Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения химических соединений, принадлежащих к группе тиурамдисульфидов

Изобретение относится к области химического анализа веществ и может быть использовано для количественного определения соединений группы тиурамдисульфидов в пробах различного состава. В частности, заявляемый способ может быть использован в медицине для анализа биологических жидкостей, в экологическом контроле, для решения задач обеспечения качества пищевых продуктов.

Известны способы определения тиурамдисульфидов в различных объектах методом спектрофотометрии в ультрафиолетовой (УФ) и/или видимой областях спектра. В частности, известен способ определения тетраэтилтиурамдисульфида в крови. Способ включает экстракцию в течение 12 часов в смесь растворителей этанол-эфир, взятых в объемном отношении 1:1, фильтрацию, упаривание фильтрата досуха в вакуумном дистилляторе, растворение остатка в тетрахлорметане, обработку раствором йодида меди в течение получаса при встряхивании, центрифугирование реакционной смеси и последующее спектрофотометрическое определение при длине волны 430 нм [Гадаскина И.Д., Филов В.А. Превращения и определение промышленных органических ядов в организме. Л.: Химия, 1971. с. 225-226].

Известен также способ определения тетраметилтиурамдисульфида в воде и тальке, включающий экстракцию в хлороформ и последующее определение методом УФ спектрофотомерии с использованием второй производной от спектров [Schwack W., Nyanzi S. Analysis of dithiocarbamate fungicides. Reaction products of the thiuram disulphide fungicide thiram (TMTD) during acid hydrolysis //Zeitschrift Lebensmittel-Untersuchung und Forschung. 1994. V. 198. №. 1. P. 3-7].

Недостатками известных способов, основанных на применении спектрофотометрии, являются низкая чувствительность, низкая селективность и узкий диапазон определяемых концентраций.

Известны способы определения тиурамдисульфидов в различных объектах методом жидкостной хроматографии с УФ-детектором.

Конкретная реализация способа для определения тетраэтилтиурамдисульфида в крови приведена, например, в патенте РФ 2417372, кл. G01N 33/48, G01N 30/02, опубл. 27.04.2011. Способ включает экстракцию в этилацетат в течение 45 мин, фильтрацию через безводный сульфат натрия, упаривание фильтрата досуха при температуре 50-60°С, растворение остатка в смеси растворителей гексан-диоксан-пропанол-2, хроматографирование в колонке с силикагелем L 40/100 μ. с применением подвижной фазы гексан-диоксан-пропанол-2. Фракции элюата, содержащие анализируемое вещество, объединяют, элюент испаряют, остаток растворяют в смеси растворителей гексан-диоксан-пропанол-2 и проводят определение методом высокоэффективной жидкостной хроматографии в колонке размерами 64×2 мм, заполненной сорбентом «Силасорб 600» с использованием подвижной фазы гексан-диоксан-пропанол-2 и УФ-детектора.

Известен также способ определения тетраметилтиурамдисульфида в овощах и фруктах. Способ включает экстракцию в смесь этилацетата и циклогексана, взятых в объемном отношении 1:3, в ультразвуковой ванне в течение 15 мин, фильтрацию через безводный сульфат натрия, упаривание экстракта с помощью роторного испарителя, добавление смеси этилацетата и циклогексана, взятых в объемном отношении 1:3, фильтрацию через шприц с фильтром «Teflon» и определение методом высокоэффективной жидкостной хроматографии в колонке «Арех II diol» с УФ-детектором. [Ekroth S.B. Ohlin В., Osterdahl В. Rapid and simple method for determination of thiram in fruits and vegetables with high-performance liquid chromatography with ultraviolet detection // J. Agric. Food Chem. 1998. V. 46. P. 5302-5304].

Известные способы, основанные на использовании метода жидкостной хроматографии, обеспечивают селективность анализа благодаря разделению компонентов анализируемой смеси в хроматографической колонке. Недостатком известных способов является низкая чувствительность.

