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