СПОСОБ АНАЛИЗА ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF ANALYSING CHEMICAL COMPOSITION OF MATERIALS

Изобретение относится к области химического анализа веществ и может быть использовано для определения состава, количества и пространственного распределения химических соединений в твердых и жидких образцах. В частности, заявляемый способ может быть использован в биологии и медицине для анализа биологических тканей и жидкостей, в фармакологии для определения концентрации биологически активных компонентов лекарств, в допинг-контроле для проведения контроля в реальном времени, в системах обеспечения безопасности для определения присутствия наркотических и взрывчатых веществ в реальном времени, для экспресс-анализа органических и биоорганических соединений при экологическом контроле.
Известен способ анализа материалов с помощью импульсной лазерной спектроскопии, включающий фокусировку лазерного излучения на поверхности исследуемого объекта, создание лазерной плазмы с помощью лазерного импульса, исследование плазмы с помощью спектрального прибора, в котором используют импульс лазера длительностью от 5 до 5000 пс, при этом выбирают плотность мощности излучения, равную или превышающую пороговый уровень пробоя материала
[патент РФ №2312325, G01N 21/63, опубл. 10.12.2007].
Способ позволяет проводить послойный анализ образцов в спектральном диапазоне регистрирующего устройства - в области от ультрафиолетовой до ближней инфракрасной части спектра. Способ применим для анализа элементного состава образца, однако малоинформативен при определении органических и биоорганических соединений. Недостатком известного способа также является низкая чувствительность и селективность анализа.
Известен способ анализа материалов с помощью импульсной лазерной спектроскопии, основанный на использовании двух различных лазеров, излучение которых фокусируется на поверхность исследуемого образца. При этом два коллинеарных лазера создают два импульса - в ультрафиолетовой и в ближней инфракрасной области. Первый лазерный импульс испаряет материал и создает плазму, второй лазерный импульс дополнительно возбуждает плазму.
Использование второго лазера позволяет увеличить чувствительность анализа при определении элементного состава образца, однако такой способ не позволяет идентифицировать и определять сложные органические и биоорганические соединения
[патент США №6008897, G01N 21/63, опубл. 19.07.2000 г.].
Известен способ анализа материалов с помощью импульсной лазерной масс-спектрометрии при атмосферном давлении, включающий фокусировку фемтосекундного лазерного излучения на поверхности исследуемого образца, создание лазерной плазмы в результате абляции материала образца, ионизацию молекул материала образца и детектирование ионов с помощью масс-анализатора
Способ позволяет проводить анализ состава и пространственного распределения химических соединений в твердых и жидких образцах (в том числе биологических). Недостатком известного способа является сравнительно низкая эффективность ионизации, ограниченное число классов анализируемых химических соединений и необходимость использования технологически сложных фемтосекундных лазерных систем
[Yves Coello, A. Daniel Jones, Tissa С.Gunaratne, Marcos Dantus. Atmospheric Pressure Femtosecond Laser Imaging Mass Spectrometry // Anal. Chem. 2010, V.82, Р.2753-2758].
Наиболее близким техническим решением является способ анализа материалов, включающий облучение мишени с находящимися на ее поверхностями химическими соединениями (аналитами) потоком лазерного излучения, ионизацию молекул аналитов, выделение и транспортировку ионов аналитов в дрейфовый спектрометр, при этом для ионизации молекул аналита поток газа с десорбированными с мишени молекулами аналита направляют соосно и навстречу потоку лазерного излучения, облучающего мишень, а со стороны ввода лазерного излучения вводят поток буферного газа, создающего газовый затвор потоку ионизированного газа на входе в систему выделения и транспортировки ионов, где и осуществляют его вывод для последующей циркуляции.
Апробация способа проведена при детектировании гексогена и тринитротолуола, нанесенных на облучаемую мишень в количестве от 10 нг до 10 мкг.
Поскольку ионизация молекул аналита осуществляется лазерным излучением, то известный способ позволяет анализировать только те химические соединения, которые имеют полосу поглощения при длине волны используемого лазерного излучения, что существенно ограничивает число классов определяемых соединений
[патент РФ №2434225, G01N 21/63, опубл. 20.11.2011. Прототип].
