informacje



wtorek, 24 kwietnia 2012

Chemik na miejscu zbrodni - próby analityczne na krew

Pomysł na ten wpis przyszedł mi do głowy nieoczekiwanie. Zaglądam czasem (jako Zaciekawiony) na forum kryminalityka.fr.pl, gdzie niekiedy wpadnie mi w oko jakaś ciekawostka. Tam też pojawił się temat, w którym zapytywano o proste metody chemicznej analizy różnych substancji, tak aby poznać skład. Tłumacząc tam jak bardzo obszerny jest to temat i jakie są ograniczenia "domowych laboratoriów", wspomniałem o pewnej próbie wykrywającej obecność krwi, że zaś dopytano się mnie jeszcze o nie, grzebnąłem po różnych stronach, aż uznałem że temat jest na tyle ciekawy i chemiczny, że nadaje się aby o nim coś tutaj napisać. Często obserwujemy jak w serialach kryminalnych pojawiają się specjaliści orzekający - tu prysnęła krew, tu był strzał, stamtąd strzelano - i niejednokrotnie zastanawialiśmy się, jak oni to robią. Jak? a no tak:

Krew, formalnie rzecz biorąc, jest tkanką łączną, składającą się z komórek różnego rodzaju zawieszonych w osoczu. Są to zarówno czerwone krwinki, pełniące funkcję transportową jak i krwinki białe i limfocyty pełniące funkcję obronną. Stanowi ważny element ludzkiego organizmu, zaś jej utrata, może doprowadzić do śmierci, co może następować w wyniku wypadku, samobójstwa lub morderstwa. W tym ostatnim przypadku krew wydostająca się na zewnątrz staje się ważnym dowodem dla śledztwa, znacząc miejsce, narzędzie i sprawcę zgonu. Wydaje się dość oczywiste, że jeśli mamy człowieka z raną piersi, zakrwawiony nóż i osobnika o zakrwawionej koszuli, to te trzy rzeczy musiały mieć ze sobą bliską styczność w momencie zdarzenia, toteż taki ważny dowód już u początków kryminalistyki był bardzo chętnie poszukiwany.
Niestety w tych dawnych czasach rozpoznanie krwi było dużym problemem. Rdza może dawać plamy bardzo podobne do starej, zaschniętej krwi, podobnie jak pewne soki roślinne, farby czy pewne odmiany gliniastej ziemi. Znalezienie czerwonej plamy na czyimś ubraniu czy podłodze nie było zatem aż tak oczywistym dowodem. W dodatku stare plamy krwi zmieniają swe właściwości, robią się brunatne, pomarańczowe, żółtawe a nawet zielone, i przypominają brud. Początkowo jedynym sposobem odróżnienia było doświadczenie śledczego. Tworzono też katalogi opisujące wygląd plam po różnym czasie na różnych materiałach., co pozwalało lepiej się zorientować, ale nadal w razie procesu sądowego, dowód taki można było zakwestionować.
W przypadku względnie świeżej plamy można było rozpuścić ją w wodzie i oglądając pod mikroskopem rozpoznać krwinki, co pozwalało na odróżnienie jej od innych substancji, jednak dla starych śladów, podległych częściowej degradacji, było to niemożliwe.

Pierwszą próbą chemiczną, jaką stosowano do wykrywania krwi, była reakcja z wodą utlenioną. Już Thenard zaważył w 1818 roku, że nadtlenek wodoru rozkłada się wskutek zetknięcia z krwią. Nadtlenek reagował bądź z hemoglobiną bądź z enzymami,  z wydzieleniem bardzo reaktywnego tlenu:
H2O2 → H2O + O
Wydawało się to całkiem proste - zwilżamy badaną plamę lub tkaninę wodą utlenioną, i gdy się pieni, to jest krew. Niestety okazało się, że podobne reakcje dawać może rdza, tlenki manganu i soki roślinne zawierające peroksydazy, toteż choć próba była już jakąś wskazówką, okazała się niedostateczna. Mimo to stała się podstawą dla innych reakcji, o czym później.

Pierwszą próbą pozwalającą wykryć istotny składnik krwi, jakim jest hemoglobina, była próba Teichmanna. Ludwik Teichmann , urodzony w Lublinie lekarz i anatom, ogłosił w 1853 roku, że udało mu się uzyskać próbę analityczną jednoznacznie identyfikującą krew. W jego metodzie badana próbka była ogrzewana z lodowatym kwasem octowym i roztworem soli. W kropli roztworu w miarę stygnięcia, powstawały charakterystyczne, tabliczkowate kryształki pochodnej hemoglobiny:


Tą pochodną była hemina, będąca właściwie chlorkiem ferriporfiryny, to jest z żelazem na stopniu utlenienia III połączonym z chlorem normalnym wiązaniem jonowym. Jako że hemoglobina występuje wyłącznie we krwi, test potwierdzał jej obecność (teoretycznie podobnie mogłyby zadziałać cytochromy, ale nie występują w płynach fizjologicznych, nie wiem natomiast czy tak też reaguje mioglobina z przetworów mięsnych)). Próba dawała pozytywny wynik nawet w przypadku kilkunastoletnich plam.

Modyfikacją tej próby był wprowadzony w 1912 roku test Takayamy, gdzie próbkę ogrzewano w obecności kwasu octowego i pirydyny. Powstający kompleks hemo-pirydyniowy nazywany hemochromogenem wytrącał się w formie tabliczek bądź pryzmatów, wystarczająco charakterystycznych aby przeprowadzać identyfikację. Istnieje jeszcze wiele modyfikacji, zastępujących pirydynę glicyną, aminami czy nawet acetonem.

