Тенденции развития аналитической химии от макроанализа к обнаружению

Тенденции развития аналитической химии: от макроанализа к обнаружению отдельных молекул В. Н. Майстренко Башкирский государственный университет, 450074, Уфа, ул. Заки Валиди, 32, Баш. ГУ, химфак, кафедра аналитической химии E-mail: V_maystrenko@mail. ru

Как область науки аналитическая химия имеет мощный фундамент в виде практических работ по анализу и контролю реальных объектов – анализ металлов и сплавов, крови и мочи, лекарственных веществ, пищевых продуктов, воды, воздуха, почв, обнаружение взрывчатых веществ, ядов, наркотиков, полезных ископаемых, нефтепродуктов и т. д. Потребности в определении химического состава непрерывно растут, но более важно то, что быстро увеличиваются возможности аналитической химии. Увеличение потенциала аналитической химии является результатом аккумулирования новейших достижений многих областей науки и техники.

Что может современная аналитическая химия? В неорганическом анализе – одновременное определение в одном образце до 30 - 40 элементов при очень низких концентрациях (ИСП-АЭС, ИСП-МС, РФС и др. ). В органическом анализе – одновременное определение десятков и даже сотен органических соединений и биологически активных веществ в их смесях при низких концентрациях (ГХ-МС, ЖХ-MС, ИФА и др. ).

Неорганический анализ

Спектрометр Плазма Детектор Проба Схема ИСП-ААС спектрометра

Атомно-эмиссионная спектроскопия

Пределы обнаружения элементов в воде методом ИСП-АЭС, мкг/л Элемент Сlim Сmax As 2 250 Ni 0, 5 200 Be 0, 09 100 Pb 1 200 Cd 0, 1 150 Se 3 250 Cr 0, 2 150 Sn 2 200 Cu 0, 4 150 Zn 0, 2 150

Проба M+ Плазма Массанализатор ИСП-масс-спектрометрия Детектор

Пределы обнаружения элементов в воде методом ИСП-МС, мкг/мл Элемент Сlim Be 0, 003 As 0, 0006 Cd 0, 00009 Fe 0, 0003 Cr 0, 0002 Mn 0, 00007 Cu 0, 0002 Sn 0, 0005 Ni 0, 0004 Se 0, 0007 Pb 0, 00004 Sb 0, 0009 Zn 0, 0003 U 0, 0001

Лампа Графитовая кювета Монохроматор Детектор Схема атомного абсорбционного спектрометра с электротермической атомизацией

Элементы, определяемые методом ААС

Рентгеновское излучение Вторичное излучение Рентгеновская флуоресценция

Схема ионного хроматографа Подвижная фаза (электролит с низкой электропроводностью) Насос Колонка с ионитом Ввод пробы Детектор по электропроводности

Ионная хроматограмма раствора, содержащего смесь анионов

Органический анализ

Газовая хроматография

Сегодня газовые хроматографы - самые распространенные аналитические приборы. Число продаж ≈ 30 000 приборов / год Объем мирового рынка > $ 1 000 000 / год Наиболее известные фирмы: Perkin-Elmer, Hewlett Packard, Agilent, Shimadzu, Carlo Erba, Fisons, “Цвет”, “Кристалл” и др.

Газовая хроматограмма смеси веществ

Хроматограммы двух образцов горючего, полученные на капиллярной колонке 30 м х 0, 53 мм с НЖФ DB-5 Кондиционное горючее Некондиционное горючее 21

Высокоэффективная жидкостная хроматография Насос высокого давления Ввод пробы ПК Источник подвижной фазы ВЭЖХ Детектор

Пример хроматограммы ВЭЖХ аминокислот

Тенденция развития методов химического анализа такова, что масс-спектрометрия становится основным методом современной аналитической химии, а также основным детектором в хроматографии. Наиболее значимые достижения в области масс-спектрометрии – разработка новых методов ионизации (в том числе биомолекул) и появление достаточно простых и компактных масс-спектрометров (ионные ловушки, времяпролетные и др. )

Детектор Y+ X+ Легкие ионы Испарение Поток ионов Ионизация Z+ Тяжелые ионы Ввод Разделение ионов в магнитном поле в зависимости от m/z Поток электронов Электронные линзы Магнит Масс-спектрометр

Масс-спектр метанола (CH 3 OH) 29 CH 3 OH + e- CH 3 OH+ + 2 e. CH 3 OH + CH 2 OH+ + H CH 3 OH + CH 3+ + НO CH 2 OH + H 2 + CHO+ 32 32 а. е. 31 а. е. 15 а. е. 29 а. е.

