Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОБОПОДГОТОВКИ БИООРГАНИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ

Изобретение относится к методам пробоподготовки биоорганических, в том числе, медицинских образцов для определения в них изотопного соотношения ¹⁴С/¹²С и ¹⁴С/¹³С с помощью ускорительного масс-спектрометра (УМС).

Известно, что метод УМС позволяет проводить измерение изотопного соотношения (отношение концентрации редкого изотопа к полной концентрации элемента) от 10^-9 до 10^-15 в образце массой от микрограмма до нанограмма (US 5209919, А61К 51/04, G01N 33/60, 11.05.1993. Благодаря высокой чувствительности, метод УМС нашел применение в различных областях исследований, таких как радиоуглеродная датировка и науки о Земле.

Многообещающим применением этого метода является исследование продуктов метаболизма лекарственных веществ, меченных радиоактивным изотопом. Применение малых доз лекарственных веществ позволит снизить не только радиационный уровень, но и понизить негативное влияние самого лекарственного препарата. Более того, возможность анализа малых проб позволит свести к минимуму биопсию жира, мышц и костной ткани. Возможность безопасных испытаний новых лекарственных веществ на человеке позволит сократить время и расходы, избегая испытания на животных и исключая непригодные лекарственные препараты на ранних этапах его тестирования (Hellborg R (2003) Accelerator mass spectrometry - an overview. Vacuum, 70, 365-372).

Для анализа на УМС биоорганический образец проходит несколько стадий пробоподготовки, в результате получают углекислый газ.

Наиболее эффективным подходом получения углекислого газа из концентрированных образцов является сжигание малого количества образца (US 8642953, H01J 49/34, 04.02.2014). Однако данный метод неприменим при малых концентрациях анализируемых веществ.

Если концентрация углерода в образце, представляющем собой водный раствор органического вещества, мала, то необходима стадия сушки или упаривания образца. Высушенный образец вакуумируется и запаивается в стеклянную трубку, содержащую обожженную проволоку оксида меди. Окисление проходит в течение ночи при 900°C.(ЕР 1257845, А2, B01D 59/44 G01N 1/28, 20.112002). К недостаткам этого метода подготовки проб можно отнести возможность потери летучих соединений на стадии сушки, а также на следующем этапе возможность неполного окисления соединений серы и азота и необходимость дополнительной очистки получаемого газа от окислов серы и азота.

Таким образом, в литературе не известны способы проведения жидкофазного окисления проб, при котором можно переводить углерод из жидкого биоорганического образца любой концентрации непосредственно в углекислый газ, который затем поступает на анализ УМС.

Описываемое изобретение представляет собой аналог процедуры традиционной пробоподготовки (US 8642953, H01J 49/34, 04.02.2014) с целью расширить возможности анализа жидких образцов. Предлагается заменить сжигание на процедуру жидкофазного окисления. В качестве окислителя планируется использовать пероксид водорода. Процесс окисления будет катализироваться цеолитом, содержащим железо, например Fe-ZSM-5.

Изобретение решает задачу расширения спектра анализируемых веществ на изотопный состав углерода с применением ускорительной масс-спектрометрии.

Технический результат - получение газообразного образца для анализа на ускорительном масс-спектрометре, более подробно - превращение углерода из водного раствора биоорганического образца любой концентрации непосредственно в углекислый газ, минуя стадии сушки и сжигания, при этом летучие соединения также превращаются в СО₂, при этом сера и азот переводятся из состава органических веществ в нелетучие неорганические соединения, преимущественно в сульфаты и нитраты, растворенные в воде.

Задача решается способом пробоподготовки биоорганических, в том числе, медицинских, образцов для анализа на ускорительном масс-спектрометре УМС, который включает окисление содержащегося в биоорганическом образце углерода до диоксида углерода в жидкой фазе, в качестве окислителя используют пероксид водорода, а в качестве катализатора используют цеолит типа ZSM-5 с активным компонентом, содержащим железо, выделяющийся в результате окисления диоксид углерода направляют на анализ на ускорительном масс-спектрометре УМС.

Выделяющийся в результате окисления диоксид углерода в случае необходимости подвергают дополнительной процедуре очистки и осушки путем последовательных операций: адсорбции СО₂ на сорбенте, десорбции СО₂ с сорбента при нагревании, замораживанием диоксида углерода и вакуумированием с последующим размораживанием СО₂ и направлением очищенного газа на анализ на ускорительном масс-спектрометре УМС.

Предлагается заменить упаривание, сушку и сжигание, на процедуру жидкофазного окисления. В качестве окислителя планируется использовать пероксид водорода. Процесс окисления будет катализироваться цеолитом, например, Fe-ZSM-5.