Tak więc próbę potwierdzającą obecność krwi mieliśmy, jednakowoż aby poddać próbkę badaniom, trzeba ją najpierw znaleźć, a to w sytuacji gdy sprawca mógł próbować usunąć ślady nie było wcale takie proste.
Próbę z wodą utlenioną już omawiałem. Raczej nie da się jej użyć w przypadku dużych powierzchni, a i tak przy bardzo powolnym postępie reakcji bezbarwna piana może być niezauważalna. Ale od czego są chemicy?

Aby rozkład nadtlenku wywoływany przez hemoglobinę jakoś uwidocznić, postanowiono wykorzystać barwne reakcje utlenienia. Najprościej było wykorzystać tu barwniki o bardzo intensywnym kolorze, w formie chromogenów - a więc w formie bezbarwnej, którą można "ubarwić" przez proste przekształcenie, na przykład utlenienie. Takie probarwniki są używane przy farbowaniu tkanin, często bowiem forma barwna jest trudno rozpuszczalna i słabo wchłania się w strukturę nici materiału. Tak jest na przykład z indygo przy farbowaniu dżinsów. W tym przypadku opracowano kilka zbliżonych metod, różniących się zastosowanym barwnikiem:

Próba Kastle'a-Meyera z fenoloftaleiną
Fenoloftaleina to popularny wskaźnik kwasowo-zasadowy, przyjmujący w warunkach zasadowych różowe zabarwienie, dlaczego i jak to się dzieje, już niedawno pisałem.  Pod wpływem łagodnych reduktorów przechodzi w fenoloftalinę (nie znalazłem co prawda polskiego odpowiednika angielskiej "phenolphthalin" ale przez analogię powinien brzmieć tak), nie mającą form barwnych, łatwo ulegająca utlenieniu. W 1901 roku Kastle i Shedd zauważyli, że katalizatorem utlenienia może być materiał biologiczny, i gdy działo się to w warunkach zasadowych, pojawiało się wyraźne zabarwienie. W 1903 roku w Niemczech Meyer zauważył, że w podobny sposób działają czerwone krwinki. Gdy zaś w 1906 roku Kastle udowodnił, że przemianę katalizuje hemoglobina uwolniona z krwinek, uznano że może być to dobra metoda ujawniania zatartych śladów krwi.[1] Reakcja zachodzi w przypadku rozcieńczeń sięgających nawet 1:10 000[2]
Spotkałem się z niepoprawnym tłumaczeniem, że skoro krew jest lekko zasadowa, to reakcja polega na wykrywaniu odczynu, podczas gdy chodzi jedynie o zamianę formy bezbarwnej w barwną.
Metoda polega na rozpuszczeniu próbki w silnie zasadowym roztworze i dodaniu do roztworu zredukowanej cynkiem fenoloftaleiny, potem do roztworu dodaje się wody utlenionej. Inna wersja to papierek bądź wacik nasączony świeżym odczynnikiem, przykładany do podejrzanej powierzchni. Dla zwiększenia dokładności jako rozpuszczalnika używa się etanolu. Na serialach kryminalnych widać czasem jak kryminalistycy pocierają powierzchnie wacikiem, który zabarwia się na różowo - to właśnie ten test. Jest to jednak test zawodny. Rozkład nadtlenku może wywołać wiele różnych substancji, w tym peroksydazy z soków roślinnych, dlatego też jest to test raczej wykluczający niż potwierdzający - jeśli zabarwienie nie nastąpi, możemy uznać że na badanej powierzchni nie ma śladów krwi; natomiast jeśli barwa się pojawi, to możemy uznać, że krew może tu być, ale należy to potwierdzić bardziej dokładnymi badaniami. Niestety właściwie wszystkie testy oparte na utlenieniu mają ten ogranicznik.

Próba z Zielenią malachitową
Zieleń malachitowa to sztuczny barwnik wykazujący duże podobieństwo strukturalne do fenoloftaleiny, oparty zasadniczo na tym samym szkielecie trifenylometanowym, z dodatkowymi grupami aminowymi.Również wykazuje zmienność zabarwienia zależną od pH, jednak z uwagi na to, iż następuje to przy wartościach ekstremalnie niskich, w praktyce nie jest używany. Zasada jest ta sama - po potraktowaniu reduktorami przyjmuje formę bezbarwną. Utlenienie atomowym tlenem z rozkładu nadtlenków powoduje powrót intensywnej zielonej barwy.   

Próba benzydynowa
Benzydyna to aromatyczna diamina, która mogła by być traktowana jak dimer aniliny w położeniu para. Pod wpływem nadtlenków i wolnego tlenu ulega stopniowemu utlenieniu do formy diiminowej tworzącej z wyjściowym substratem kompleks z przeniesieniem ładunki o kolorze intensywnie niebieskim. Zbliżona reakcja jest wykorzystywana przy wybarwianiu preparatów mikroskopowych. Dalsze utlenienie do całkowitej przemiany zmienia kolor na intensywnie żółty. Niegdyś, od wynalezienia w 1904 roku, bardzo popularna przy ujawnianiu krwi na dużych powierzchniach, dziś wycofana z racji dobrze potwierdzonej rakotwórczości związku, bywa zastępowana mniej szkodliwą pochodną 3,3-5,5-tetrametylową.
  