Электроспрей (electrospray ionization) – метод, в котором вещество на ионизацию поступает в полярном растворителе (вода, метанол, ацетонитрил и др. ), содержащем ионы водорода и катионы щелочных металлов (натрий, калий), через металлический капилляр (распылитель), к которому приложено высокое напряжение. Продвигаясь в электрическом поле капля раствора испаряется под действием нагретого потока инертного газа (азот) и распадается на ряд мелких положительно заряженных капель, которые попадают в масс-анализатор. Метод позволяет работать с веществами, которые нельзя перевести в газовую фазу.

ESI масс-спектр трипсина M + 15 H+ 1599. 8 M + 16 H+ M + 14 H+ 1499. 9 1714. 1 1411. 9 M + 13 H+ 1845. 9 1999. 6 2181. 6 m/z

Матрично активированная лазерная десорбция/ионизация Матричная лазерная десорбция (matrix assisted laser desorbtion/ionization) – метод, в котором исследуемое вещество смешивают с «матрицей» - веществом, хорошо поглощающим лазерное излучение (коричная, 3 -гидроксипиколиновая кислоты, 6, 7 -гидроксикумарин и др. ). Смесь на подложке помещают в прибор и облучают короткими лазерными импульсами. Вещество матрицы испаряется и захватывает с собой молекулы исследуемого вещества, которые ионизируются и увлекаются электрическим полем в масс-анализатор. Аналитическая матрица Лазерный луч Ионы аналита К массспектрометру Ионы матрицы Катион Плата для образца Сетка Фокусирующая линза

К массспектрометру Стадия десольватации Ионный кластер 337 нм УФ-лазер Матрица Образец Растворитель

Масс-спектр молекулы белка М+Н (15. 814 Д) 2 М+Н М+2 Н 3 М+Н

Масс-спектр наночастиц серебра Ag 12 Ag 16 Ag 21 Ag 25 1346 - 1797 Ag 16 Ag 32 2247 Ag 21 2698 Ag 25 3387 Ag 32

MALDI идентификация микроорганизмов На подложку масс-спектрометра наносят образец, добавляют матрицу и послойно регистрируют масс-спектр, по которому идентифицируют бактерии, грибки, ткани и т. п. по базе данных. Импульсный лазер (337 нм, 3, 5 нс) Масс-спектрометр

MALDI имиджинг биотканей Используя 2 D технологии на основе масс-спектров получают компьютерный образ исследуемых бактерий или тканей.

Десорбционная плазменная ионизация

Времяпролетный масс-анализатор (TOF) В случае времяпролетных масс-анализаторов ионы движутся в отсутствие магнитного поля. После ионизации анализируемые молекулы разгоняются электрическим полем приобретая одинаковую кинетическую энергию E = mv 2/2. В зависимости от массы ионы двигаются с различными скоростями и в разное время достигают детектора, расположенного в конце их пролета. Зарегистрировав время пролета ионов, можно определить их массу. Поскольку указанный процесс протекает за миллионные доли секунды, такой масс-анализатор «быстрый» . С его помощью можно измерять массу очень больших молекул (десятки и сотни тысяч атомных единиц).

Типы TOF масс-анализаторов Линейный масс-анализатор Источник ионов Детектор Время пролета Масс-анализатор с рефлектроном Источник ионов Детектор Рефлектор Время пролета

Времяпролетные масс-спектры углеродных кластеров Времяпролетный массспектрометр LECO

Задачи решаемые масс-спектрометрией 1. Идентификация веществ. 2. Химический анализ смесей. 3. Элементный анализ. 4. Изотопный анализ. 5. Разделение изотопов.