Наиболее близким техническим решением является способ определения соединений группы тиурамдисульфидов методом масс-спектрометрии с химической ионизацией или ионизацией электрораспылением. Конкретная реализация способа при определении тетраметилтиурамдисульфида в растениях приведена в [Blasco С, Font G., Determination of dithiocarbamates and metabolites in plants by liquid chromatography-mass spectrometry // Journal of Chromatography A, 2004. V. 1028. P. 267-276]. Способ включает гомогенизацию образца в ультразвуковой ванне в течение 15 мин, фильтрацию, и последующую твердофазную экстракцию путем пропускания раствора через колонку, содержащую твердую фазу. В качестве твердой фазы используется стандартная хроматографическая фаза типа С₈ или C₁₈. Фильтрат отбрасывается и определяемые соединения, оставшиеся на твердой фазе, элюируются в 10 мл раствора дихлорметан-метанола (8:2). Элюент собирается и концентрируется до объема 2 мл путем испарения растворителя в токе азота. Полученный раствор анализируется методом масс-спектрометрии с химической ионизацией в сочетании с жидкостной хроматографией. На стадии пробоподготовки может быть использован другой вариант твердофазной экстракции - матричная твердофазная дисперсия. Предел обнаружения тетраметилтиурамдисульфида в пищевых продуктах составляет 2.5 мг/кг.

Недостатком известного способа является низкая чувствительность.

Задачей изобретения является увеличение чувствительности анализа при определении химических соединений группы тиурамдисульфидов. Дополнительной задачей является уменьшение длительности анализа.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности высокочувствительного определения тиурамдисульфидов в биологических, природных и промышленных объектах и расширение функциональных возможностей способа за счет высокой эффективности ионизации.

Поставленная задача решается в способе определения химических соединений, принадлежащих к группе тиурамдисульфидов, включающем пробоподготовку анализируемого раствора путем экстракции определяемых соединений, ионизацию молекул определяемых соединений и детектирование ионов в масс-анализаторе, химические соединения, принадлежащие к группе тиурамдисульфидов, предварительно переводят в комплексные соединения путем взаимодействия с переходными металлами, полученные комплексные соединения экстрагируют из анализируемого раствора, экстрагент наносят на твердотельную подложку, воздействуют на подложку импульсным лазерным излучением и детектируют полученные в результате такого воздействия ионы анализатором.

Предпочтительно в качестве переходных металлов использовать медь, никель, кобальт, цинк, марганец, рутений, серебро, сурьму, ртуть, золото.

Предпочтительно твердотельную подложуа выполнить из полупроводникового материала, например, оксидов переходных металлов, или кремния, или германия.

Целесообразно в качестве импульсного лазерного излучения использовать ультрафиолетовое излучения, например, излучение азотного лазера или третью гармонику излучения Nd:YAG лазера.

Предпочтительно комплексные соединения, полученные при взаимодействии соединений, принадлежащих к группе тиурамдисульфидов, с переходными металлами экстрагирагировать из анализируемого раствора с использованием жидкость-жидкостной экстракции, а в качестве экстрагента использовать хлороформ, или тетрахлорметан, или дихлорэтан.

Целесообразно в качестве анализатора использовать масс-спектрометр или спектрометр ионной подвижности.

На фиг. 1 представлен масс-спектр, зарегистрированный при определении пестицида тетраметилтиурамдисульфида в речных водах заявляемым способом.

На фиг. 2 - масс-спектр, зарегистрированный при определении тетраметилтиурамдисульфида во фруктах.

На фиг. 3 - масс-спектр, зарегистрированный при определении лекарственного вещества тетраэтилтиурамдисульфида в моче.