Próba gwajakolowa
Gwajakol, to związek należący do polifenoli (formalnie można go uznać za monoeter metylowy katecholu), znany jako lek wykrztuśny stosowany w syropach na kaszel. Pod wpływem reaktywnego tlenu powstającego z nadtlenków zamienia się w pomarańczowy tetramer z mostkami nadtlenkowymi łączącymi pierścienie. Próba została opisana już w 1862 roku ale należy do rzadziej używanych. Zastanawia mnie czy obecność jodków może fałszować wynik - powodują rozkład wody utlenionej a powstający jod ma pomarańczowy kolor.
Próba w nieco zmodyfikowanej postaci była i czasem wciąż jest używana do wykrywania krwi utajonej w kale.

Na koniec zbiorczo duża infografika, mam nadzieję, że czytelna:


Próba z Luminolem
Jest to próba oparta na nieco innym mechanizmie. Wprawdzie też chodzi o utlenienie, ale utleniany związek nie jest barwnikiem. Luminol to pochodna kwasu ftalowego, która w obecności utleniaczy i różnych aktywatorów ulega utlenieniu - ale nie od razu. Początkowo utlenienie powoduje odszczepienie azotu i powstanie nadtlenku, bardzo jednak nietrwałego w powodu bliskości dwóch grup karbonylowych. Pęknięcie wiązania przerzuca elektrony na atomach tlenu w stan wzbudzony. Powrót do stanu podstawowego przebiega z wydzieleniem energii w postaci intensywnego, niebieskiego
 lub zielonego światła. Czułość sięga ilości krwi z rozcieńczeniu 1:300 000.
W kryminalistyce po spryskaniu w ciemności badanych powierzchni mieszaniną luminolu i wody utlenionej, w miejscach gdzie obecne są ślady krwi, pojawia się trwające do 30 sekund świecenie, które należy utrwalić na fotografii. Niestety podobny efekt mogą dać ślady kału, sole miedzi, cząstki stopów miedzi i preparaty czyszczące z wybielaczami. Dokładne wymycie zabrudzonej powierzchni wybielaczem może tak zafałszować wynik, że badanie nie wykryje śladów które faktycznie tam są. Podobnie jak w przypadku innych metod katalitycznych badanie należy traktować jako wstępne, służące umiejscowieniu śladów, co do których dopiero dalsze badania potwierdzą, że jest to krew.

Ostatecznie wszystkie te testy potwierdzają jedynie istnienie krwi, nie rozróżniają jednak pomiędzy rodzajami krwi a więc pomiędzy krwią ludzką a zwierzęcą. Jeśli u podejrzanego odnaleziono na deskach podłogi w kuchni ślady krwi, zawsze mógł twierdzić że niedawno jadł sztukamięs prosto od rzeźnika i podczas mycia deski do krojenia trochę zakrwawionej wody poleciało mu na podłogę. Jak zatem potwierdzić że nasza wybadana krew, należy do człowieka?
Problem ten rozwiązało odkrycie z 1901 roku. Niemiecki lekarz Paul Uhlenhuth, badając reakcje immunologiczne odkrył, że reakcja pomiędzy antygenami wytwarzanymi wobec obcego czynnika drażniącego, jest wysoce charakterystyczna. Gdy wstrzyknął królikowi białko jaja kurzego, przejściowo powstał odczyn zapalny a jego organizm, broniąc się, wytworzył antygeny przeciwko-jajokurze, zaś surowica krwi takiego królika wytrącała białko jaja kurzego, ale nie inne. Gdy wstrzyknął królikowi białko jaja przepiórczego, surowica wytrącała białko z takiego materiału, natomiast nie reagowała z białkiem jajka kurzego. Podobne reakcje zachodziły z mlekiem różnych gatunków zwierząt oraz z krwią.
Surowica królika zadrażnionego ludzką krwią, strącała białka z ludzkiej krwi, zupełnie nie reagując na krew innych gatunków ssaków i ptaków. Co więcej, reakcja zachodziła również w przypadku starych, zaschniętych śladów, uprzednio rozpuszczonych.
Już wkrótce metoda, dzięki przychylności postępowego sędziego śledczego, posłużyła do rozwiązania morderstwa dwóch dziewczynek na Rugii, jednak zdecydowany rozgłos zdobyła dzięki pomocy w rozwiązaniu morderstwa 8-letniej Lucie Berlin, do jakiego doszło w 1904 roku w Berlinie.

Precyzyjne testy precypitacyjne stały się zatem cenną pomocą w odróżnianiu krwi ludzkiej od zwierzęcej. Kolejnym krokiem było odkrycie grup krwi, pozwalające na rozróżnienie krwi pochodzącej od różnych osób. Choć  Landsteiner odkrył je w 1901 roku, spotkał się z dużym oporem ze strony środowisk medycznych, i choć jego odkrycie pozwalało bezpiecznie przetaczać krew, trzeba było I wojny światowej aby uznano jej przydatność, zaś do badań kryminalistycznych weszło około lat 20. Pierwszy system A B 0, został uzupełniony o czynniki Rh+, Rh-, M,N,S i wiele innych, co nadawało krwi dużą indywidualność.
Potem nauczono się rozróżniać krew różnych płci aż wreszcie do użytku weszły badania DNA, o których już kiedyś pisałem

Współcześnie znamy wiele testów wykrywających krew - wspomniane próby, jak test z luminolem służą jedynie lokalizowaniu podejrzanych śladów na dużych powierzchniach, jak podłoga pomieszczeń, czy ściany. Potwierdzenie że jest to krew i to konkretnie ludzka następuje za pomocą innych specyficznych reakcji, na przykład barwny test immunologiczny, oparty na reakcji specyficznych antygenów. Testy takie, dające wynik tylko z krwią ludzką, używane są czasem do wykrywania krwi utajonej w stolcu i moczu.