МАСС-СПЕКТР БЕНЗОЛА Бензол Молекулярный ион Фрагменты C 6 H 6 = 78, 0469

Схема газового хромато-масс-спектрометра

Нафталин 3 -этилпиридин 3 -(3, 4 -дигидро-2 Н-пиррол-5 -ил)-пиридин 2 -метил-6 -хинолинамин Фенол Анализ сигаретного дыма методом ГХ-МС 2 -(метиламино)бензонитрил

Некоторые достижения в области химического анализа

Определение чрезвычайно низких концентраций и очень малых количеств Лазерные спектроскопические методы для легко возбудимых элементов. Определение золота в горных породах нейтронноактивационным методом до 10 -10 % масс. Определение полихлорированных диоксинов методом ГХ-МС высокого разрещения. Спектроскопическое обнаружение молекул органических соединений в межпланетном пространстве. Масс-спектрометрическое определение летучих органических веществ в выдыхаемом воздухе – до 5 пг.

Аналитическая химия отдельных молекул ДНК-анализ электрокинетическим пропусканием молекулы через наноканалы. Молекула ДНК распрямляется. Детектирование – лазерно-флуоресцентное. Масс-спектрометрическое обнаружение отдельных молекул. «Счет» адсорбированных молекул на поверхности раздела флуоресцентным методом.

Определение металлов, загрязняющих почву in situ

Обнаружение и определение форм существования компонентов в объекте анализа Формы существования токсичных элементов в объектах окружающей среды • Хром (VI) и хром (III) • Мышьяк (V) и мышьяк (III) • Разные формы ртути Оптические изомеры (лекарства и др. ).

Анализ без разрушения образца Произведения скульптуры, живописи, прикладного искусства Вещественные доказательства Взрывчатые вещества в багаже Методы Радиоактивационный анализ Рентгенофлуоресцентный анализ Ядерный квадрупольный резонанс

Анализ на расстоянии Анализ космических объектов Анализ на океанских глубинах «Земные» дистанционные анализы (воздух вдоль улиц или над заводами, контроль состава смесей в химических реакторах, контроль радиоактивности).

Что происходит в сфере методов анализа? Вытеснение классических химических методов инструментальными (и биохимическими), в основном методами атомной спектроскопии, аналитической хроматографии и масс-спектроскопии Автоматизация и компьютеризация Гибридизация методов Миниатюризация Растет значимость создания новых эффективных методов

Предствляющие интерес прикладные проблемы

Контроль качества пищевых продуктов Оценка пищевой ценности Обнаружение и определение химических загрязнений Оценка степени свежести, изменений со временем Поверка подлинности Обнаружение генетически модифицированных продуктов

Проблемы молекулярной биологии, биохимии, биомедицинских исследований Расшифровка геномов (генома человека) Протеомика (исследование белков клетки) Идентификация личности через ДНК-анализ Совершенствование клинического анализа Фармакокинетика и смежные направления Новые вещества – маркеры для диагностики заболеваний

Анализ в криминалистике, таможенном контроле Обнаружение ядов (As, Hg, KSN) Анализ чернил, бумаги Восстановление документов Микроанализ красок, стекла и т. д. Обнаружение наркотиков Обнаружение взрывчатых веществ

Обнаружение взрывчатых веществ Мины в земле. ВВ в багаже. ВВ на человеке. Остатки после взрыва. Идентификация.

Контроль домашней обстановки Пары ртути, Фенол и формальдегид из ДСП, Органические вещества из лаков, красок, линолеума, полимерных материалов Воздух в помещении с «евроремонтом» * * 16 загрязнителей Воздух в обычном помещении

Тенденции развития

Что мы наблюдаем? Множатся объекты анализа Растет число анализов Растет число определяемых компонентов Выход? Обобщенные показатели Скрининг проб Унификация методик Автоматизация анализа

Анализ уходит из лаборатории Нужна ли лаборатория в принципе? Потребности во внелабораторном анализе огромны Возможности внелабораторного анализа растут

Достоинства внелабораторного анализа "на месте" Часто анализ в стационарной лаборатории невыполним в принципе или не имеет смысла Экономия времени и средств, в том числе на транспортировку проб При «полевом» анализе обычно снижаются требования к квалификации оператора

