СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ МЕТОДОМ ХРОМАТО-МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ
METHOD OF IDENTIFYING ORGANIC COMPOUNDS BY CHROMATOGRAPHIC-MASS SPECTROMETRY

Способ идентификации органических соединений на основе совместного использования методов газовой хроматографии, масс-спектрометрии электронной ионизации и масс-спектрометрии отрицательных ионов резонансного захвата электронов (МС ОИ РЗЭ) заключается в том, что после хроматографического разделения вещества ионизируются методом электронной ионизации с детектированием положительных ионов (ПИ) и/или ионизируются электронами, обладающими энергией от 0 до 15 эВ, с регистрацией отрицательных ионов, и на основе взаимодополняющих полученных данных устанавливается состав исследуемой пробы и молекулярная структура индивидуальных соединений.
Изобретение относится к исследованию или анализу материалов путем измерения их физических свойств с использованием метода масс-спектрометрии положительных ионов и масс-спектрометрии отрицательных ионов резонансного захвата электронов.
Техническим результатом изобретения является повышение достоверности и надежности идентификации веществ в сложных многокомпонентных смесях, расширение функциональных возможностей масс-спектрометрического метода. На базе полученных результатов возможно появление программного продукта для автоматической идентификации органических соединений.
Высокая чувствительность, широкий диапазон исследуемых веществ, большой объем аналитической информации обеспечили современной масс-спектрометрии одно из ведущих мест среди физико-химических методов анализа. В сочетании с газовой или жидкостной хроматографией, осуществляющей разделение смеси на отдельные компоненты, масс-спектрометрия позволяет устанавливать структуру соединений и проводить количественный анализ.
Разнообразие методов ионизации: электронная ионизация, химическая ионизация, электроспрей и т.д., применяемые детекторы: квадрупольный, времяпролетный и др. обуславливает широчайший спектр применимости масс-спектрометрии.
Развитие и применение вычислительной техники, хорошая воспроизводимость спектров электронной ионизации позволили создать компьютерные библиотеки масс-спектров. Масс-спектральная библиотека NIST 2014, содержит 276248 спектров электронной ионизации для 242466 соединений.
При всех положительных сторонах методов газовой (жидкостной) хроматографии и масс-спектрометрии при идентификации органических соединений решение ряда аналитических задач требует применения дополнительных методов получения информации.
В качестве наиболее близкого аналога к настоящему изобретению можно назвать «Способ идентификации органических соединений на основе метода высокоэффективной жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии» [Патент № RU 2469314 С2, приоритет от 10.02.2011 года. Интернет-ресурс: www1.fips.ru]. Основным недостатком данного способа является то, что получение аналитической информации о соединениях авторами возможно при наличии дополнительного оборудования для проведения «мягкой» химической ионизации, что требует дополнительных финансовых затрат и квалифицированных специалистов.
+·
+·
В результате исследований [Самохин А.С., Ревельский И.А. Интенсивность пика молекулярного иона в масс-спектрах электронной ионизации // МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ 9 (1)′ 2012, 58-60] было установлено, что только около 26% соединений обладают интенсивным пиком М (более 50% от интенсивности основного пика), а интенсивность пика М не превышает 1 или 5% от основного пика для порядка 24 или 37% соединений, соответственно, что затрудняет идентификацию неизвестных соединений.
-
-
2
В научном обзоре [Мазунов В.А., Щукин П.В., Хатымов Р.В., Муфтахов М.В. Масс-спектрометрия отрицательных ионов в режиме резонансного захвата электронов. Учебный обзор // МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ 3 (1)′ 2006, 11-32.] сделаны выводы о том то, что когда в масс-спектре положительных ионов отсутствует пик молекулярного иона, в масс-спектре ОИ регистрируется либо М, либо (М-Н). Кроме того, МС ОИ РЗЭ более предпочтительна для соединений с положительной величиной сродства к электрону. Большое влияние на величину энергии сродства к электрону оказывает наличие таких функциональных групп, как CN, NO, SH, PhO, ОН и др.
-
-
+
+
Таким образом, важным преимуществом метода МС ОИ РЗЭ является его способность к обнаружению молекулярных М и/или псевдомолекулярных ионов (М-Н) даже в случае отсутствия аналогичных пиков ионов М и (М-Н) в масс-спектрах положительных ионов. Отличительные особенности фрагментации отрицательных ионов предоставляют возможность получения дополнительных или даже превосходящих по информативности аналитических данных.
Метод масс-спектрометрии отрицательных ионов резонансного захвата электронов (или его аналоги) совершенствовался в нескольких научных центрах по всему миру. На протяжении нескольких десятилетий были продемонстрированы широкие возможности метода, в частности, для изучения геометрической и электронной структуры органических, металлоорганических соединений и атомных кластеров, установления целого ряда термохимических характеристик молекул и анионов, а также показана его ценность для аналитических исследований. В 1981 году в монографии В.И. Хвостенко [Хвостенко В.И. Масс-спектрометрия отрицательных ионов в органической химии, Наука, Москва, 1981] были сформулированы основные правила образования отрицательных ионов:
1. В масс-спектрах отрицательных ионов наблюдаются пики только таких ионов, соответствующие нейтральные частицы которых обладают положительной величиной сродства к электрону.