Na koniec polecam ciekawym dwie ciekawe książki Jürgena Thorwalda "Stulecie detektywów" i "Godzina detektywów" w fascynujący sposób opisujące historię kryminalistyki.

---------
Źródła:
http://www25.brinkster.com/icequeen11/chemistry/bmk1.html testy na krew - opisy procedur http://www.forensicsciencecentral.co.uk/history.shtml
http://www.wavesignal.com/Forensics/Blood.html
http://de.wikipedia.org/wiki/Kastle-Meyer-Testhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminol
http://de.wikipedia.org/wiki/Paul_Uhlenhuth
http://en.wikipedia.org/wiki/Paul_Uhlenhuth

[1] https://www.ncjrs.gov/pdffiles1/pr/160880_unit_2.pdf   
[2] http://www.wavesignal.com/Forensics/Blood.html 

niedziela, 15 kwietnia 2012

Kiedyś w laboratorium... (9.)

Kiedy jeszcze uczyłem się w technikum, miałem przedmiot Bioanalitykę. Zajęcia prowadziła pani Skrobek, którą miło wspominam między innymi dlatego, że nie widziała przeszkód abym mógł robić na zajęciach zdjęcia. Jedne z zajęć poświęcone były podstawom histologii i wówczas nie omieszkałem sfotografować przez mikroskop pokazywanych preparatów tkankowych. Ten, który podaję poniżej, to preparat komórek rakowych:

Preparat był utrwalany i niestety dosyć stary, dlatego popękał. W każdym razie widać bardzo grubą błonę komórkową, i nieregularne jądro dzielące się równocześnie na kilka części. Taki wygląd mają komórki raka stodium szybkiego wzrostu.

piątek, 13 kwietnia 2012

Kraszanki czyli o wielkanocnej chemii


Szykowałem ten wpis na poniedziałek wielkanocny, ale różne okoliczności natury osobistej sprawiły, że wstawiam go z opóźnieniem. mimo wszystko sądzę, że będzie interesujący.

Pisanki to stara wielkanocna tradycja. Tak stara, że starsza od chrześcijaństwa. Wzmianki o barwieniu jaj znajdujemy jeszcze w starożytnych zapisach, zaś powiązanie między ich tworzeniem a wiosennymi świętami na pewno powszechne było wśród pogańskich europejczyków. Jego twarda, gładka skorupka sprawiała, że przypominało kamień, jednak z tego "kamienia" mógł się wykluć ptak. To życie wychodzące ze zdawałoby się martwego przedmiotu, kojarzono z wiosennym budzeniem się do życia "suchych" drzew, zazielenianiem się "martwej" ziemi i ogółem z witalnością. Nie bez znaczenia było też zapewne, że jajka są dosyć pożywne i mają działanie wzmacniające, dlatego też jajo, jako symbol wiosennego odrodzenia, jak i obiecywanego przez religie pośmiertnego życia, stały się ważnym elementem dawnych kultów.
U Słowian jak się wydaje, kojarzono jaja z kultami solarnymi, na zasadzie że tak jak powracające po zimowym oddaleniu Słońce, ogrzewając wiosną Ziemię budzi ją i to co na niej istnieje do życia, tak z twardej skorupki wykluwa się małe, ruchliwe pisklę, w przypadku kur w dodatku jasnożółte - a więc w kolorze słońca. Dodatkowo ptaki, które wykluwają się z jaj, często były symbolami bądź posłańcami Bóstw.[1]
Ze względu na nietrwałość materiału, najstarsze zachowane pisanki były wykonane z gliny, bądź też były ozdobionymi kamieniami odpowiedniego kształtu (mam kilkanaście takich kamieni). Za najstarszą polską uważa się gliniane jajko z X wieku znalezione w Opolu. Nie znalazłem w internecie zdjęcia, ale pamiętam ilustrację z pewnej książki, gdzie widać było zdobienie w jasne i ciemne paski. Często jako pisanki opisuje się jajowate grzechotki z okresu neolitycznej kultury Trypolskiej, na terenach Ukrainy, ale jakoś w to powątpiewam*.

Techniki zdobienia pisanek są tak różnorodne, że nie w sposób tu wszystkich wymienić. Mogą był gotowane w barwnikach, malowane, rysowane, malowane woskiem i barwione, oklejane obrazkami, sznurkiem czy koralikami, a nawet koronkową koszulką, drapane, wytrawiane, opalane - nie zdziwię się jak ktoś niedługo wymyśli drukarkę do jaj. Ja jednak skupię się na jednej - na robieniu "karaszanek" lub "kroszonek", polegającej na gotowaniu jaj w roztworach barwników, którą najczęściej stosuje się u mnie w domu.

Skorupka jaja zbudowana jest głównie z drobnokrystalicznego węglanu wapnia w postaci igiełkowatych pryzmatów kalcytu (tylko u żółwi pojawia się aragonit), oraz nadającego jej pewną elastyczność białka. Zależnie od rodzaju i grupy zwierząt, proporcje te zmieniają się od niemal zupełnie białkowych, miękkich jaj gadów, do sztywnych jaj ptaków. Tego typu jaja zachowują się w skamielinach[2].
Jest to materiał bardzo porowaty, dzięki czemu rozwijający się kurzy zarodek może być zaopatrywany w tlen. Te same pory ułatwiają też barwnikom wnikanie w głąb materiału i osadzanie się na powierzchni kryształków mineralnych, i dzięki temu skorupka jaja może być trwale zabarwiona. Nawiasem mówiąc za brązowawe zabarwienie jaj kurzych preferowanych w Europie (Anglosasi i amerykanie wolą jajka białe jak piłeczki pingpongowe) jest wynikiem wydzielania przez jajowód kury biliwerdyny i protoporfiryny, i zależy właściwie tylko od rasy nie zaś od sposobu żywienia.

