Opracowanie 'białej' metody in situ oznaczania wybranych pierwiastków toksycznych metodą pXRF w kościach na potrzeby laboratoryjnej toksykologii sądowej

Układ kostny jest postrzegany jako struktura pełniąca funkcje mechaniczne oraz metaboliczne, jednakże ze względu na swoją nieustanną przebudowę kumuluje w sobie różne substancje w tym pierwiastki toksyczne. Należy zwrócić uwagę, że pomimo tego, prawie nigdy nie jest przedmiotem badań toksykologów z uwagi na problematykę eksperymentalną. Kości, jako tkanki zwapniałe, zawierają kolagen i hydroksyapatyt, który umożliwia wbudowywanie metali ciężkich, takich jak Pb, Cd czy Sr, poprzez wymianę jonów, co może wpływać na właściwości kości. Źródła narażenia na toksyczne pierwiastki obejmują wodę, żywność, odpady przemysłowe i przedmioty codziennego użytku. Ze względu na kumulację toksycznych pierwiastków w kościach, mają one znaczenie w toksykologii sądowej, szczególnie w przypadkach długotrwałego narażenia lub rozkładu ciała. Obecnie używane metody oznaczania tych pierwiastków obejmujące ICP-MS lub ASA, charakteryzują się skomplikowanym przygotowaniem próbki powodującym jej zniszczenie, długim czasem analiz oraz wysokimi kosztami. Stąd celem niniejszej rozprawy było opracowanie specyficznej metody (in situ, nieniszczącej, szybkiej, „białej” i terenowej), umożliwiającej oznaczanie toksycznych pierwiastków (Pb, Cd, Sr) w kościach ludzi, z użyciem przenośnego spektrometru pXRF dla potrzeb toksykologii sądowej na rzecz wymiaru sprawiedliwości i organów ścigania. Realizując ten cel opracowano metody oznaczania wyżej wymienionych pierwiastków w kościach poprzez opracowanie i optymalizację autorskiej procedury wytwarzania wzorców stałych w kościach przy użyciu prasy hydraulicznej wykorzystując do tego celu wzorzec NIST 1400 oraz certyfikowane materiały referencyjne. Opracowane metody opierały się na pomiarach w trybie soils oraz wyborze odpowiedniego pasma fluorescencji. Aby zoptymalizować czas analizy przy zachowaniu precyzji, przeprowadzono pomiary 2-gramowej próbki wzorca NIST 1400 z użyciem specjalistycznych kubków pomiarowych XRF, składających się z korpusu o niskiej absorpcji promieniowania rentgenowskiego, folii polipropylenowej (4 μm) oraz pierścienia zaciskowego, co umożliwia stabilne przenikanie promieni X. Wykonano pomiary przy czasach 60 sekund i 600 sekund, gdzie zmierzono Sr i Pb. Wyniki 600-sekundowe dla Sr (241,32 ± 1,78 μg/g) i Pb (9,43 ± 1,29 μg/g) były najbardziej zbliżone do wartości certyfikowanych (Sr: 249,00 ± 7,00 μg/g; Pb: 9,07 ± 0,12 μg/g) i charakteryzowały się mniejszą niepewnością (2σ). Wyniki pomiarów 60-sekundowych wykazały większe odchylenia, lecz pozostały stosunkowo bliskie certyfikowanym wartościom. Wykorzystując wzorzec NIST 1400 opracowano krzywe kalibracyjne dla Sr w zakresie stężeń: 6,23 do 249,00 μg/g. Krzywe kalibracyjne opracowano na podstawie wyników pomiarów w trybie soils oraz wyboru pasma fluorescencji. Obie krzywe charakteryzowały się dobrym współczynnikiem korelacji liniowej odpowiednio R = 0,9984 i R = 0,9967. Używając certyfikowanych materiałów odniesienia opracowano metody oznaczania Pb, Cd i Sr. Podobnie jak w przypadku poprzedniej metody utworzono krzywe kalibracyjne w zakresie dla Pb 12,50 do 200,00 μg/g zarówno dla metody z pomiarem bezpośrednim jak i wyborem pasma, dla Cd 1,60 do 3,40 w metodzie wykorzystującej pomiar w trybie soils i 0,40 do 3,40 μg/g w metodzie wykorzystującej wybór pasma fluorescencji, dla Sr w obu metodach opracowano krzywą w zakresie 40,00 do 300,00 μg/g. Wszystkie krzywe kalibracyjne miały współczynniki korelacji liniowej R > 0,99 za wyjątkiem krzywej dla Cd w metodzie z wyborem pasma fluorescencji, gdzie współczynnik ten był nieco niższy: R = 0,9802. W wyniku kompleksowej walidacji potwierdzono, że opracowane metody spełniają rygorystyczne wymagania stawiane metodom używanym w dochodzeniach kryminalistycznych. Wszystkie opracowane metody charakteryzowały się względnymi błędami standardowymi na poziomie poniżej 5% co pozwoliło sklasyfikować je jako metody ilościowe.

