Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПРИМЕСИ ИССЛЕДУЕМОГО ВЕЩЕСТВА, РОДСТВЕННОЙ ЕГО ОСНОВНОМУ КОМПОНЕНТУ

Заявляемое изобретение относится к области аналитической химии и может быть использовано для идентификации примесей, в частности микропримесей, родственных с основным компонентом исследуемого вещества, методом хромато-масс-спектрометрии с использованием дериватизации.

К примеру, для идентификации микропримесей 1,1-дихлор-2,2-бис(4-хлорфенил)этилена (4,4'-ДДЭ; 4,4-DDE) или 1,1-дихлор-2-(2-хлорфенил)-2-(4-хлорфенил)этилена (2,4'-ДДЭ; 2,4-DDE), соответственно, в 1,1,1-трихлор-2,2-бис(4-хлорфенил)этане (4,4'-ДДТ; 4,4'-DDT) или 1,1,1-трихлор-2-(2-хлорфенил)-2-(4-хлорфенил)этане (2,4'-ДДТ; 2,4'-DDT); микропримесей 1-хлор-2,2-бис(4-хлорфенил)этилена (4,4-DDMU) или 1-хлор-2-(2-хлорфенил)-2-(4-хлорфенил)этилена (2,4'-DDMU), соответственно, в 1,1-дихлор-2,2-бис(4-хлорфенил)этане (4,4'-DDD) или 1,1-дихлор-2-(2-хлорфенил)-2-(4-хлорфенил)этане (2,4-DDD); для идентификации микропримесей 1,1-дихлор-2,2-бис(4-метоксифенил)этилена (4,4-DMDE) или 1,1-дихлор-2-(2-метоксифенил)-2-(4-метоксифенил)этилена (2,4' - DMDE), соответственно в 1,1,1-трихлор-2,2-бис(4-метоксифенил)этане (4,4'-DMDT; метоксихлоре) или 1,1,1-трихлор-2-(2-метоксифенил)-2-(4-хлорфенил)этане (2,4'-DMDT) и так далее.

Существуют различные способы идентификации примесей, родственных с основным компонентом, то есть примесных компонентов, представляющих собой промежуточные продукты синтеза или продукты разложения основного компонента.

Известен способ идентификации примеси, заключающийся в дериватизации исследуемого вещества двумя способами: ацетоном и изотиоцианатами. Полученные производные используются получения более высокого аналитического сигнала на масс-спектрометре [Парамонов С.А. Физико-химические характеристики сорбции и хромато-масс-спектрометрия производных 1,1-диметилгидразина. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук. Электронный ресурс - Режим доступа: http://www.phyche.ac.ru/wp-content/uploads/Paramonov.pdf, дата публикации 2010 год].

В качестве прототипа выбран способ идентификации примесей, заключающийся в том, что определяют экспериментальные значения времени удерживания или индекса удерживания, а также масс-спектр исследуемого вещества и проводят последующее их сравнение соответственно либо с экспериментальными значениями времен удерживания или индексов удерживания, а также масс-спектрами известных веществ, либо с аналогичными данными, содержащимися в библиотеках (базах данных) специализированного программного обеспечения. Таким образом, идентифицируют состав исследуемого вещества, в том числе основной компонент и примеси [В.А. Крылов, О.Ю. Чернова, А.Ю. Созин. Хромато-масс-спектрометрическое определение примесей в тетрахлориде германия высокой чистоты. Электронный ресурс - Режим доступа: http://www.vestnik.unn.ru/ru/nomera?anum=2244, дата поступления статьи в редакцию 10.07.2008, дата публикации 2008 год].

Общим недостатком известных способов является то, что результаты идентификации примесей согласно известным способам могут быть неоднозначными, особенно в случае, распознания следовых количеств веществ, являющихся изомерами. К примеру, путем использования известных способов могут быть получены два различных результата идентификации: 4,4'-ДДЭ и 2,4'-ДДЭ в исследуемом веществе, основным компонентом которого являются либо 4,4'-ДДТ, либо 2,4'-ДДТ. Таким образом, известные способы не позволяют добиться высокой точности в идентификации примесей, родственных основному компоненту.

