Разработка новых гибридных методов анализа биологических сред и объектов окружающей среды: 2019 г. этап 4

Проект: исполнение гранта/договораисполнение этапа гранта/договора

описание

Результатом исследований, проведенных по основному гранту, явилась разработка трёх новых гибридных методов
химического анализа.
1. Высокочувствительного метода определения летучих органических веществ (ЛОВ) в водных средах, объединяющего
комбинированную двухстадийную схему выделения аналитов с их газохроматографическим определением. В качестве
первой стадии выделения аналитов применяется хроматомембранная газовая экстракция в режиме насыщения газа-
экстрагента аналитами. На второй стадии аналиты концентрируются на поверхностно-слойных сорбентах с сорбционно
активными веществами различной полярности, соответствующей полярности выделяемых аналитов. Подобное
сочетание позволяет в максимальной степени использовать преимущества хроматомембранной газовой экстракции и
поверхностно-слойных сорбентов и дает возможность многократного снижения продолжительности стадии
концентрирования аналитов за счет резкого увеличения потока газа-экстрагента без ухудшения эффективности
массообмена по сравнению с традиционными аналогами.
2. Новые сочетания экспрессных вариантов off-line и on-line концентрирования органических аминов из водных сред
с их последующим капиллярно-электрофоретическим (КЭ) определением позволило обосновать новую общую схему
гибридного метода анализа для определения примесей органических аминов в водных средах природного и
техногенного происхождения. На принципах этого метода разработан ряд экспрессных методик аналитического
контроля загрязненности водных сред с параллельным определением нескольких аминов различной природы,
превосходящих по своим аналитическим возможностям ионохроматографические методы.
Параллельно за счет сочетания новых вариантов on-line концентрирования и косвенного детектирования обоснована
возможность проведения методом КЭ изотопного анализа соединений бора.
3. Третий вариант гибридного метода разработан в рамках развития общей методологии проточного анализа. Здесь
успех достигнут за счет сочетания нетрадиционных схем микроэкстракции с развиваемым авторами проекта
оригинальным равновесным проточным методом – циклическим инжекционным анализом (ЦИА). Подобное сочетание
позволило параллельно решать проблемы миниатюризации и автоматизации анализа. Целенаправленно регулируемые
в ЦИА объемы пробы и дозируемых реагентов обеспечивают возможность миниатюризации аналитического процесса.
При этом подобно всем проточным методам ЦИА решает проблему автоматизации анализа.
Для пробоподготовки, повышающей селективность определения аналитов в соответствии с общемировой тенденцией
развития проточных методов выбран метод гомогенной микроэкстракции, предполагающий образование in-situ фазы
экстрагента в пробе за счет изменения ее химического состава. Для реализации этого метода в качестве экстрагентов
применение нашли высшие амины и карбоновые кислоты благодаря их уникальным свойствам «переключать»
полярность молекул экстрагента в зависимости от кислотности среды [Vakh Ch., Pochivalov A., Andruch V., Moskvin L.,
Bulatov A. A fully automated effervescence-assisted switchable solvent-based liquid phase microextraction procedure: Liquid
chromatographic determination of ofloxacin in human urine samples // Analytica Chimica Acta. 2016. V. 907, P.54-59 ]. При
этом гомогенная микроэкстракция обеспечивает высокую скорость массообмена и высокую степень выделения
целевых аналитов в органическую фазу. Но известные схемы практической реализации этого процесса не поддаются
автоматизации, что ограничивает их практическое применение.

основные результаты по этапу (подробно)

