Trinitroaromatic explosives: Modern application, toxicological characterization, and methods of determination

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Начало истории современных взрывчатых веществ условно можно связать с изобретением в середине XIX века нитроглицерина ― первого взрывчатого вещества, превосходящего по мощности чёрный порох [1]. С этого момента взрывотехника получила бурное развитие, которое менее чем за 20 лет привело к появлению самого знаменитого соединения ― тринитротолуола (тротил). В дальнейшем мощность всех других взрывчаток сравнивают с эталонной мощностью тринитротолуола [2].

В связи с появлением более мощных соединений актуальность боевого применения тротила, тетрила и других взрывчатых веществ постепенно снижается, тем не менее для них находятся новые пути применения уже в мирных целях: для подрыва горных пород, получения детонационных наноалмазов, вскрытия ледовых заторов рек и т.п. В процессе проведения подобных работ остатки веществ, а также продукты их разложения и детонации могут накапливаться в объектах окружающей среды. Таким образом, возникает вероятность отравлений и связанная с этим необходимость проведения судебно-химических исследований.

Проблемы анализа данных веществ с точки зрения токсикологической химии изучены недостаточно, поэтому на сегодняшний день актуален вопрос определения подобных веществ в биологических матрицах. Из-за чрезмерного разнообразия структур взрывчатых веществ становится затруднительным изучение полного объёма научной информации относительно всех соединений. Таким образом, в рамках этой работы рассматривались тринитроароматические соединения, в частности тринитротолуол, тетрил и пикриновая кислота.

СОВРЕМЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ТРИНИТРОАРОМАТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Применение пикриновой кислоты в качестве взрывчатого вещества началось в конце XVIII века и привело к значительному повышению мощности артиллерии тех времён. Пикриновая кислота как химическое вещество обладает кислотными свойствами, что позволяет ей активно взаимодействовать с металлами (например, с железным корпусом снаряда) и образовывать с ними соли (пикраты), которые в свою очередь способствуют детонации снаряда в стволе орудия. Подобные боеприпасы могли использоваться только в течение короткого срока после их производства, пока масса пикратов не достигала критического значения, поэтому с изобретением тротила пикриновая кислота была заменена новым взрывчатым веществом [1].

Сегодня пикриновая кислота является основным используемым в производстве нитроароматических взрывчатых веществ компонентом [3], применяется также в производстве красок в качестве аналитического реактива и в кожевенной промышленности.

Как указывалось выше, пикриновая кислота была полностью заменена тротилом, химическая инертность которого открывала широкую возможность изготавливать разнообразные взрывчатые смеси. До сих пор это соединение является основным бризантным взрывчатым веществом, применяемым для снаряжения почти всех видов боеприпасов, а в промышленности используется в основном в смеси с аммиачной селитрой [1].

Взрывчатым свойствам тротила и тетрила нашлось применение и в мирных целях. К примеру, с помощью них получают детонационные наноалмазы ― углеродные наноструктуры с уникальными свойствами, сочетающими в себе пассивное алмазное ядро с активной углеродной оболочкой [4, 5]. Эти структуры применяются в разных областях: для улучшения ракетного топлива, в стоматологических исследованиях, для получения полупроводников. Разрабатываются способы анодирования поверхности алюминия и его сплавов с использованием детонационных наноалмазов [6].

Разведку месторождений и добычу полезных ископаемых проводят взрывными работами с помощью промышленных взрывчатых материалов, в состав которых входят и нитроароматические вещества (тринитротолуол ― в составе твёрдых однокомпонентных материалов и смесей, тетрил ― во взрывчатых материалах с содержанием жидких нитроэфиров) [7]. Взрывчатые вещества применяются также при тушении пожаров, расчистке и выравнивании местности, перфорации нефтяных скважин, детонационном способе обработки металлов и многих других видах работ [8].

ТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

Ввиду основного применения взрывчаток на открытых участках часть веществ остаётся в окружающей среде, загрязняя её. Далее соединения попадают в организмы растений и животных, а через них и в человека. Отравления тринитротолуолом возможны при вдыхании паров или пыли, а также через неповреждённую кожу [9].