Dawne sposoby barwienia jaj były niezwykle różnorodne i to nimi, a konkretnie używanymi barwnikami, chcę się zająć w tym wpisie. A więc:

Żółty:
Aby otrzymać żółty kolor, należy zastosować żółty wywar. Zwykle używano tutaj kwiatów nagietka lub jaskra, uprzednio zasuszonych na tą okazję, ale także młodych listków i pędów brzozy, olchy i jabłoni. Bardziej majętni mogli sobie pozwolić na szafran.
A więc, żółtym barwnikiem nagietków są patuletyna i patulitryna[3], flawonoidy o słabym działaniu przeciwbakteryjnym. Wywar z płatków nagietka był i wciąż może być używany do farbowania wełny. Podobne wykorzystanie ma wywar z liści brzozy zawierający luteolinę, ciekawy flawonoid będący silnym przeciwutleniaczem, o działaniu przeciwbakteryjnym i przeciwzapalnym; próbuje się też wykorzystywać ją wspomagająco przy leczeniu raka i chorób degeneracyjnych[4]
Szafran to końcówki słupków kwiatów Krokusa wiosennego, od dawna używany jako niezwykle cenna przyprawa. Jego smak jest raczej gorzki, natomiast zapach to pomieszanie zapachu siana i słodkiego kwiatowego. Ponieważ jeden kwiat zawiera jedno-dwa znamiona, a materiał jest dosyć lekki, na zebranie jednego kilograma potrzeba zerwać znamiona 100-170 tysięcy kwiatów, co przekłada się na cenę rzędu 30-40 tysięcy złotych. Z tego też powodu dawniej tylko bogacze mogli sobie na niego pozwolić, i już w średniowieczu problemem stało się jego fałszowanie nagietkiem, makiem a nawet tartą cegłą (w XIX wieku cegłą nagminnie fałszowano u nas paprykę). Zawiera wiele cennych substancji, jednak za jego kolor odpowiadają głównie karoteny: likopen, zawarty też w pomidorach, i zeaksantynę oraz jej ester krocynę, wszystkie o intensywnych pomarańczowo-czerwonych kolorach. Są to substancje będące silnymi przeciwutleniaczami. Zeaksantyna jest izomerem luteiny i podobnie jak ona ma znaczenie w ochronie przed zwyrodnieniem plamki żółtej i zaćmą.
Krocyna jest słabym przeciwutlenaczem, niektóre źródła spekulują o właściwościach przeciwrakowych, podobnych do kurkuminy, barwnika ostryżu (kurkuma), też zresztą wykorzystywanej do barwienia, jednak nie jest pewne na ile badania na wyizolowanych komórkach zalanych roztworem barwnika przekładają się na działanie w ludzkim organizmie[5]

Czerwony

Aby zabarwić jaja na czerwono należało gotować je w soku z buraków. O burakach miałem ochotę napisać na Wigilię, ale nie wyszło. Głównym barwnikiem buraków jest betanina, mająca postać glikozydu betaliny. U niektórych ludzi barwnik po wchłonięciu jest wydalany wraz z moczem, bez wcześniejszej degradacji czy detoksykacji, stąd czerwone zabarwienie moczu nazywane betaninurią (w języku angielskim częstsza jest niepoprawna nazwa beeturia utworzona od angielskiej nazwy buraka "beet").
Wprawdzie wydaje się że u części osób jest związana z pewnym recesywnym genem[6], ale zasadniczo może się pojawiać i znikać zależnie od aktywności enzymatycznej, występując u około 10-14 % ludzkości. Przykładowo małe dzieci częściej doznają zabarwienia moczu, które zanika w okresie dojrzewania (sam to u siebie obserwowałem), są też jednak osoby u których stan ten trwa ciągle (przynajmniej dopóki jedzą buraki). Pojawia się też przy niedoborach żelaza i witaminy B12, w przebiegu niedokrwistości złośliwej[7] Podawane niekiedy informacje, że betaninuria jest objawem "nieszczelności jelita" czy perforacji ściany żołądka nie są prawdziwe.

Brązowy

Aby zabarwić jaja na różne odcienie brązu tradycyjnie stosowano wywar z łupin cebuli. Odcień zależy od czasu gotowania. Głównym barwnikiem jest w tym przypadku kwercetyna, należąca do najpospolitszych flawonoli, zawarta też w korze dębu i uważana za cenny przeciwutleniacz, wpływający na stan naczyń krwionośnych. Najwięcej zawiera jej herbata chińska, kapary i lubczyk.[8]

Zielony
Barwienia na kolor zielony odbywało się w odwarze z młodego jęczmienia lub jakichkolwiek liści. Barwnikiem był oczywiście chlorofil, który już tu szerzej opisywałem.

