Результат интеллектуальной деятельности: МЕТОД ПРОБОПОДГОТОВКИ БИООРГАНИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ

Изобретение относится к методам пробоподготовки биоорганических, в том числе, медицинских образцов для определения в них изотопного соотношения ¹⁴C/¹²C и ¹⁴C/¹³C 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, A61K 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.

Но самым 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, а использование долгоживущих изотопов позволит проводить исследования длительных процессов. Возможность безопасных испытания 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 образец проходит несколько стадий пробоподготовки, в результате получают углеродную таблетку.

Традиционно, первая стадия пробоподготовки представляет собой сушку образца. Высушенный образец вакуумируется и запаивается в стеклянную трубку, содержащую обожженную проволоку оксида меди. Окисление проходит в течение ночи при 900°C. Замороженный образец переносят в печь и проводят восстановление в течение ночи. Образующийся углеродный образец прессуется в алюминиевый катод и отправляется для анализа на УМС (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, способствующих отравлению катализатора графитизации.

Существует метод пробоподготовки, в котором образец не подвергается химической обработке. После сушки образец смешивается и прессуется с графитом (US 7368710, B01D 59/44, 06.05.2008). Как и в предыдущем примере, на стадии сушки возможна потеря летучих соединений.

Если для анализа на УМС используется углекислый газ, то наиболее эффективным подходом является сжигание малых количеств жидких образцов (US 8642953, H01J 49/34, 04.02.2014). Этот метод не имеет описанных недостатков, однако на данный момент существует немного приборов УМС, работающих с углекислым газом, а количества выделяемого углекислого газа в этом процессе недостаточно для проведения графитизации.

Таким образом, в литературе не известны способы проведения жидкофазного окисления проб, при котором выделяется достаточное количество углекислого газа для анализа на УМС, не работающем с углекислым газом.

Описываемое изобретение представляет собой усовершенствование процедуры традиционной пробоподготовки, описанной в патенте (ЕР 1257845, А2, B01D 59/44 G01N 1/28,20.112002), с целью исключения отмеченных недостатков.

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 железосодержащим активным компонентом, затем проводят графитизацию выделенного в результате окисления диоксида углерода СО₂, после чего полученный порошок прессуют.

Графитизацию выделенного в результате окисления диоксида углерода СО₂ проводят путем последовательных операций: адсорбции СО₂ на сорбенте, десорбции СО₂ с сорбента при нагревании, замораживанием диоксида углерода в зоне каталитической графитизации, графитизации СО₂ на катализаторе.

Предлагается заменить первые две стадии, а именно сушку и сжигание, на процедуру жидкофазного окисления. В качестве окислителя планируется использовать пероксид водорода. Процесс окисления будет катализироваться железосодержащим цеолитом, например Fe-ZSM-5.

Преимущества предлагаемого метода окисления заключаются в отсутствии стадии сушки и, как следствие, исключении возможности потери летучих соединений, а также в полном окислении соединений серы до сульфатов и сокращении времени подготовки образца.

Известно, что 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 K.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.

Пример 1

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 пропускают через кварцевый капилляр, в котором находится 1 г сорбента - оксида кальция или оксид магния, при температуре 450°C. После пропускания систему закрывают и откачивают с помощью мембранного насоса, затем сорбент разогревают до температуры 900°C и перемещают выделяемый им СО₂ в пробирку графитизации с катализатором - порошком железа, или никеля, или меди, или любой их комбинации в количестве 6-8 мг, при помощи вымораживания жидким азотом. Капилляры соединяют между собой с помощью быстроразъемных соединений SMC и кранов луер-лок.

После напуска углекислый газ размораживают, определяют его давление, вновь вымораживают на дне кварцевой пробирки и напускают водород до отношения Н₂:СО₂=2.5-3. Количество напущенного водорода контролируют по показаниям датчика давления. Затем кварцевую пробирку размораживают и замеряют полное давление в системе, после чего донную часть пробирки помещают в печь. Удаление образующейся в ходе графитизации воды осуществляют перхлоратом магния. За кинетикой графитизации следят по изменению давления с помощью датчиков Honeywell или МРХ 4250.

После окончания графитизации кварцевую кювету с железом извлекают и взвешивают катализатор после графитизации. Порошок зауглероженного железа прессуют в алюминиевые пистоны для УМС-анализа.

Пример 2

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 K.А (2013) Hierarchical zeolite FeZSM-5 as a heterogeneous Fenton-type catalyst. Journal of Catalysis, 299, 44-52), и 2 M пероксида водорода. Реактор подключают к системе, содержащей сорбент углекислого газа - оксид кальция. Из системы, содержащей реакционную смесь и сорбент, откачивают воздух. Реакция проходит при перемешивании в течение 4 ч.

Далее действуют по методике, описанной в примере 1.

Пример 3

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 K.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 действуют по методике, описанной в примере 1.