Примеры химического анализа вне стационарных лабораторий Экспресс-контроль технологических процессов Обнаружение метана в шахтах Обнаружение утечек природного газа Определение СО в автомобильных выхлопах Экспресс-анализ в поле для геологов-поисковиков Быстрый анализ почв (р. Н, азот, фосфор) Алкоголь в выдыхаемом воздухе водителем Определение сахара в крови и моче диабетиков Обнаружение стероидов и других веществ в моче при допинг-контроле Оперативный анализ воды, в том числе питьевой Анализ воздуха рабочей зоны, на улицах Контроль озона в стратосфере Космические исследования Обнаружение наркотиков в аэропортах, при обысках Обнаружение боевых отравляющих веществ Обнаружение жидких ракетных топлив Обнаружение взрывчатых веществ

Портативные газоанализаторы Прибор ECOPROBE 5 измеряет концентрацию парообразной фазы загрязняющего вещества в приповерхностной области грунта. Сочетание фотоионизационного детектора ФИД (для измерения суммарной концентрации почвенного газа) и избирательного инфракрасного детектора (для проведения раздельных измерений концентрации метана, углеводородов, и углекислого газа). Полученные значения пропорциональны концентрации загрязняющего вещества, но они не позволяют определить точное количество жидкого загрязняющего вещества, присутствующего в грунте. Во время обследования загрязненного участка рекомендуется взять пробу в том месте, где было зарегистрировано максимальное загрязнение, а также взять несколько проб на границе загрязненного участка для проведения лабораторного анализа с целью определить границы значений концентрации загрязняющего вещества.

Индикаторные полоски для контроля загрязняющих веществ в объектах окружающей среды

Набор индикаторных трубок для контроля содержания алкоголя Индикаторные трубки для определения примесей в воздухе

Индикаторные полоски для определения сахара в моче Индикаторные полоски для определения белка в моче

Индикаторные полоски для биохимического анализа крови

Использование хемометрических подходов Отказ от покомпонентного анализа Распознавание образов Изменение самой парадигмы химического анализа

Распознавание образов вместо покомпонентного анализа Что такое «образ» ? Можно ли найти инструментальную замену • дегустатору вин • парфюмеру • собаке, ищущей ВВ или наркотики Электронный нос Электронный язык

Электронный язык

Обработанный сигнал Электрод Информация о составе смеси и концентрации компонентов Вещество Искусственный интеллект Отклик электрода Встроенный процессор Мультиэлектродная система

Распознавание минеральных вод с помощью «электронного языка» . Образцы 1 -3 представляют природную воду из трех различных источников. Образцы 4 и 5 соответствуют искусственно приготовленной воде

МГК-модели вольтамперограмм при внесении в ячейку образцов водок

Образцы водок, классифицированные с использованием МГК-моделей № Название Производитель Спирт V 1 Русский Стандарт Платинум Россия, Премиум V 2 Дикий мед РБ, г. Стерлитамак Эксклюзив V 3 Русский Стандарт Россия, г. Санкт-Петербург Высшее качество V 4 Веда г. Кингисепп, Ленингр. обл. Люкс V 5 Кауфман «Софт» Россия, г. Калуга Люкс V 6 Кауфман «Лимон и Грейпфрут» Россия, г. Калуга Высшая очистка V 7 Абсолют Швеция Премиум V 8 Немиров Премиум Украина Люкс V 9 Ермолаевская ржаная РБ, г. Уфа Люкс V 10 V 11 Русское застолье на г. Дмитров, Моск. области ржаных сухариках Купецъ РБ, г. Стерлитамак Люкс

Распознование водок с использованием МГК-моделей Водка, V 1 № п/п V 2 V 3 V 4 1 83 63 90 3 23 13 93 3 13 53 V 6 V 7 V 8 V 9 46 2 V 5 V 1 0 V 1 1 V 1 2 83 4 10 10 6 33 80 10 5 26 33 6 30 3 86 10 7 3 3 20 93 8 3 30 40 10 83 9 23 50 10 30 30 83 86 11 90 12 20 86