В основе заявленного способа лежит перевод определяемых соединений в другую химическую форму, которая позволяет обеспечить более высокую эффективность ионизации для масс-спектрометрического анализа. Химические соединения группы тиурамдисульфидов являются нелетучими веществами, обладающими слабыми кислотным свойствами. Известные способы ионизации такого рода соединений обычно основаны на протонировании (переносе протона) в процессе, например, электрораспылительной или химической ионизации. Вследствие того, что определяемые соединения являются очень слабыми кислотами, эффективность их ионизации путем переноса протона относительно мала. В заявляемом способе ионизация осуществляется другим способом, а именно, путем лазерно-индуцированного переноса электрона с молекулы соединения в твердотельную подложку. Вероятность такого процесса мала для тиурамдисульфидов, но высока для их комплексов с переходными металлами. Поэтому на стадии пробоподготовки тиурамдисульфиды переводят в комплексные соединения путем взаимодействия с ионами металлов в кислых растворах. Тиурамдисульфиды образуют устойчивые комплексы с различными металлами, например, медью, ртутью, серебром, золотом и другими. Все эти металлы могут быть использованы для перевода тиурамдисульфидов в комплексные соединения.

Для масс-спектрометрического анализа проб сложного состава, содержащих большое количество различных компонентов, обычно используют процедуру экстракции, позволяющую селективно извлечь определяемое соединение в подходящий растворитель. В известных способах применяют различные варианты экстракции для извлечения самих тиурамдисульфидов. В заявленном способе используют жидкость-жидкостную экстракцию комплексов тиурамдисульфидов с переходными металлами. В качестве экстрагентов применяют органические соединения, которые, с одной стороны, практически нерастворимы в воде, а с другой стороны, являются растворителями для комплексов тиурамдисульфидов с переходными металлами. В частности, в качестве экстрагентов могут быть использованы хлороформ, тетрахлорметан или дихлорэтан.

Для ионизации комплексов в заявленном способе применяют вариант метода лазерной десорбции/ионизации, в рамках которого определяемые соединения наносят на твердотельную подложку, которая хорошо поглощает лазерное излучение и обеспечивает ионизацию находящихся на поверхности соединений путем переноса электрона. Эффективность ионизации путем переноса электрона комплексов тиурамдисульфидов с переходными металлами много выше эффективности ионизации путем переноса протона тиурамдисульфидов, что позволяет решить задачу увеличения чувствительности анализа.

Пример 1. Определение пестицида тетраметилтиурамдисульфида в речных водах

Для анализа используется проба речной воды объемом 0.5 мл, подкисленная до рН 4. К пробе добавляют 0.05 мл водного раствора нитрата серебра AgNO₃, взятого в избытке по сравнению с предполагаемой концентрацией тетраметилтиурамдисульфида в пробе. Затем проводят экстракцию образовавшегося комплекса. Для этого к пробе добавляют 0.2 мл хлороформа и тщательно перемешивают. После перемешивания экстракт и рафинат разделяют отстаиванием, отбирают 10 мкл экстракта (нижнего органического слоя) и наносят на поверхность твердотельной подложки, выполненной из оксида титана. Затем подложку помещают в ионный источник времяпролетного масс-спектрометра. На поверхность подложки с помощью линзы фокусируют лазерный пучок Nd:YAG лазера с длиной волны 355 нм (третья гармоника) и плотностью энергии 20 мДж/см². Используют режим регистрации положительно заряженных ионов. В результате регистрируется масс-спектр, приведенный на фиг. 1. Масс-спектр содержит пик, соответствующий молекулярным ионам М⁺ комплекса

тетраметилтиурамдисульфида с серебром состава AgC₆H₁₂N₂S₄. Площадь под пиком пропорциональна содержанию определяемого соединения в пробе. Коэффициент пропорциональности находят на основе предварительно построенной градуировочной зависимости.