Техническая задача, на решение которой направлен заявляемый способ - создание способа, позволяющего повысить точность идентификации примеси исследуемого вещества, родственной его основному компоненту.

Технический результат - повышение точности идентификации примеси исследуемого вещества, родственной его основному компоненту.

Сущность заявляемого способа заключается в следующем.

Способ идентификации примеси исследуемого вещества, родственной его основному компоненту, заключается в том, что первоначально идентифицируют основной компонент исследуемого вещества, затем путем использования хромато-масс-спектрометра определяют экспериментальные значения времен удерживания или индексов удерживания, основного и примесных компонентов в исследуемом веществе, а также их масс-спектры. В отличие от прототипа дополнительно среди примесных компонентов выявляют идентифицируемую примесь, с различными вариантами идентификации, которые включают вещество, родственное основному компоненту. Далее осуществляют дериватизацию основного компонента исследуемого вещества методом, позволяющим получить из него один из вариантов идентифицируемой примеси. Затем путем использования хромато-масс-спектрометра определяют экспериментальные значения времени удерживания или индекса удерживания, а также масс-спектр полученного производного основного компонента, и путем их сравнения с соответствующими экспериментальными значениями времени удерживания или индекса удерживания, а также с масс-спектром идентифицируемой примеси, полученными ранее, а также с масс-спектрами или временем удерживания или индексом удерживания известных веществ, делают вывод о совпадении/несовпадении полученного производного основного компонента исследуемого вещества и идентифицируемой примеси, и далее идентифицируют примесь путем выбора из выявленных ранее вариантов.

Таким образом, заявляемый способ предполагает выполнение следующих этапов:

- предварительная идентификация в исследуемом веществе основного компонента любым известным методом;

- определение экспериментальных значений времени удерживания и масс-спектра или индекса удерживания и масс-спектра основного и примесных компонентов исследуемого вещества путем использования хромато-масс-спектрометра;

- выявление примесей, с различными вариантами идентификации;

- выбор из выявленных примесей, той идентифицируемой примеси, варианты идентификации которой включают вещество, родственное основному компоненту;

- дериватизация исследуемого вещества методом, позволяющим из основного компонента получить один из вариантов идентифицируемой примеси;

- определение экспериментальных значений времен удерживания или индексов удерживания и масс-спектров всех компонентов вещества, полученного после дериватизации исследуемого вещества, путем использования хромато-масс-спектрометра;

- сравнение времени удерживания или индекса удерживания и масс-спектра идентифицируемой примеси и полученного производного основного компонента. Если на полученной после дериватизации вещества хроматограмме пик производного основного компонента имеет то же время удерживания или индекс удерживания, что и пик идентифицируемой примеси на хроматограмме исследуемого вещества (исходного вещества), и масс-спектры полученного производного основного компонента совпадают с масс-спектром идентифицируемой примеси, то делают вывод о совпадении идентифицируемой примеси и производного основного компонента, то есть о том, что идентифицируемая примесь и производное, полученное из основного компонента исследуемого вещества в процессе дериватизации, являются одним и тем же веществом.

Если на полученной после дериватизации исследуемого вещества хроматограмме пики производного основного компонента и идентифицируемой примеси имеют разные времена удерживания или индексы удерживания, то делают вывод о несовпадении производного основного компонента и идентифицируемой примеси, то есть о том, что идентифицируемая примесь и производное, полученное из основного компонента исследуемого вещества в процессе дериватизации, являются разными веществами.

- таким образом, на основе совпадения/не совпадении производного основного компонента и идентифицируемой примеси среди выявленных вариантов результатов идентификации примеси определяют верный.

Основной компонент вещества может быть идентифицирован путем использования хромато-масс-спектрометра, а именно путем определения экспериментальных значений его времени удерживания или индекса удерживания и масс-спектра и последующего их сравнения соответственно с экспериментальными значениями времен удерживания или индексов удерживания, а также масс-спектрами известных веществ. Также основное вещество может быть идентифицировано ЯМР-спектроскопией или ИК-Фурье-спектроскопией или иным известным способом идентификации веществ.