2. Диссоциация отрицательных молекулярных ионов с образованием осколочных ОИ осуществляется преимущественно простым разрывом связей, поскольку медленные перегруппировочные процессы маловероятны из-за конкуренции со стороны процесса выброса электрона.
3. Диссоциация происходит, в основном, по тем направлениям, которые обеспечивают сохранность узловых свойств (симметрии) волновых функций молекулярных орбиталей отрицательных молекулярных ионов.
Основные различия в закономерностях ионообразования положительно и отрицательно заряженных ионов заключаются в следующем. Положительные ионы образуются под воздействием ионизирующих электронов высокой энергии, превосходящей энергию ионизации молекулы 7-12 эВ. Наиболее интенсивное ионообразование достигается при энергиях 50-70 эВ, при которых, как правило, преимущественно образуются многочисленные фрагментные (в т.ч. перегруппировочные) положительно заряженные ионы низких масс до 100 Да, малоинформативные с точки зрения аналитики. Отрицательные же ионы образуются присоединением к молекулам электронов низких энергий от 0 до 15 эВ. Этой энергии недостаточно для протекания глубоких многостадийных фрагментационных процессов, вследствие чего масс-спектры отрицательных ионов малолинейчаты. Малолинейчатости масс-спектров способствуют также вышеупомянутые запреты по симметрии и по времени жизни молекулярных ионов относительно автоотщепления электрона. Как правило, фрагментация отрицательных ионов происходит простым разрывом одной-двух связей с образованием ионов в области масс, близких к молекулярным.
Препятствием для широкого применения метода МС ОИ РЗЭ долгое время оставалось отсутствие пригодной для этих целей масс-спектрометрической техники: возникала необходимость в специальном переоборудовании и усовершенствовании промышленно изготовленных громоздких магнитно-секторных масс-спектрометров, малопригодных для аналитических целей [Мазунов В.А., Хвостенко В.И. Работа с отрицательными ионами на промышленных масс-спектрометрах // Приборы и техника эксперимента, 1969. - №4. - С. 224-225. Муфтахов М.В., Васильев Ю.В., Назиров Э.Р., Мазунов В.А. Электронный монохроматор для источника отрицательных ионов масс-спектрометра МИ-1201 // Приборы и техника эксперимента, 1989. - №2. - С. 166-168]. Однако в настоящее время заложенная в современных коммерческих масс-спектрометрах функция работы в режиме регистрации отрицательных ионов и возможность регулирования энергии ионизирующих электронов открывает широкие перспективы для повсеместного применения этого редкого метода.
Нами предложено использовать возможности коммерческого газохроматографического комплекса для проведения анализа классическим способом в комбинации с методом МС ОИ РЗЭ. Для этого в настройках прибора устанавливается режим регистрации отрицательных ионов и вручную регулируется энергия ионизирующих электронов.
Для идентификации органических соединений оператором хромато-масс-спектрометрического комплекса последовательно проводятся анализы с регистрацией положительных ионов (как правило, при стандартной энергии ионизации 70 эВ) и затем ОИ при выбранных энергиях ионизации в диапазоне от 0 до 15 эВ.
Таким образом, используя один аналитический прибор, можно получать аналитическую информацию от трех разных физико-аналитических методов, взаимно дополняющих друг друга.
Хроматографический метод используется для разделения смеси веществ и установления индексов удерживания, помогающих в установлении структуры соединения. Установление структуры хроматографически выделенного соединения происходит в несколько этапов.
По зарегистрированному при стандартной энергии электронов (70 эВ) масс-спектру положительных ионов проводится идентификация структуры вещества. При этом выявляются пики ионов максимальной массы; по характерному изотопному распределению пиков устанавливается наличие в структуре вещества атомов хлора, брома, серы, кремния; по наличию характеристичных пиков фрагментных ионов (фиг. 1) и/или по характерной величине интервалов Δm/z между пиками делается вывод о наличии в структуре молекул определенных атомов или функциональных групп. Отдельным этапом является хромато-масс-спектрометрический анализ пробы в режиме регистрации ОИ при энергии электронов от 0-15 эВ, который может быть проведен как до, так и после обычного анализа в режиме ПИ. Идентификация по масс-спектру отрицательных ионов проводится по аналогичной схеме. По хроматограмме рассчитываются индексы удерживания соединения. На заключительном этапе проводится сравнительный анализ масс-спектров ПИ и ОИ: по наибольшему значению m/z наблюдаемых пиков делается вывод о молекулярной массе соединения, а по характеристичным пикам фрагментных ионов и их изотопному распределению устанавливается брутто-формула и присутствие тех или иных функциональных групп и их последовательность в структуре соединения. Таким образом, после сопоставления данных трех методов происходит установление структуры исследуемых соединений. В случае возникновения затруднений, делается повторный анализ в режиме МС ОИ РЗЭ при другой энергии электронов в диапазоне 0-15 эВ. Пики молекулярных ОИ, как правило, проявляются при энергии, близкой к 0 эВ.