МГК-модели вольтамперограмм при внесении в ячейку образцов вин

Образцы классифицированных вин № V 1 Название Мускат V 2 Фраскатти супериоре Солнце Средиземноморья Казильеро дель V 4 Дьябло Шардоне Барон Д'Ариньяк V 5 Блан Муалле Барон Д'Ариньяк V 6 Блан V 7 Черный кот Молоко любимой V 8 женщины V 9 Божоле Виллаж ЖЛК Барон Д'Ариньяк Руж V 10 де Франц V 3 V 11 V 12 V 13 Барон Д'Ариньяк Казильеро дель Дьябло Мерло Жан Поль Шене Цвет Категория Страна бел п/сл Болгария Фирма Vinprom «Касса Виникола Калдирола» Via S. Bartolomeo бел сух Италия бел п/сл Валенсия Anecoop-Cheste Agraria бел п/сух Чили Vina Conchay Toro бел п/сл Франция бел сух Франция бел п/сл Германия Baron d’Arignac 33720 Landiras Peter Mertes бел п/сл Германия Peter Mertes кр сух Франция кр п/сл Франция Bojoeaux Baron d’Arignac 33720 Landiras кр сух Чили Vina Conchay Toro кр сух Болгария Vinprom

39 Распознование вин с использованием МГК-моделей 2 20 93 30 23 17 23 23 13 27 0 20 0 3 57 33 97 53 0 27 57 43 30 60 87 27 37 80 4 10 17 37 90 40 43 30 63 10 33 40 0 0 33 5 0 27 7 67 90 83 0 30 27 0 33 0 37 23 6 7 37 23 73 90 93 0 33 27 0 33 0 30 53 7 47 43 60 47 23 27 90 57 13 33 63 0 30 63 8 17 10 33 67 13 20 30 97 7 33 37 23 30 53 9 0 40 33 33 0 33 97 27 63 30 20 37 10 27 0 60 33 0 0 27 43 33 97 63 33 0 67 11 30 0 87 7 27 30 0 60 57 60 97 20 30 90 12 0 0 30 3 17 7 97 30 60

Миниатюризация 1950 -е Грамм. Моль Милли Микро Нано Пико Фемто Атто 2000 -е

Биочипы находят применение в здравоохранении, санитарно-эпидемиологическом надзоре и экологии в качестве датчиков для быстрого обнаружения специфических биологических объектов.

Наноаналитика Создание и совершенствование методов и средств исследования нанообъектов. Использование наноразмерных структур для создания новых средств «обычного» химического анализа Твердые наночастицы Мицеллы Нанополости Пленки

Квантовые точки В последнее время интерес исследователей вызывают так называемые «квантовые точки» - нанокристаллы Cd. S, Cd. Se, Cd. Te, Pb. Se и других полупроводников, а также коллоидные частицы Au и Ag. В таких системах неорганическое ядро покрыто «шубой» длинноцепочечного стабилизатора, что обеспечивает стабильность наночастиц размером 2 -8 нм Микрофотография наночастиц Pb. S

Квантовые точки в раковых клетках мыши (зеленый цвет)

Дендример, к внешней оболочке которого прикреплены молекулы фолиевой кислоты. Светящиеся молекулы флюоресцеина позволяют обнаружить раковые клетки, а метотрексат убивает их.

DART-анализ Direct Analysis in Real Time - прямой анализ в реальном времени, т. е. быстрое получение информации об анализируемом объекте. Процедура анализа сводится к тому, что анализируемый раствор вносят в прибор, где происходит испарение вещества и его ионизация с последующей регистрацией масс-спектра. При этом оператор сразу же видит масс-спектр на мониторе компьютера, подключенного к масс-спектрометру. Длительность анализа составляет несколько секунд. О присутствии искомых компонентов судят по масс-спектру на экране компьютера, не используя какую-либо дополнительную информацию, кроме знания молекулярной массы вещества. Этот метод находит все большее применение при контроле объектов окружающей среды, качества пищевых продуктов и фармацевтических препаратов.

ГХ/МС спектрометр для полевых исследований

Благодарю за внимание!