Недостатком известного способа также являются сравнительно невысокая эффективность получения ионов аналитов, поскольку зона ионизация ограничена лазерным лучом. Невысокая эффективность ионизации предопределяет и невысокую чувствительность известного способа.
Дополнительными недостатками являются также ограничения на конструктивную реализацию метода, обусловленные необходимостью организации потока газа с десорбированными с мишени молекулами аналита соосно и навстречу потоку лазерного излучения, а также использования специальной системы циркуляции.
Технической задачей изобретения является создание способа анализа химического состава материалов, обеспечивающего возможность определения широкого класса химических соединений с высокой чувствительностью в реальном времени.
Поставленная задача решается тем, что в способе анализа химического состава материалов, включающем лазерное испарение или абляцию исследуемых образцов, ионизацию продуктов лазерного испарения или абляции исследуемых образцов и детектирование полученных ионов масс-анализатором, используют дополнительно введенную твердую мишень для генерации лазерной плазмы путем воздействия на нее лазерным излучением, а ионизацию продуктов лазерного испарения или абляции образцов осуществляют с использованием полученной лазерной плазмы.
Преимущественно ионизацию продуктов лазерного испарения или абляции образцов ведут в присутствии дополнительно введенного газа-реагента, в качестве которого используются химические соединения, содержащие гидроксильные, или амино-, или сульфгидрильные группы.
Обычно ионизацию продуктов лазерного испарения или абляции образцов осуществляют излучением лазерной плазмы, энергия квантов которого превышает потенциал ионизации продуктов лазерного испарения или газа-реагента.
Целесообразно испарение исследуемого образца и создание плазмы вести посредством деления луча используемого лазера или посредством использования, по крайней мере, двух лазеров.
Преимущественно, создание плазмы и абляция образца производят одночастотным или многочастотным импульсным лазерным излучением.
Обычно материал мишени выбирают из условия поглощения им лазерного излучения, используя мишень, выполненную из металлов, или полупроводниковых материалов, или графита.
Обычно лазерное испарение осуществляют посредством пространственного сканирования поверхности анализируемого твердого или жидкого образца лазерным лучом, а исследуемый образец размещают с возможностью его перемещения относительно масс-спектрометра и/или лазерного луча.
В качестве масс-анализатора используют масс-спектрометр, а лазерное испарения образца и создание плазмы осуществляют при атмосферном давлении.
Ниже приведенные графические материалы и примеры поясняют существо заявляемого способа.
На Фиг.1 схематично представлено устройство для реализации заявляемого способа. Анализ состава и пространственного распределения химических соединений реализуется следующим образом. Излучение импульсного лазера 1 поступает на светоделительную пластину 2. Отраженная от пластины 2 часть излучения поступает на линзу 4а и фокусируется на поверхности исследуемого образца 6, закрепленного на двухкоординатном столике. При помощи столика исследуемый образец может перемещаться относительно заборного устройства масс-спектрометра 9. Управление перемещением осуществляется по двум координатам от компьютера в соответствии с заданной программой, а перемещение по третьей координате производится перемещением в резьбе детали, поднимающей или опускающей столик. Можно также использовать сканирование поверхности образца лазерным лучом. В этом варианте образец остается неподвижным относительно заборного устройства, а лазерный луч в соответствии с заданной программой фокусируется на различные участки поверхности анализируемого образца. В обоих вариантах воздействие отраженной от светоделительной пластины 2 части лазерного излучения на образец 6 приводит к лазерному испарению или абляции пробы. Прошедшая через светоделительную пластину 2 часть излучения отражается от зеркала 3, поступает на линзу 46 и фокусируются на поверхности мишени 5. Воздействие лазерного излучения на мишень 5 приводит к генерации лазерной плазмы, излучение которой, в свою очередь, ионизует продукты лазерного испарения или абляции пробы. Образовавшиеся ионы 8 через заборное устройство поступают в масс-анализатор 9. По полученным спектрам определяется химический состав исследуемого образца. При этом газовый затвор в устройстве для реализации метода не требуется, т.к. для ввода ионов в масс-анализатор используется поток газа, забираемого масс-анализатором. Это упрощает конструкцию прибора по сравнению с прототипом за счет отказа от системы циркуляции, используемой в прототипе.