Пример 2. Определение тетраметилтиурамдисульфида во фруктах

Для анализа используются гомогенизированные образцы фруктов. К пробе объемом 1 мл добавляют последовательно 0.6 мл подкисленного водного раствора нитрата золота с рН 1 и 0.4 мл тетрахлорметана и перемешивают с использованием лабораторного шейкера. Полученную суспензию центрифугируют в течение 3 минут, отбирают 10 мкл экстракта (нижнего органического слоя) и наносят на поверхность твердотельной подложки, выполненной из оксида молибдена. Затем подложку помещают в ионный источник времяпролетного масс-спектрометра. На поверхность подложки с помощью линзы фокусируют лазерный пучок Nd:YAG лазера с длиной волны 355 нм (третья гармоника) и плотностью энергии 20 мДж/см². Используют режим регистрации положительно заряженных ионов. В результате регистрируется масс- спектр, приведенный на фиг. 2. Масс-спектр содержит пик, соответствующий молекулярным ионам М⁺ комплекса тетраметилтиурамдисульфида с серебром состава AuC₆H₁₂N₂S₄. Площадь под пиком пропорциональна содержанию определяемого соединения в пробе. Коэффициент пропорциональности находят на основе предварительно построенной градуировочной зависимости.

Пример 3. Определение лекарственного вещества тетраэтилтиурамдисульфида в моче

Для анализа используется проба мочи после процедуры осаждение белков. К 0.5 мл пробы, подкисленной до рН, 0.05 мл водного раствора нитрата меди CuNO₃, взятого в избытке по сравнению с предполагаемой концентрацией тетраэтилтиурамдисульфида в пробе. После перемешивания экстракт и рафинат разделяют отстаиванием, отбирают 10 мкл нижнего органического слоя и наносят на твердотельную подложку, выполненную из нанокристаллического кремния. Затем подложку помещают в ионный источник времяпролетного масс-спектрометра. На поверхность твердотельной подложки фокусируют лазерный пучок азотного N₂-лазера с длиной волны 337 нм и плотностью энергии 30 мДж/см². В результате регистрируется масс-спектр, приведенный на фиг. 3. Масс-спектр содержит пик, соответствующий молекулярным ионам М⁺ комплекса тетраэтилтиурамдисульфида с медью состава CuC₁₀H₂₀N₂S₄. Площадь под пиком пропорциональна содержанию тетраэтилтиурамдисульфида в пробе. Коэффициент пропорциональности находят на основе предварительно построенной градуировочной зависимости

Пример 4

Для сопоставления аналитических характеристик заявляемого способа и прототипа проведено сравнение чувствительности при определении тетраметилтиурамдисульфида во фруктах. В гомогенизированный образец фруктов (киви) добавляли тетраметилтиурамдисульфид и тщательно перемешивали с помощью блендера. Содержание тетраметилтиурамдисульфида в пробе составляло 2.5 мг/кг, что соответствует пределу обнаружения соединения по способу прототипа. (Предел обнаружения определяется как содержание определяемого вещества в пробе, сигнал которого равен утроенному значению стандартного отклонения шума). Затем проводили анализ пробы так, как это описано в примере 2. Найденное в результате анализа значение сигнал/шум определяемого соединения (комплекса тетраметилтиурамдисульфида с золотом) составили примерно 4300. Полученные данные показывают, что коэффициент чувствительности анализа по заявляемому способу на три порядка величины выше, чем по способу прототипа. Кроме того, длительность анализа по заявляемому способу составляет примерно 5 минут, что по крайней мере в два раза меньше, чем длительность анализа по способу прототипа.

Таким образом, заявляемый способ обеспечивает возможность масс-спектрометрического определения химических соединений, принадлежащих к группе тиурамдисульфидов, в объектах сложного состава, в том числе, в биологических жидкостях, пищевых продуктах, природных водах. Вследствие более высокой эффективности ионизации достигается более высокая чувствительность анализа и более низкие пределы обнаружения тиурамдисульфидов по сравнению с известными способами. Кроме того, в заявляемом способе отсутствует стадия хроматографирования, что позволяет уменьшить длительность анализа по сравнению со способом прототипа.