Перечень возможных вариантов результатов идентификации примеси исследуемого вещества может быть получен через определение путем использования хромато-масс-спектрометра экспериментальных значений времени удерживания или индекса удерживания и масс-спектра этой примеси и последующего их сравнения соответственно либо с экспериментальными значениями времен удерживания или индексов удерживания, а также масс-спектрами известных веществ. Также перечень возможных вариантов идентифицируемой примеси исследуемого вещества также может быть определен ЯМР-спектроскопией или ИК-Фурье-спектроскопией или иным известным способом идентификации примесей. Однако, данные методы требуют дополнительной трудоемкой и продолжительной по времени пробоподготовки, связанной с разделением смеси, например, методами препаративной тонкослойной хроматографии, что также определяет необходимость наличия большого количества исследуемого (исходного вещества).

Сравнение экспериментальных значений времени удерживания или индекса удерживания и масс-спектра основного компонента исследуемого вещества и его производного, идентифицируемой примеси с соответствующими значениями известных веществ может быть выполнено с использования специализированного программного обеспечения. Специализированное программное обеспечение снабжено библиотекой (базой данных), в которой хранятся экспериментальные значения времен удерживания или индексов удерживания, а также масс-спектров известных веществ. Путем программной обработки экспериментальных значений времени удерживания или индекса удерживания, а также масс-спектра исследуемого соединения (основной компонент или примесный компонент) и их сравнения с соответствующими библиотечными значениями, специализированное программное обеспечение выдает перечень наиболее вероятных вариантов состава идентифицируемого соединения.

Выбор метода дериватизации зависит от основного компонента исследуемого вещества и идентифицируемой примеси, родственной ему. Дериватизация может быть осуществлена путем дегидрогалогенирования, дегалогенирования, дегидрирования, ацетилирования или иным методом, позволяющим отщепить или добавить функциональную группу или соединение. В частности, дегидрогалогенирование может быть использовано в случае, если в структуре исследуемого вещества имеется углеводородная цепочка, в которой некоторые атомы водорода замещены на атом галогена, например, хлорсодержащий пестицид, к примеру 4,4'-ДДТ или 2,4'-ДДТ, а родственная примесь - 4,4'-ДДЭ или 2,4'-ДДЭ соответственно.

Заявляемый способ в отличие от прототипа обладает рядом отличительных признаков, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию патентоспособности «новизна».

Из уровня техники известно использование дериватизации для идентификации того соединения, которое дериватизируют. Применение дериватизации, как правило, позволяет разделить на хроматограмме пики веществ с близкими или одинаковыми временами удерживания, установить какие химические свойства присущи исследуемому веществу, изменить физико-химические свойства анализируемого соединения таким образом, чтобы с точки зрения метода, использованного для анализа, аналитический сигнал вещества либо появился, либо усилился. Согласно заявляемому способу дериватизация способствует идентификации примеси, в частности, микропримеси, путем перевода основного компонента в предполагаемое примесное вещество, являющееся родственным, и последующее хромато-масс-спектрометрическое исследование полученного вещества с анализом схожести полученного производного основного компонента исследуемого вещества с примесью. Таким образом, согласно заявляемому изобретению дериватизации подвергается основной компонент исследуемого вещества, а идентифицируется другое вещество - примесь исследуемого вещества. Кроме того, идентификация происходит не только за счет усиления аналитического сигнала, а за счет того, что осуществляется превращение одного вещества в другое.

Заявляемое изобретение явным образом не следует из уровня техники, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Заявляемое изобретение может быть применено для любых веществ, содержащих основной компонент или смесь основных компонентов и примесь, в частности, микропримесь, родственную основному компоненту. Заявляемый способ может быть реализован с помощью известных средств, веществ и методов. Это позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «промышленная применимость».

Заявляемый способ поясняется следующими чертежами:

Таблица 1 (Температурная программа кварцевой капиллярной колонки).

Фиг. 1 - Хроматограмма исследуемого раствора 4,4'-ДДТ в изооктане.

Фиг. 2 - Масс-спектр вещества со временем удерживания (RT=32,9 мин).

Фиг. 3 - Масс-спектр вещества со временем удерживания (RT=32,9 мин) - вверху. (Библиотечный масс-спектр 1,1-дихлор-2,2-ди(4-хлорфенил)этилена (4,4'ДДЭ; р,р'-ДДЭ) - внизу (replib)).