Генерация лазерной плазмы (плотной нестационарной плазмы) осуществляется под действием интенсивного лазерного излучения на отдельно расположенную мишень. Лазерная плазма является интенсивным источником ультрафиолетового (УФ) излучения, причем коэффициент преобразования энергии лазерного импульса в УФ излучение с энергией кванта более 8 электронвольт может превышать десятки процентов. Соответственно, материал мишени и плотность энергии лазерного излучения на мишени необходимо выбирать так, чтобы спектр излучения лазерной плазмы содержал кванты с энергией, большей потенциала ионизации продуктов абляции или газа реагента. Мишень целесообразно выполнять из металлического, полупроводникового материала или графита.
Ионизацию продуктов лазерного испарения анализируемого образца можно также осуществлять ионами, полученными в результате воздействия излучения плазмы на молекулы газа-реагента. В этом случае излучение плазмы вначале ионизует молекулы газа-реагента, а образовавшиеся первичные ионы затем вступают в ион-молекулярные реакции с молекулами анализируемого вещества. Образующиеся вторичные ионы, характеризующие состав анализируемого образца, затем детектируются в масс-анализаторе. В частности, в качестве ион-молекулярных реакций могут быть использованы реакции переноса протона. В этом случае в качестве газа-реагента целесообразно применять химические соединения, содержащие в своем составе протонодорные функциональные группы, например, гидроксильные ОН-, или сульфгидрильные SH-, или аминогруппы.
Пример 1. Анализ лекарственных препаратов.
Используется установка, собранная по схеме на Фиг.1. Лазерная система представляет собой твердотельный Nd:YAG лазер (длина волны 1060 нм) с диодной накачкой и генерацией гармоник (длина волны 530 нм и 355 нм). В качестве светоделительной пластины 2 на Фиг.1 используется интерференционное зеркало, отражающее ультрафиолетовое (УФ) излучение третьей гармоники (длина волны 355 нм) и пропускающее инфракрасное (ИК) излучение и излучение в видимой области. Для лазерного испарения образца используется третья гармоника основного излучения, а для создания плазмы в источнике УФ излучения - основное излучение (1064 нм) и его вторая гармоника (530 нм). Анализ ионов продуктов испаренного вещества проводится при помощи масс-анализатора, выполненного по схеме времяпролетного рефлектрона длиной 0,9 м. Транспортировка ионов в вакуумную камеру из области ионизации проводится через высокочастотный газонаполненный транспортный квадруполь (3 МГц, 1 кВ). После прохождения масс-анализатора ионы детектируются вторично-электронным умножителем.
Анализируемая таблетка лекарственного препарата извлекалась из упаковки и устанавливалась в камеру образца без пробоподготовки. В качестве мишени для создания плазмы используется пластина, выполненная из ванадия. На Фиг.2 приведены масс-спектры, полученные при анализе лекарственных препаратов, содержащих карбамазепин (а), эритромицин (б), феназепам (в) и силденафил (г). Время анализа составляет несколько секунд. Исследованные соединения относятся к различным химическим классам, имеют различные потенциалы ионизации, характеризуются различными электронными спектрами и существенно отличаются положениями полос поглощения излучения. Однако все они эффективно детектируются при использовании заявляемого способа.
Для оценки чувствительности заявляемого метода действующие вещества таблеток выделяли в чистом виде и растворяли в соответствующем растворителе. Вещества последовательно наносили на металлическую пластину в количестве от 0.1 нг до 10 нг, которую затем устанавливали в камеру образца для проведения анализа. Для всех исследованных веществ предел обнаружения не превышал 0.1 нг.
Пример 2. Анализ пищевых продуктов.