Niebieski
Może to brzmieć zaskakująco, ale niebieski kolor uzyskuje się w wywarze z czerwonej kapusty. Wywar ten zawiera bardzo dużo różnorodnych antocyjanów, naturalnych barwników o szerokim zakresie barw. Ich kolor zależy od pH środowiska - w kwaśnym są czerwono-fioletowe, w lekko zasadowym niebieskie a w mocno zasadowym zielone. Powyżej pH 12 degradują do trwałego żółtego zabarwienia:
Sok z czerwonej kapusty w różnym pH

Odczyn skorupek jest właśnie lekko zasadowy, stąd błękit.

Ogółem zatem do barwienia jaj przyczynia się wiele różnorodnych związków chemicznych, o ciekawych właściwościach. A przecież to dopiero początek zabawy.



------
* w ukraińskich artykułach historyczno-archeologicznych dziwnie częste jest podkreślanie starożytności ludowej symboliki i pradawności ludu ukraińskiego

Źródła:
* http://pl.wikipedia.org/wiki/Pisanka
* http://en.wikipedia.org/wiki/Pysanka

[1] Panorama kultur: Historia Pisanki
[2] Fossill Eggshell: Introduction to eggshells
[3]
Guinot P, Gargadennec A, Valette G, Fruchier A, & Andary C (2008). Primary flavonoids in marigold dye: extraction, structure and involvement in the dyeing process. Phytochemical analysis : PCA, 19 (1), 46-51 PMID: 17654539
[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Luteolin
[5] http://naukadlazdrowia.pl/szafran-na-dobry-nastroj-i-zdrowie
[6]Forrai G, Bánkövi G, & Vágújfalvi D (1982). Betaninuria: a genetic trait? Acta physiologica Academiae Scientiarum Hungaricae, 59 (3), 265-82 PMID: 6891987
[7] http://en.wikipedia.org/wiki/Beeturia
[8] http://en.wikipedia.org/wiki/Quercetin



Polecam też ciekawy blog poświęcony naturalnym sposobom farbowania wełny:
http://riihivilla.blogspot.com

środa, 4 kwietnia 2012

Kiedyś w laboratorium (8.)

Fenoloftaleina jest powszechnie używana jako wskaźnik kwasowo-zasadowy, w warunkach zasadowych przy pH 8,2 z formy bezbarwnej zamieniający się w formę różowo-malinową. Nie każdy jednak wie, że w ekstremalnych warunkach może przejść w jeszcze inne formy. Pod wpływem bardzo silnych zasad odbarwia się, zaś w bardzo silnych kwasach staje się pomarańczowa, co pewnego razu sprawdziłem:

Fenoloftaleina w stężonym kwasie siarkowym


Wszystkie te przemiany wiążą się ze zmianami budowy cząsteczki. Związek formalnie rzecz biorąc jest pochodną bezwodnika ftalowego, który skondensował z dwiema cząsteczkami fenolu, W związku z tym jedna połowa pochodzącej od dwóch grup karboksylowych, grupy karbonylowej, zostaje zajęta, zaś pozostała część formalnie rzecz biorąc może być uznana za cykliczny ester. Decyduje to o właściwościach.
W warunkach silnie zasadowych pierścień estrowy hydrolizuje do reszty karboksylowej. Swoje wodory odszczepiają też dwie cząsteczki fenolu. Powstała struktura mezomeryczna adsorbuje część światła, pozostawiając intensywny kolor pomiędzy fioletem a różem.
Gdy związek znajdzie się w środowisku silnie kwaśnym, pierścień estrowy hydrolizuje do grupy karboksylowej, jednak fenole nie odszczepiają wodoru, przez co na zwornikowym atomie węgla powstaje niedomiar elektronów i cała cząsteczka staje się dosyć trwałym kationem trifenylometylowym, o barwie intensywnie pomarańczowej.

Jako ciekawostkę można dodać, że fenoloftaleina jest środkiem przeczyszczającym, stosowanym w medycynie od stu lat. Nie znalazłem informacji wedle jakiego mechanizmu działa, ale podejrzewam że oddziałuje tu forma anionowa, pojawiająca się przy obecności zasadowej żółci. Obecnie jednak wycofuje się ją, z powodu jak na razie niedostatecznie potwierdzonych, ale jednak istniejących podejrzeń o rakotwórczość.

niedziela, 1 kwietnia 2012

Podkręcone jądra i dużo złota

Odkrycie, jakie chcę dziś opisać, rzeczywiście bardzo pasuje do tytułu tego bloga, zbliża się bowiem do alchemii, tylko że tej naukowej.

Gdy w 1919 roku Rutherford bombardując azot promieniowaniem alfa zamieniając go w tlen, co niektórzy ogłosili, że oto alchemiczne marzenia o udanej transmutacji jednych substancji w drugie, zaczynają się spełniać. Rzeczywiście, zderzając z odpowiednią energią jądra atomowe, będące zlepkami protonów i neutronów, możemy sprawić że powstanie nam zlepek całkiem odmienny, więc jeden pierwiastek przemieni się w inny. W tym przypadku jądro azotu, a więc 7 protonów i 7 neutronów, zderzywszy się z cząstką alfa mającą po dwa protony i neutrony, zamieniło się w jądro tlenu mające 8 protonów i 9 neutronów, zaś jako reszta pozostał jeszcze jeden swobodny proton:
14N + α 17O + p
W ten sposób wytwarza się też pierwiastki nie występujące w przyrodzie, przykładowo ze zderzenia jądra ołowiu i jądra żelaza, otrzymano pierwiastek 108 - Has:
208
82
Pb
+ 58
26
Fe
265
108
Hs
+ n

Tak więc nie ma w tym żadnej magii, jedne zlepki nukleonów zderzają się z innymi, i tworzą się stąd zupełnie inne zlepki. Normalna kolej rzeczy. Jeśli na przykład zderzymy jądro rtęci z protonem, zamienimy je w jądro złota, jednak tą drogą produkować się go najzwyczajniej nie opłaca.
Jednak niedawne odkrycie rosyjskiego fizyka Konstantego Piokowa zmienia ten obraz, że zaś jest ciekawe, myślę że warto je tu szerzej opisać. A wszystko ma duży związek z baseballem.

