 20-22.
11. Табакман М.Б. К спектрографированию внутренних органов трупа и оценке результатов исследования. Материалы к научной конференции по теме: Спектрографические методы исследования в биологии и медицине. - Горький, 1967, янв. - С. 106-110.
12. Тихомиров П.Е. Материалы к изучению микроэлементного состава костной ткани методом спектрографии в эксперименте. Материалы к научной конференции по теме: Спектрографические методы исследования в биологии и медицине. - Горький, 1967, янв. - С. 39-42.
13. Шадрукова Н.И., Шабанова Т.М. Определение содержания кальция в стремечке методом спектрального анализа. Материалы к научной конференции по теме: Спектрографические методы исследования в биологии и медицине. -Горький, 1967, янв. - С. 76.
14. Шевчук В.А. К вопросу о некоторых особенностях микро-элементного состава семенной жидкости человека при азоспермии. Материалы к научной конференции по теме: Спектрографические методы исследования в биологии и медицине. - Горький, 1967, янв. - С. 121-123.
Поступила 26.10.2010