Нитрогруппы, попадая в организм, подвергаются восстановлению с последовательным образованием нитрозо-, N-гидроксиламино- и аминофункциональных групп [10]. Эти реакции катализируются нитроредуктазами ― НАДФH-зависимыми ферментами (никотинамидадениндинуклеотидфосфат восстановленными) [10–12], отвечающими за различные функции в клетках. Однако, будучи захваченными молекулами ксенобиотика, эффективно выполнять эти функции не могут, что приводит к патологическим нарушениям. Кроме того, образовавшийся гидроксиламин может конъюгироваться ацетатом или сульфатом, что приведёт к появлению ковалентного аддукта ДНК. Как следствие, нитроароматические взрывчатки могут быть генотоксичными либо за счёт образования стабильных ковалентных аддуктов, либо за счёт окислительного повреждения ДНК [10].

Воздействие пикриновой кислоты через кожу может вызвать рвоту, диарею, головную боль, головокружение и тошноту [13]. Частым симптомом действия тетрила и тротила является дерматит [13, 14], что может быть связано с различной проникающей способностью веществ. Этому заключению способствует исследование характера распределения тетрила: он плохо всасывается через кожу, примерно 65% вводимой дозы остаётся в месте подкожной инъекции [11]. Установлено, что кровь является основным депо для этого соединения, за ней следуют мышцы, печень и почки [11]. Тринитротолуол в неизменённом виде достаточно плохо проникает через билипидный слой клеточной мембраны [15]. У работников цехов по производству тетрила часто встречалась желтоватая окраска открытых участков кожи и волос (исторически этих людей называли «канарейками») [16]. Изменение цвета кожи и волос может варьировать по оттенку до тёмно-оранжевого при воздействии солнечного света, а жирная кожа или сильный пот могут усилить этот эффект.

Под воздействием тетрила развиваются также нарушения дыхательной системы: кашель, одышка, боли в грудной области [16], при этом тяжёлых патологий не описано. Отмечается, что это может быть связано с развитием «устойчивости» организмов при частом слабом воздействии токсиканта [16].

Интересное исследование горметического эффекта от воздействия малых доз тринитротолуола проведено на примере дафнии большой [17]. Этот вид планктонных ракообразных в течение 3 недель подвергали влиянию до 0,22 мг/л вещества (токсический эффект проявляется от 0,97 мг/л) и в результате наблюдали увеличение скорости размножения, хотя более высокие концентрации тринитротолуола приводили к обратному эффекту [17]. Аналогичные результаты описаны в другом исследовании с участием дождевых червей [18], при этом отмечалось, что высокие (сублетальные) дозы тротила приводили к поражению нервной системы, вызывали метгемоглобинемию и ослабляли иммунитет навозных червей [18]. Образование метгемоглобина в патологических количествах отмечается и у людей [9].

Нитроароматические соединения могут негативно воздействовать на иммунную систему, при этом тетрил более иммунотоксичен, чем тринитротолуол [12]. Общая иммунотоксичность взрывчатых веществ и их метаболитов для млекопитающих в целом нарастает с увеличением их электроноакцепторной активности. По этой причине продукты деградации тринитротолуола менее токсичны, чем исходное соединение [12].

СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА

Обнаружение взрывчатых веществ имеет большое значение не только в токсикологических исследованиях, но и в целях обеспечения безопасности людей от террористического применения подобных веществ. По этой причине уже разработаны различные методы и методики анализа этих соединений ― от базовых органолептических способов до перспективных наработок.

Общепризнано, что собаки обладают острым обонянием. В связи с этим были проведены исследования по определению чувствительности к некоторым веществам. В зависимости от целевого соединения предел обнаружения находился в диапазоне от 0,5 до 10 ppb (ppb ― частей на миллиард) [19], при этом представленные в статье кривые чувствительности аналогичны полученным с помощью физического детектора, что свидетельствует о повторяемости получаемых результатов. Сначала в процессе дрессировки животному дают одорологическую (запаховую) смесь, состоящую из небольшого количества целевого компонента, распределённого в среде инертного носителя [20]. Затем собака должна испытать проверяемый объект и, если его запах совпадёт с запахом смеси, подать сигнал кинологу посредством лая, принятия какой-либо позы или иным заранее установленным способом. Однако таким способом можно судить лишь о наличии или отсутствии вещества. Стоит отметить также низкую надёжность такого высокочувствительного, но всё же органолептического метода, обладающего некоторой неопределённостью в своём механизме. Тем не менее данный метод вполне уместен для предварительного определения в условиях недоступности лабораторного инструментария.

Схожим по молекулярному механизму, но более точным и надёжным является способ применения белка реакционного центра бактерии (Bacterial reaction centre, BRC) в качестве биосенсора [21]. В результате взаимодействия образуется продукт с пиками поглощения при 345 нм и 415 нм [21], что позволяет проводить дальнейшие спектрофотометрические исследования. Подобные разработки призваны в первую очередь удешевить проведение исследований, т.к. более популярные на данный момент методы требуют достаточно дорогостоящего оборудования, а процесс выращивания необходимых бактерий значительно дешевле и доступнее. Кроме того, получаемый белок можно в дальнейшем иммобилизировать на поверхности зонда для изготовления спектроскопического электрохимического биосенсора.