Baseball nie jest w Polsce zbyt popularny, ale z amerykańskich filmów ogólnie wiadomo, że chodzi tu o rzucanie i odbijanie małej piłki, biegane po narożach kwadratu i takie tam idiotyzmy. Jakże często widujemy w takich filmach decydujący moment, gdy jeden gracz rzuca starając się aby pałkarz nie trafił w piłkę, a pałkarz bardzo się stara trafić. I oczywiście po wielu trudach pod koniec filmu mu się to udaje, bo skupiał się na piłce, uwierzył w siebie czy coś w tym stylu. Niestety umiejętni rzucający dysponują nieco większym zasobem sztuczek, niż rzucanie wyżej albo niżej, sygnalizowane "tajnym" gestem. Bardzo umiejętni potrafią na przykład rzucić prosto w pałkarza, prościuteńko pod sam kij, i gdy już pałka pędzi ku nieuniknionemu spotkaniu, piłeczka skręca jak wiedziona niewidzialnym palcem. Ten hakowaty tor jest zresztą dobrze znany miłośnikom piłki nożnej, jako tajemniczy sposób omijania piłką muru przeciwników. Do kogo należy ów niewidzialny paluszek? Czyżby do opatrzności? Nie, to tylko Fizyka.

Gdy piłka leci w powietrzu to w zasadzie opływa ją z każdej strony i jedynym wpływem jaki na nie wywiera, jest tarcie. Inaczej rzecz się ma z piłką podkręconą. Obracająca się piłka, nie będąca zresztą ciałem idealnie gładkim, porywa ze sobą pewną warstewkę powietrza. Ta graniczna warstewka obraca się w tym samym kierunku. W związku z tym, gdy zderza się z powietrzem które omija piłkę, czyni to na dwa sposoby. Od jednej strony powietrze porwane przez piłkę porusza się naprzeciw opływającego. Obie masy powietrza zderzają się więc ze sobą i nieco sprężają. Od drugiej zaś strony pędzone powietrze opływa piłkę nieco szybciej. Zgodnie z prawem Bernouliego, w strumieniu cieczy poruszającej się szybciej niż ta otaczająca, spada ciśnienie. A zatem od jednej strony piłki ciśnienie powietrza się zwiększa a od drugiej maleje. Bardzo nie wiele, ale wystarczająco aby pojawiła się słaba siła spychająca piłkę w bok i zakrzywiająca jej tor. Sztuczkę tą znają dobrze gracze w tenisa, zarówno stołowego jak i pełno formatowego, a w pewnym stopniu też i inni gracze. Ta zaś drobna acz znacząca siła, nazywa się siłą Magnusa.
*Żart
I oto pewnego razu ktoś zastanowił się, co by było, gdyby bardzo zbliżyć do siebie dwie takie wirujące piłki. Okazało się, że gdy sprawić aby poruszające się w przeciwne strony będą się mijały w bardzo niewielkiej odległości, to zależnie o tego czy będą się obracały w tę samą czy w przeciwne strony, będą różnie reagowały. Nie trudno się domyśleć, że gdy wirują w tą samą stronę, ich otoczki powietrzne zderzają się ze sobą, odrobinkę odsuwając je od siebie. Efekt jest bardzo słaby, ale został zmierzony[1]
Niestety nie znamy gry w której zaobserwowany efekt mógłby się przydać, i pewnie wszyscy by o nim zapomnieli, gdyby nie przypomniał sobie o nim pewien fizyk, który lubi zderzać ze sobą pewne kulki. Atomy.
*Koniec żartu

Czy lecący atom może zachowywać się jak piłka? W pewnym uproszczeniu tak, ale nie wprost. Jako że mówimy o skali subatomowej, zauważmy że lecąca cząstka nie jest otoczona po prostu powietrzem, a tylko setkami atomów azotu, tlenu i całej reszty, zmierzających do nieuniknionego zderzenia. Jeśli jednak je usuniemy, cząstka nasza lecieć będzie w próżni. Jądra atomów, z różnych przyczyn, mogą posiadać pewien spin, wirując bądź w lewą bądź prawą stronę, jeśli tylko posiadają nieparzystą liczbę nukleonów. Bardzo ładnie, ale w próżni nic im tej spin nie da. Bo niby w jakim gazie miałaby powstawać opisywana siła? Na przykład w gazie prawdopodobieństwa.

Fizyka kwantowa uczy nas rozumieć że fizyki kwantowej nigdy nie zrozumiemy. Ale możemy ją sobie jakoś objaśniać na prostych przykładach. Na przykład jeżeli mówi się nam, że bardzo małe cząsteczki nie mają określonej wielkości, a im bardziej chcemy się o tym upewnić, tym bardziej nie mają, to znajduje to odpowiednik w próbie dokładnego zmierzenia chmury - z dokładnością do metrów się to udaje, ale przy dokładniejszych miarkach trudno jest nam określić, czy ta mgiełka na brzegach to już bardzo rzadka chmura, czy tylko taka otoczka. W efekcie tej nieokreśloności, opisywanej przez wzór Heisenberga, cząstki o rozmiarach zbliżonych do atomów, można traktować jako trochę rozmyte w przestrzeni. Można nawet powiedzieć, że są takimi zagęszczającymi się w środku chmurkami gazu umieszczonymi w próżni, i choć w pewnych doświadczeniach wykazują wyraźne właściwości sztywnych cząstek, w innych zachowują się jak pęk fal jakiegoś promieniowania.