2
Используется установка, собранная по схеме на Фиг.1. Лазерная система представляет собой твердотельный Nd:YAG лазер (длина волны 1064 нм) с диодной накачкой без генерации гармоник. В качестве светоделительной пластины 2 на Фиг.1 используется полупроницаемая платина, частично отражающая лазерное излучение. Транспортировка и анализ ионов осуществляются аналогично примеру 1. Зона ионизации продувается потоком азота с насыщенными парами газа-реагента - воды НО.
+
В камеру образца без пробоподготовки помещается образец размолотого порошка кофе, на который фокусируется часть излучения, прошедшая светоделительную пластину. В качестве мишени для создания плазмы используется пластина, выполненная из ванадия. На Фиг.4 приведен участок масс-спектра, полученного при анализе образца. Пик с отношением массы к заряду m/z 195 соответствует протонированным молекулам кофеина (М+Н). При этом при перекрытии лазерного луча, используемого для генерации плазмы, пик кофеина исчезает из масс-спектра, что свидетельствуют о том, что именно излучение лазерной плазмы индуцирует процессы ионизации.
Пример 3. Анализ веществ с высоким значением потенциала ионизации.
Используется установка, собранная по схеме на Фиг.1 и описанная в примере 1. Зона ионизации продувается потоком газа криптона. На Фиг.3 представлен полученный масс-спектр, В приведенном масс-спектре легко определяются ионы криптона, а их положение и амплитуда достаточно точно отражает изотопический состав этого газа (более сильные пики соответствуют ионам органических соединений). Полученные результаты свидетельствуют о том, что заявляемый способ позволяет анализировать вещества с потенциалом ионизации вплоть до 14 эВ.
Пример 4. Анализ пространственного распределения соединений в твердых образцах.
Используется установка, описанная в примере 1. На двухкоординатном столике фиксируется волос человека. На образец фокусируется УФ лазерное излучение и проводится измерение химического состава в соответствии с заявляемым методом. На Фиг.5(а) приведен масс-спектр, полученный в области низких значений m/z. В диапазоне m/z 40+250 а.е.м. в спектре наблюдается около 50 пиков. В масс-спектре выделяется пик с m/z 70, имеющий наибольшую амплитуду, и проводится анализ пространственного распределения соединения, которому соответствует этот пик (строится изображение образца по выбранному пику). Для этого исследуемый образец перемещается относительно заборного устройства масс-спектрометра по двум координатам, и в каждой точке определяется амплитуда данного пика. На Фиг.5(б) показано изображение волоса, полученное в области m/z 70 (более светлые участки соответствуют участкам с большей амплитудой пика).
Таким образом, в заявляемом способе анализа состава и пространственного распределения химических соединений используются три различных физико-химических процесса: лазерное испарение или абляции пробы, генерация лазерной плазмы и ионизация молекул химических соединений при атмосферном давлении с использованием излучения лазерной плазмы.
Лазерное излучение обеспечивает импульсное испарение выбранного участка исследуемого образца с высоким пространственным разрешением. Варьируя интенсивность излучения, можно проводить как анализ адсорбированных на поверхности образца химических соединений, так и анализ самого образца. В последнем случае используется лазерная абляция - процесс взрывного испарения материала под действием интенсивного лазерного излучения. При использовании лазеров с наносекундной или меньшей длительностью импульса размер области абляции практически точно определяется размером лазерного пятна на поверхности объекта, а глубина абляции - глубиной проникновения излучения в вещество. Лазерная оптика позволяет формировать пятно с размерами в десятки микрометров и меньше, что обеспечивает возможность анализа пространственного распределения химических соединений в твердых и жидких образцах.
Поскольку лазерная плазма является широкополосным источником УФ излучения со спектром, простирающимся вплоть до мягкого рентгеновского излучения, это позволяет ионизовать практически любые химические соединения. Ионизация продуктов испарения осуществляется непосредственно перед заборным устройством масс-спектрометра и, кроме того, зона ионизация не ограничена лазерным лучом. Это позволяет увеличить эффективность получения ионов аналитов по сравнению с прототипом. Наконец, лазерное излучение, применяемое для испарения или абляции образца, не используется для ионизации, что значительно упрощает конструктивные решения прибора.