Фиг. 4 - Масс-спектр вещества 1,1-дихлор-2,2-ди(4-хлорфенил)этилена (4,4'-ДДЭ; р,р'-ДДЭ) из библиотеки replib.

Фиг. 5 - Масс-спектр вещества со временем удерживания (RT=32,9 мин) - вверху. (Библиотечный масс-спектр 1,1-дихлор-2-(2-хлорфенил)-2-(4-хлорфенил)этилена (2,4'-ДДЭ; о,р'-ДДЭ) - внизу (mainlib)).

Фиг. 6 - Масс-спектр вещества 1,1-дихлор-2-(2-хлорфенил)-2-(4-хлорфенил)этилена (2,4'-ДЦЭ; о,р'-ДДЭ) из библиотеки mainlib.

Фиг. 7 - Масс-спектр вещества со временем удерживания (RT=32,9 мин) - вверху. (Библиотечный масс-спектр 1,1-дихлор-2-(2-хлорфенил)-2-(4-хлорфенил)этилена (2,4'-ДДЭ; о,р'-ДЦЭ) - внизу (replib)).

Фиг. 8 - Масс-спектр вещества 1,1-дихлор-2-(2-хлорфенил)-2-(4-хлорфенил)этилена (2,4'-ДДЭ; о,р'-ДДЭ) из библиотеки replib.

Фиг. 9 - Хроматограмма раствора исследуемого вещества до проведения дериватизации.

Фиг. 10 - Хроматограмма раствора исследуемого вещества после дериватизации.

Фиг. 11 - Масс-спектр вещества со временем удерживания (RT=32,9 мин).

Фиг.12 - Масс-спектр вещества со временем удерживания (RT=32,9 мин) - вверху (Библиотечный масс-спектр 1,1-дихлор-2,2-ди(4-хлорфенил)этилена (4,4'-ДДЭ) - внизу (mainlib)).

Фиг. 13 - Масс-спектр вещества 1,1-дихлор-2,2-ди(4-хлорфенил)этилена (4,4'-ДДЭ) из библиотеки mainlib.

Фиг. 14 - Масс-спектр вещества со временем удерживания (RT=32,9 мин) - вверху. (Библиотечный масс-спектр 1,1-дихлор-2,2-ди(4-хлорфенил)этилена (4,4'-ДДЭ) - внизу (replib)).

Фиг. 15 - Масс-спектр вещества 1,1-дихлор-2,2-ди(4-хлорфенил)зтилена (4,4'-ДДЭ) из библиотеки replib.

Фиг. 16 - Схема дегидрогалогенирования 4.4'-ДДТ.

Заявляемый способ может быть реализован следующим образом.

Исследуемое вещество в качестве основного компонента содержит пестицид 4,4'-ДДТ, что было независимо подтверждено методами ИК-Фурье-спектроскопии и ЯМР-спектроскопии.

Далее варианты идентифицируемой примеси, в данном случае - микропримеси, были получены методом газожидкостной хроматографии и масс-спектрометрии. Для чего готовили растворы исследуемого вещества в изооктане и гексане, массовой концентрацией 100 мкг/см³.

Указанные растворы исследовали на хромато-масс-спектрометре GC/MS 7890А/7000 производства фирмы Agilent Technologies, США с использованием кварцевой капиллярной колонки «HP-5MS» с химически привитой фазой (5%)-дифенил-(95%)-диметилполисилоксан (29,9 м × 0,25 мм × 0,25 мкм), при следующих условиях:

- температура испарителя - 200°С;

- объем вводимой пробы - 1 мкл;

- ввод пробы без разделения потока;

- температурная программа колонки представлена в таблице 1.

- газ-носитель - гелий;

- расход газа носителя - 1 см³/мин;

- газ, подаваемый в ячейку соударения - азот;

- температура интерфейса - 280°С.

- энергия ионизации - 70 эВ;

- температура источника ионного тока - 230°С;

- температура квадроуполя - 150°С;

- время задержки на растворитель - 5 минут;

- режим регистрации - TIC (полный ионный ток m/z 33 - 550).

Результаты хроматографирования растворов исследуемого вещества в изооктане представлены на фигуре 1. Для раствора исследуемого вещества в гексане были получены аналогичные результаты.