The skeletal system is seen as a structure performing mechanical and metabolic functions, however, due to its constant reconstruction, it accumulates various substances, including toxic elements. It should be noted that despite this, it is almost never the subject of toxicological studies due to experimental issues. Bones, as calcified tissues, contain collagen and hydroxyapatite, which allows the incorporation of heavy metals, such as Pb, Cd or Sr, through ion exchange, which can affect bone properties. Sources of exposure to toxic elements include water, food, industrial waste and everyday objects. Due to the accumulation of toxic elements in bones, they are important in forensic toxicology, especially in cases of long-term exposure or body decomposition. Currently used methods for determining these elements, including ICP-MS or ASA, are characterized by complicated sample preparation causing its destruction, long analysis times and high costs. Hence, the aim of this dissertation was to develop a specific method (in situ, non-destructive, fast, "white" and field) enabling the determination of toxic elements (Pb, Cd, Sr) in human bones, using a portable pXRF spectrometer for the needs of forensic toxicology for the justice system and law enforcement agencies. In order to achieve this aim, methods were developed for determining the above mentioned elements in bones by developing and optimizing an original procedure for producing solid standards in bones using a hydraulic press, using the NIST 1400 standard and certified reference materials. The developed methods were based on measurements in the soils mode and the selection of the appropriate fluorescence band. To optimize analysis time while maintaining precision, measurements were performed on a 2-gram sample of the NIST 1400 standard using specialized XRF measuring cups, consisting of a low X-ray absorption body, a polypropylene film (4 μm) and a clamping ring, which allows stable X-ray penetration. Measurements were performed at 60 s and 600 s for Sr and Pb. The 600 s results for Sr (241.32 ± 1.78 μg/g) and Pb (9.43 ± 1.29 μg/g) were most similar to the certified values (Sr: 249.00 ± 7.00 μg/g; Pb: 9.07 ± 0.12 μg/g) and had a lower uncertainty (2σ). The results of the 60-second measurements showed larger deviations, but remained relatively close to the certified values. Using the NIST 1400 standard, calibration curves were developed for Sr in the concentration range of 6.23 to 249.00 μg/g. The calibration curves were developed based on the results of the soils mode measurements and the selection of the fluorescence band. Both curves were characterized by a good linear correlation coefficient of R = 0.9984 and R = 0.9967, respectively. Using certified reference materials, methods for determining Pb, Cd and Sr were developed. As in the case of the previous method, calibration curves were created in the range for Pb 12.50 to 200.00 μg/g for both the direct measurement and band selection methods, for Cd 1.60 to 3.40 in the soils mode method and 0.40 to 3.40 μg/g in the fluorescence band selection method, for Sr a curve in the range 40.00 to 300.00 μg/g was created in both methods. All calibration curves had linear correlation coefficients R > 0.99 except for the curve for Cd in the fluorescence band selection method, where this coefficient was slightly lower: R = 0.9802. As a result of comprehensive validation, it was confirmed that the developed methods meet the rigorous requirements for methods used in forensic investigations. All developed methods were characterized by relative standard errors below 5%, which allowed them to be classified as quantitative methods.