Несмотря на достаточно хорошую оснащённость антитеррористических служб [22], в некоторых химических лабораториях до сих пор ощущается нехватка передового оборудования. По этой причине всё ещё остаются актуальными такие старые методы, как вольтамперометрия [23] и, конечно же, цветные химические реакции [19, 24].

Химические реакции для идентификации нитроароматических соединений основаны на образовании нитрит-иона при взаимодействии со щелочами с последующим определением реакцией Грисса (получение диазосоединения с сульфаниловой кислотой и дальнейшее азосочетание с 1-нафтиламином). Чувствительность такого способа составляет 0,05 мкг [19].

С течением времени метод значительно модифицировался. Например, венгерский химик L. Ilosvay предложил использовать уксуснокислый раствор сульфаниловой кислоты, а немецкий учёный P.N. Franchimont восстанавливал нитрамины (присутствует в структуре тетрила) до нитрит-ионов под действием цинка и уксусной кислоты. Иногда вместо 1-нафтиламина использовали N,N-диметил-1-нафтиламин или N-(1-нафтил)-этилендиамин с целью повышения устойчивости конечного продукта реакции. Позже уксусная кислота была заменена на фосфорную или соляную. Применялась также реакция Яновского, в том числе модифицированная. В частности, набор для тестирования ETK (Earth Test Kit) на первом этапе предполагал нанесение на образец гидроксида калия в виде этанол-диметилсульфоксидного раствора. При наличии динитроароматического соединения с метарасположением нитрогрупп наблюдается окраска раствора в характерный цвет (фиолетовый для тринитротолуола [19]). Одновременно нитрамины превращаются в нитрит-ионы и на следующем этапе обнаруживаются при помощи реакции Грисса (J.P. Griess).

Более современные исследования предлагают применение колориметрических зондов на основе наночастиц золота (Aurum nanoparticles, AuNP) [25, 26]. Поверхность такого зонда модифицируется тирамом (тетраметилтиурамдисульфид), который посредством атомов серы прикрепляется к золоту, а третичной аминогруппой связывает нитрогруппы тринитротолуола или тетрила, извлекая их из почвы или других объектов исследования. Далее полученный образец подвергается спектрофотометрии. Присоединение молекул взрывчатых веществ к поверхности зонда приводит к батохромному сдвигу в характеристической полосе поглощения. Предел обнаружения и предел количественного определения составляют 5 и 15 ppb соответственно [25].

В качестве активной поверхности подобных зондов могут выступать квантовые точки [27, 28], кремниевые наночастицы с полиаминовыми и тиольными группами на поверхности [29], а также другие компоненты (наноматериалы), флуоресцирующие при взаимодействии с молекулой аналита [30]. Кроме того, разработаны зонды с нефлуоресцентными способами детекции. Их активные поверхности могут содержать порфирины с добавлением фосфонатов [31] или иметь полидиацетиленовое покрытие [32].

Отмечается, что углеродные [33] и кремниевые [34] нанотрубки являются высокочувствительными к структуре тетрила, а значит, могут использоваться для его электрохимического обнаружения. Предложен гибридный наносенсор, одновременно определяющий величину электрохимического тока и проводимость электронно-дырочного перехода под воздействием тринитротолуола [35].

Разработаны методы обнаружения с применением рамановской спектроскопии. Отмечается, что наилучшие спектры комбинационного рассеяния сигнала к шуму могут быть достигнуты при лазерном возбуждении на длине волны 514,5 нм вследствие высокой эффективности рассеяния [36]. Особенность структуры большинства взрывчатых веществ заключается в более высокой доле кислорода и азота по сравнению с невзрывчатыми соединениями. Эта особенность лежит в основе машинного обучения методом анализа основных компонентов (Principal component analysis, PCA) [36].

На сегодняшний день наиболее распространёнными способами химического анализа являются хроматографические методы в сочетании с различными детекторами, в частности газовая хроматография / сочетание методов высокоэффективной жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии. К примеру, использование масс-спектрометрического детектора с определением соотношения изотопов (Isotope-ratio mass spectrometry, IRMS) позволяет дифференцировать образцы по источнику происхождения, что невозможно достичь более традиционными методами [37]. Однако, как и для других веществ, для нитроароматических соединений необходимо учитывать некоторые особенности их физико-химических свойств.