Преимущества предлагаемого метода окисления заключаются в возможности подготовки жидкого биоорганического образца любой концентрации и отсутствии стадии упаривания и сушки и, как следствие, исключении возможности потери летучих соединений, а также в полном окислении соединений серы до растворимых и нелетучих сульфатов, азота до растворимых и нелетучих нитратов.

Известно, что переходные металлы, в частности соединения железа, являются катализаторами разложения пероксида водорода. При определенных значениях pH могут реализовываться различные механизмы разложения. При достаточно низких значениях pH (<10) реакция протекает через образование гидроксильных радикалов. Эти радикалы сами по себе являются довольно сильными окислителями и могут провести окисление органических молекул, но большая их часть, как правило, расходуется с образованием молекул кислорода. При использовании гетерогенного катализатора наблюдается увеличение вклада реакции окисления по сравнению с гомогенными системами. Это объясняется адсорбцией органических веществ на поверхности катализатора, на которой происходит образование гидроксильных радикалов. Органические молекулы оказываются вблизи источника образования гидроксильных радикалов, тем самым увеличивая вероятность их взаимодействия. Адсорбционные центры освобождаются по мере окисления адсорбата (Sashkina К А (2013) Hierarchical zeolite FeZSM-5 as a heterogeneous Fenton-type catalyst. Journal of Catalysis, 299, 44-52).

Использование катализаторов на основе цеолитов эффективно при окислении малых молекул, таких как фенол, этанол, мочевина, благодаря развитой системе микропор. Однако окисление крупных молекул проходит только за счет внешней поверхности катализатора по причине стерических затруднений, что объясняет низкую степень минерализации молекул типа лигнина, размер которого составляет примерно 20 нм. Возникает необходимость увеличения внешней поверхности катализатора. Для этого существует два подхода: уменьшение размера частиц катализатора и использование некоторого темплата при синтезе цеолита для создания дополнительной системы крупных пор. В первом случае частицы катализатора будут коагулировать с образованием более крупных частиц. Таким образом, в обоих случаях будет происходить формирование частиц катализатора с иерархической системой пор. Применение таких катализаторов в реакциях окисления крупных молекул позволяет достигнуть значительно большей степени минерализации.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

В стеклянном реакторе готовят 10 мл раствора, содержащего 5 г/л глюкозы, 20 г/л железосодержащего цеолита Fe-ZSM-5, приготовленного по известной методике (Sashkina К А (2013) Hierarchical zeolite FeZSM-5 as a heterogeneous Fenton-type catalyst. Journal of Catalysis, 299, 44-52), и 2 M пероксида водорода. Из реактора откачивают воздух. Реакция проходит при перемешивании в течение 4 ч. Выделяемый углекислый газ направляют непосредственно на анализ на УМС.

Пример 2.

В стеклянном реакторе готовят 10 мл раствора, содержащего 5 г/л мочевины, 20 г/л железосодержащего цеолита Fe-ZSM-5, приготовленного по известной методике (Sashkina К А (2013) Hierarchical zeolite FeZSM-5 as a heterogeneous Fenton-type catalyst. Journal of Catalysis, 299, 44-52), и 2 M пероксида водорода. Из реактора откачивают воздух. Реакция проходит при перемешивании в течение 4 ч.

Далее выделяемый углекислый газ направляют непосредственно на анализ на УМС.

Пример 3.

В стеклянном реакторе готовят 10 мл раствора, содержащего 5 г/л мочевины, 20 г/л железосодержащего цеолита Fe-ZSM-5, приготовленного по известной методике (Sashkina К А (2013) Hierarchical zeolite FeZSM-5 as a heterogeneous Fenton-type catalyst. Journal of Catalysis, 299, 44-52), и 2 M пероксида водорода. Из реактора откачивают воздух. Реакция проходит при перемешивании в течение 4 ч.

Далее накопившуюся смесь газов направляют на процедуру очистки и осушки следующим образом. Смесь газов пропускают через кварцевый капилляр, в котором находится 1 г сорбента - оксида кальция или оксид магния, при температуре 450°C (в случае оксида магния - при температуре 200°C). После пропускания систему закрывают и откачивают с помощью мембранного насоса, затем сорбент разогревают до температуры 900°C, выделяющийся диоксид углерода замораживают и вакуумируют с последующим размораживанием СО₂ и направляют сухой и чистый СО₂ на анализ на УМС.

Пример 4.

В стеклянном реакторе готовят 10 мл раствора, содержащего 5 г/л интерферона, 20 г/л железосодержащего цеолита Fe-ZSM-5 с иерархической системой пор, приготовленного по известной методике (Sashkina К А (2013) Hierarchical zeolite FeZSM-5 as a heterogeneous Fenton-type catalyst. Journal of Catalysis, 299, 44-52), и 2 M пероксида водорода. Из реактора откачивают воздух. Реакция проходит при перемешивании в течение 4 ч.

Далее выделяемый углекислый газ направляют непосредственно на анализ на УМС или действуют по методике, описанной в примере 3.