Задача настоящего изобретения заключается в совершенствовании способа идентификации органических соединений на основе совместного использования методов газовой хроматографии, традиционной масс-спектрометрии положительных ионов и МС ОИ РЗЭ.
Решение поставленной задачи предполагает технический результат, заключающийся в повышении достоверности и объективности информации, расширении функциональных возможностей метода масс-спектрометрии.
Поставленная задача решается тем, что в способе идентификации органических соединений методом хромато-масс-спектрометрии на основе совместного использования методов газовой хроматографии, масс-спектрометрии положительно заряженных ионов и масс-спектрометрии ОИ РЗЭ согласно предлагаемому решению после газохроматографического разделения происходит ионизация исследуемого соединения электронной ионизацией при энергиях электронов 70 эВ с регистрацией положительных ионов и ионизация электронами при энергии электронов от 0 до 15 эВ с регистрацией отрицательных ионов. По данным зарегистрированных масс-спектров определяют вероятную молярную массу, определяют брутто-формулы осколочных ионов и изотопных ионов, входящих в молекулу и сравнивают полученные результаты с данными библиотек: масс-спектров положительных ионов (NIST) и созданной авторами библиотеки масс-спектров отрицательных ионов, содержащей более 100 масс-спектров исследованных соединений.
Объектами настоящего исследования являются органические соединения, являющиеся физиологически активными веществами и их производные.
Отличительными признаками предполагаемого изобретения являются: применение метода МС ОИ РЗЭ для аналитических целей на коммерческом газохроматографическом масс-спектрометрическом комплексе; возможность получения аналитической информации от 3 методов на одном приборе, без дополнительных материальных затрат; совместная идентификация веществ по данным трех методов анализа: газовой хроматографии, масс-спектрометрии и МС ОИ РЗЭ; использование созданной авторами библиотеки масс-спектров ОИ исследованных соединений. Данные отличия являются существенными, так как известных технических решений, обладающими сходными признаками, не обнаружено.
Основными достоинствами предполагаемого изобретения являются: совместное использование данных трех методов анализа, полученных на одном приборе; расширение функциональных возможностей метода масс-спектрометрии ОИ РЗЭ. К дополнительным достоинствам можно отнести сокращение материальных затрат на аналитическое оборудование в аналитической лаборатории. Еще одним достоинством изобретения является возможность проведения структурно-аналитических исследований индивидуальных соединений двумя упомянутыми взаимодополяющими масс-спектрометрическими методами без использования хроматографа при наличии в конструкции масс-спектрометра системы прямого ввода образцов.
На первом этапе работы при идентификации органических соединений на основе совместного использования методов газовой хроматографии, масс-спектрометрии и масс-спектрометрии отрицательных ионов резонансного захвата электронов был проведен анализ масс-спектров положительных ионов при энергии ионизации 70 эВ и отрицательных ионов при энергиях ионизации до 15 эВ. Были сделаны следующие выводы:
1. Направления фрагментации положительно и отрицательно заряженных ионов различны.
2. У большинства исследованных соединений совместным применением методов зарегистрированы пики молекулярных (псевдомолекулярных) ионов.
3. Для отрицательно заряженных ионов характерен разрыв одной (двух) связей с отщеплением алкильного радикала.
Фигура 2 показывает взаимодополнение аналитической информации, полученной методом масс-спектрометрии электронной ионизации и масс-спектрометрии ОИ РЗЭ.
Совместное применение методов газовой хроматографии, масс-спектрометрии и МС ОИ РЗЭ на одном приборе позволяет повысить надежность и достоверность идентификации органических соединений и расширить функциональные возможности масс-спектрометрии.
3
Условия анализа: ГХ-МС комплекс Кристалл 5000.1 / DSQ Thermo Finnigan; слабополярная капиллярная колонка DB-5MS длиной 30 м, внутренним диаметром 0.25 мм, толщиной слоя неподвижной жидкой фазы 0.25 мкм; скорость газа-носителя (гелия) - 1.1 см/мин; соотношение сброса в испарителе - 1:10; температура в испарителе - 250°С; температура интерфейса - 255°С; температура колонки - режим линейного программирования от 40°С до 250°С со скоростью 10°С/мин, с выдержкой 1 мин при начальной температуре и 8 минут при конечной температуре; объем пробы - 1 мкл; условия ионизации - электронный удар, энергия ионизации от 0-15 эВ при регистрации ОИ, 70 эВ при регистрации ПИ.