Нитрогруппы, присутствующие в структуре взрывчатого вещества как в сопряжённых, так и несопряжённых системах, значительно повышают полярность молекулы, что способствует чрезмерной адсорбции в колонке и приводит к плохой форме хроматографических пиков. Решением проблемы является применение холодного ввода пробы непосредственно в колонку [38]. Для подобного анализа необходимы чистая колонка и надёжный газовый хроматограф. Кроме того, взрывчатые вещества очень чувствительны к различным физическим воздействиям, что дополнительно усложняет методику их определения.

Для решения проблем пробоподготовки можно применять масс-спектрометрию DART (Direct Analysis in Real Time) с минимальной пробоподготовкой или без неё. Такой способ позволяет одновременно обнаруживать до пяти взрывчатых веществ, получая легкоидентифицируемые масс-спектры (описываются методики для твёрдых и жидких образцов) [39]. В анализе взрывчатых веществ активно применяется и газовая хроматография в сочетании со спектрометрией подвижности ионов (дифференциальная подвижность) [40, 41].

Менее изученными остаются некоторые перспективные методы, например иммуноферментный анализ [42], а также определение по гашению хемилюминесценции бипиридинового комплексного иона рутения [43]. Предлагается использование устройств для струйной печати в качестве модификации вольтамперометрии [3].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На сегодняшний день исследованы возможности применения разнообразных физико-химических, инструментальных и иных способов определения взрывчатых веществ, в том числе для тринитротолуола, тетрила и пикриновой кислоты. Активно развивается направление по разработке аналитических зондов. Основная часть наиболее поздних исследований посвящена именно этим приборам. Актуальными остаются и широко распространённые хромато-спектрометрические методы. При этом недостаточно исследований, рассматривающих взрывчатые вещества с токсикологической точки зрения.

Поскольку абсолютное большинство работ, посвящённых изучению способов определения тринитроароматических взрывчатых веществ, используют в качестве объектов исследования небиологические матрицы, то их применение в химико-токсикологическом анализе затруднительно. Существующие методики не учитывают особенности изолирования веществ, связанных белковыми молекулами или иным образом распределённых в биоматериале.

По нашему мнению, необходимы дополнительные исследования химико-токсикологического характера для установления оптимальных условий извлечения рассматриваемых веществ, параметров инструментального анализа, возможности хранения образцов и решения других проблем судебно-медицинской экспертизы.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении поисково-аналитической работы.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Вклад авторов. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение поисково-аналитической работы и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией). Наибольший вклад распределён следующим образом: В.К. Шорманов, Н.Г. Погосян ― проведение поисково-аналитической работы и написание текста статьи; В.А. Омельченко, Л.Л. Квачахия ― научное редактирование рукописи; В.К. Шорманов, Н.Г. Погосян, В.А. Омельченко, Л.Л. Квачахия ― рассмотрение и одобрение окончательного варианта рукописи.

ADDITIONAL INFORMATION

Funding source. This article was not supported by any external sources of funding.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Authors’ contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work. V.K. Shormanov, N.G. Pogosyan — conducting search, analytical work and writing the text of the article; V.A. Omelchenko, L.L. Kvachakhia — scientific editing of the manuscript; VC. Shormanov, N.G. Pogosyan, V.A. Omelchenko, L.L. Kvachakhia — consideration and approval of the final version of the manuscript.

About the authors

Norayr G. Pogosyan

Kursk State Medical University

Author for correspondence.
Email: nulla1@ya.ru
ORCID iD: 0000-0003-0276-1711
SPIN-code: 4214-2739
Russian Federation, Kursk

Vladimir K. Shormanov

Kursk State Medical University

Email: R-WLADIMIR@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8872-0691
SPIN-code: 9160-9708

Dr. Sci. (Pharm.), Professor

Russian Federation, Kursk

Lekso L. Kvachakhiya

Kursk State Medical University

Email: lekso82@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-5899-0420
SPIN-code: 8108-0811

Dr. Sci. (Pharm.), Assistant Professor

Russian Federation, Kursk

Vladimir A. Omelchenko

Forensic Expert Center of the Main Directorate of the Ministry of Internal Affairs of Russia for the Krasnodar Territory

Email: eku_adis@krn.mvd.ru
ORCID iD: 0000-0002-0504-3478
SPIN-code: 3400-2710

Cand. Sci. (Pharm.)

Russian Federation, Krasnodar

References

Supplementary files