На хроматограмме исследуемого раствора, приведенной на фигуре 1, наблюдаются хроматографические пики двух веществ, одно из которых, со временем удерживания, RT=37,7 мин, присутствует в растворе в качестве основного компонента и является 4,4'-ДДТ, что было установлено заранее, а другое, неидентифицированное, с RT=32,9 мин - в виде микропримеси.

Идентификацию примеси проводили по масс-спектрам с использованием программного обеспечения Mass Hunter Workstation Software (версия В.06.00) и NIST Mass Spectral search Program for the NIST/EPA/NIH Mass Spectral Library (версия 2.0).

При этом было установлено, что результат идентификации вещества (RT=32,9 мин), находящегося в исследуемом веществе в качестве микропримеси, не однозначен. Из фигур 3-8, видно, что поиск не только по разным библиотекам replib и mainlib (фигуры 3-6), но и по одной и той же библиотеке (фигуры 3-4 и 7-8) при близких и достаточно высоких значениях match-факторов (MF и RMF) дает разный результат идентификации: или 4,4'-ДДЭ или 2,4'-ДДЭ.

Вещества 2,4'-ДДЭ и 4,4'-ДДЭ относятся к группе хлорорганических пестицидов, имеют одинаковую брутто формулу, одно и то же количество одинаковых функциональных групп, но отличаются по их положению, то есть являются изомерами.

Далее путем дериватизации, а именно путем реакции дегидрогалогенирования было получено производное исследуемого вещества. Раствор 4,4'-ДДТ в изооктане (вариант 1) или гексане (вариант 2) разделили на две части, в одну из которых в соотношении 1:1 добавляли 1% раствор гидроксида натрия (NaOH) в метаноле и далее нагрели до 40-50°С и выдержали в течении 15 часов до момента полного завершения реакции. Таким образом, в результате реакции разложения 4,4'-ДДТ с выделением HCl в растворе органического растворителя (изооктан или гексан) было получено производное исследуемого вещества.

Полученные до и после дериватизации растворы (раствор исследуемого вещества и раствор производного исследуемого вещества) исследовали методом хромато-масс-спектрометрии в описанных выше условиях. Полученные хроматограммы приведены на фигурах 9 и 10.

Из фигур 9 и 10 видно, что основной компонент с временем удерживания RT=37,8 мин, идентифицированный, как 4,4'-ДДТ, переходит в результате реакции дегидрогалогенирования в вещество со временем удерживания RT=(32,8-33,0).

Идентификацию вещества со временем удерживания RT=(32,8-33,0) проводили, как описано выше.

Масс-спектр вещества со временем удерживания RT=(32,8-33,0) и библиотечные масс-спектры сравнения представлены на фигурах 11-15.

С учетом относительной интенсивности сигналов зарегистрированных ионов принадлежность масс-спектра (RT=32,9 мин) 4,4'-ДДЭ (1,1-Дихлор-2,2-ди(4-хлорфенил)этилену) подтверждается наличием в нем соответствующего основного иона (m/z=246) и молекулярного иона (m/z=316), а также ряда характеристичных ионов (m/z: 318, 281, 246, 233, 210, 176, 141, 123, 105, 87, 75 и др.), образующихся в соответствии с основными направлениями фрагментации молекул вещества в процессе электронной ионизации.

Дегидрогалогенирование 4,4'-ДДТ протекает по схеме, приведенной на фигуре 16 [Н.Н. Мельников, В.А. Набоков, Е.А. Покровский. ДДТ. Свойства и применение. М. - Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1954], таким образом, исчезновение хроматографического пика со временем удерживания RT=37,7 мин и увеличение пика со временем удерживания RT=32,9 мин, свидетельствует о разложении 4,4'-ДДТ в результате дериватизации и служит дополнительным доказательством того, что вещество со временем удерживания RT=32,8 мин представляет собой 4,4'-ДДЭ, а не 2,4'-ДДЭ.

По определению из любого вещества может быть получено другое родственное вещество, таким образом можно судить о возможности применения заявляемого способа для других веществ, содержащих примесь, родственную основному веществу.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет достичь следующий технический результат - повышение точности идентификации примеси исследуемого вещества, родственной его основному компоненту.