*Żart
Dlatego też ktoś się kiedyś zastanowił, co się dzieje, gdy dwie takie chmurki się do siebie przybliżają? Niektóre teorie przewidują, że w związku z coraz ściślejszym nakładaniem się na siebie skrajnych obrzeży chmur prawdopodobieństwa, pomiędzy przybliżającymi się do zderzenia jądrami atomowymi powinny zachodzić pewne oddziaływania zanim jeszcze faktycznie się zetkną. A co gdy te jądra będą wirowały?

Wedle publikacji w Dzienniku Fizyki Doświadczalnej i Teoretycznej ze stycznia[2], K. Piokow uznał po prostu, że można tą rozmytą zewnętrzną warstwę traktować podobnie jak porwaną przez piłkę warstewkę powietrza, jeśli więc oba zderzające się jądra będą wirowały, to powinny w związku z tym zachodzić pomiędzy nimi wyraźne oddziaływania, całkiem jednak inne od tych w powietrzu. Takie rozemglone otoczki są bowiem właściwie częściami masy jąder, o której można powiedzieć, że z malejącym z odległością prawdopodobieństwem przebywa w tej przestrzeni. Dla naszych podkręconych jąder ma to akurat takie znaczenie, że gdy wirujące otoczki się zderzają, skutkuje to zmianą rozkładu masy pomiędzy nimi. Jeśli oba jądra wirowały w tą samą stronę, pomiędzy nimi nastąpi zagęszczenie prawdopodobieństwa, co będzie odpowiednikiem makroskopowego powstania "mostu" nukleonów łączącego jądra. W efekcie oba jądra są silnie przyciągane. To przyciąganie powoduje, że przekrój czynny zderzających się jader na tyle się zwiększa, że duże prawdopodobieństwo reakcji jądrowych pomiędzy nimi, umożliwia produkowanie nowych pierwiastków w opłacalnych ilościach.
Oczywiście aby efekt mógł zachodzić, spiny obracających się jąder muszą być odpowiednio ustawione, dlatego reakcję przeprowadza się w warunkach silnego pola magnetycznego. Reaktorem jest rurka ze specjalnego niemagnetycznego stopu glinu z aluminium.

Podawane są tu na przykład takie reakcje:
63Cu + 227Ac 197Au + 2 13C
Złoto powstaje w wyniku bombardowania płytki Aktynu, jonami miedzi. Jedynym odpadem jest węgiel.
35Cl + 50Ti 97Tc + 7Li
Technet jako produkt reakcji jąder chloru z tytanem. Odpadem jest lit. Najbardziej obiecująca jest jednak reakcja otrzymywania berkelu z boru i potasu:
10B + 41K 245Bk
Otrzymany izotop, nie występujący w przyrodzie, może znaleźć zastosowanie jako materiał rozszczepialny o małej objętości, umożliwiając stworzenie mikroładunków jądrowych. Niektóre rosyjskie instytucje już okazały zainteresowanie tymi wynikami.
------
[1] The Double Magnus Effect on balls P. Smith, Plasma Phys. 1971 doi: 13.665/0154-3366/71/12/123456
[2] New method of particles synthesis. Quantum Magnus Effect. K.Piokov, JETP vol.144, no.1

Prima Aprilis!

Celem objaśnień:
okazja aby móc sobie zażartować była na tyle kusząca, że nie mogłem się powstrzymać. Byłem szczerze ciekaw, czy któryś z czytelników zorientuje się, że się go wkręca, niestety poza jednym komentatorem, który wyłapał oczywistą bzdurę ze stopem glinu z aluminium (glin i aluminium to ten sam pierwiastek) nikt tu tego nie okazał. W zasadzie pierwsza część wpisu mówiąca o reakcjach jądrowych i o efekcie Magnusa jest najzupełniej prawdziwa. Im bardziej kłamstwo opiera się na prawdzie, tym bardziej jest wiarygodne. Moim wymysłem jest natomiast "podwójny efekt Magnusa" aczkolwiek wymyślony mechanizm jest tak prawdopodobny, że nie będę wcale zaskoczony gdy okaże się, że rzeczywiście następuje (a wtedy zgłoszę się i nazwą efekt moim imieniem). Także przypis został wymyślony, a link do niczego nie prowadzi, choć czasopismo Plasma Physic faktycznie istnieje.
Pan K.Piokow, to Kpiok - czyli 'oszust" w języku rosyjskim, co dla znających ten język mogłoby być wskazówką. Natomiast dla chemików wskazówką fałszywości wpisu powinny być równania reakcji jądrowych, polegające na przestawieniu liter symboli pierwiastków. W efekcie z dwóch bardzo lekkich pierwiastków boru B i potasu K powstawał mi bardzo ciężki berkel Bk, co już dla tych którzy się w równanie wczytają, powinno być dosyć oczywiste. Również tutaj przypis odnosi się do nieistniejącego artykułu, choć link rzeczywiście prowadzi na stronę znanego rosyjskiego czasopisma naukowego.
Teraz zaś oznaczę co jest żartem a co nie, bo nie ma takiej głupoty, w którą ktoś by nie uwierzył.