1.4.1. Разработаны высокоэффективные композитные поверхностно-слойные угольно-фторопластовые сорбенты для экспрессного сорбционного концентрирования высокотоксичных фенольных соединений из атмосферного воздуха для последующего ВЭЖХ опре-деления аналитов на уровне ПДК в воздухе населенных мест. Разработанные сорбенты обеспечивают концентрирование фенола в 105 раз за 40 минут.
Установлены закономерности динамической сорбции фенолов из газовой фазы различ-ными типами композитных углеродно-политетрафторэтиленовых сорбентов и их последующей десорбции органическими растворителями применительно к обращенно-фазовому ВЭЖХ определению аналитов.
Установлено влияние природы и содержания углеродных сорбционно-активных материалов на политетрафторэтиленовом (ПТФЭ) носителе, размеров частиц этих материалов и частиц ПТФЭ-носителя на эффективность динамической сорбции фенольных соединений (фенол, изомерные крезолы) из потока воздуха при его различных скоростях. Максимальное удерживание фенольных соединений обеспечивает активный уголь ФАД, при этом параметры удерживания увеличиваются прямо пропорционально увеличению содержания ФАД на поверхности ПТФЭ-носителя. Установлено, что при размерах частиц угля менее 20 мкм могут быть получены поверхностно-слойные сорбенты (ПСС) с содержанием угля до (30 – 32) % от массы ПТФЭ-носителя. При этом содержание водяного пара в воздухе практически не влияет на параметры удерживания аналитов. Доказана более высокая эффективность ПСС по сравнению с обычными углями при высоких (более 200 мл/мин) скоростях потока анализируемого воздуха через сорбционную колонку, которая заключается в полуторно-двукратном увеличении объемов до проскока фенольных соединений.
1.4.2. Доказана нецелесообразность термодесорбции фенольных соединений при решении поставленных в проекте задач. Для её реализации требуются очень высокие температуры (350 - 400 0С), не совместимые с использованием ПТФЭ носителя. Количественная (более 90 %) десорбция фенолов достигается с помощью полярных органических растворителей (ацетон, ацетонитрил). Преимущество ПСС по сравнению с объемнопористыми сорбентами на стадии десорбции проявляется в 2-3 кратном уменьшении объема необходимого для количественной десорбции органического растворителя.
Разработана схема экспрессного определения фенольных соединений в атмосферном воздухе и в воздухе закрытых помещений с ненормируемой влажностью на уровне их ПДК (мкг/м3), основанная на динамической сорбции аналитов в миниатюрной сорбцион-ной колонке (3 х 0,3 см) из потока анализируемого воздуха (до 0,5 л/мин), создаваемого серийно выпускаемыми электроаспираторами. Количественное извлечение аналитов про-исходит из 20 литров воздуха в течении 40 минут. Десорбция осуществляется с помощью 1 мл ацетонитрила, который упаривается до 0,2 мл, достаточных для проведения трех параллельных ВЭЖХ определений с объемом дозирующей петли 0,02 мл. При использовании спектрофотометрического детектора с нижним пределом определения фенола 0,4 мг/л, нижний предел его определения воздухе составляет 4 мкг/м3 . Согласно ГН 2.1.6.3492-17 ПДК фенола в атмосферном воздухе населенных мест составляет 10 мкг/м3, крезолов – 5 мкг/м3.
1.4.3. Разработана методика определения изотопного состава борной кислоты в широком диапазоне вариаций изотопного состава. Методика опробована на образцах борной кислоты с содержанием изотопа 10В в диапазоне от 19,8 (природное содержание) до 90% 10В. Примеры электрофореграмм приведены на рис.1.
Линейность продемонстрирована в диапазоне от 0.3 до 15 мМ для обоих изотопов, что позволяет использовать методику для изотопного анализа борной кислоты с высокой степенью обогащения по изотопу 10В.
1.4.4. Определены коэффициенты распределения алкиламинов между жидкой и газовой фазами, выбраны оптимальные параметры хроматомембранной ячейки для их выделения из воздуха. Разработана методика генерирования стандартных газовых смесей с заданным содержанием аминов в воздухе. Выбраны условия извлечения аминов из воздуха в водный раствор 0,001 M HCl в хроматомембранной ячейке для их последующего определения методом КЭ и проведена апробация разработанной методики на модельных газовых смесях.
1.4.5. Разработан новый гибридный методов анализа на принципах микроэкстракции. Новая схема микроэкстракционного выделение аналитов предполагает образование in situ дисперсной фазы экстрагента в водной фазе пробы за счет изменения ее кислотности с одновременным выделением образующейся фазы экстракта на вращающемся пористом гидрофобном диске. Новый микроэкстракционный метод был автоматизирован на принципах циклического инжекционного анализа и показана возможность его применения в сочетании с ВЭЖХ-МС/МС для определения тетрациклинов и сульфаниламидов в биологических жидкостях.
1.4.6. Для реализации нового микроэкстракционного метода показана возможность применения в качестве экстрагентов высших карбоновых и фосфорорганических кислот с «переключаемой полярностью». Установлено, что карбоновые кислоты обеспечивают максимальную эффективность извлечения тетрациклинов, а фосфорорганические кислоты – сульфаниламидов.
Обоснован выбор и топология мембранного диска, обеспечивающая возможность его вращения в процессе пробоподготовки и устойчивость к повреждениям. Разработанный мембранный диск является относительно дешевым аксессуаром, который может быть использован для пробоподготовки в полевых условиях. Одноразовое использование диска исключает риск перекрестного загрязнения выделяемых аналитов.
На примерах определения тетрациклинов и сульфаниламидов в моче было показа-но, что разработанный метод микроэкстракции позволяет существенно сократить время пробоподготовки.
1.4.7. Следующей разработкой явился новый гибридный метод анализа твердофазных проб, основанный на in situ образовании глубокоэвтектического растворителя (ГЭР) при нагревании их прекурсоров непосредственно в смеси с твердофазной пробой с последующих микроэкстракционным извлечением целевых аналитов. Новый метод был реализован в сочетании с ВЭЖХ-ФЛ для определения фторхинолонов в образцах мышечной ткани животных.
При сравнении эффективности различных гидрофобных и гидрофильных ГЭР было установлено, что максимальную эффективность экстракции обеспечивает гидрофобный ГЭР на основе бромида тетрабутиламмония и гептанола.
Выявлено, что разработанный метод по сравнению с непосредственной экстракци-ей аналитов позволяет увеличить степень их извлечения в два раза за счет эффекта выса-ливания, который наблюдается при введении прекурсоров ГЭР в процессе пробоподготовки.
Среди группы изученных спиртов в качестве доноров водородной связи для in situ образования ГЭР предпочтительным является гептанол. Среди акцепторов водородной связи для in situ образования ГЭР из числа различных четвертичных аммониевых солей максимальную полноту извлечения аналитов обеспечивает бромид тетрабутиламмония.
В плане выбора условий проведения процесса микроэктракции установлено, что наибольшие коэффициенты концентрирования, полнота извлечения и максимальная вос-производимость результатов достигается при молярном соотношении фаз 2:3 и темпера-туре 120°С.

1.4.8. В качестве внеплановой разработки методологию контроля загрязнённых природ-ных вод пополнил новый автоматизированный гибридный метод определения в них опасного экотоксиканта хрома VI, предполагающий̆ его микроэкстракционное выделение непосредственно в шприцевом насосе проточного анализатора. Метод обеспечивает авто-матизацию дисперсионной микроэкстракции в оригинальном варианте, где в качества диспергаторов впервые показана возможность применения гидрофобных ГЭР на основе бромида тетрабутиламмония и органических кислот. Было установлено, что диспергиро-вание экстрагента в присутствии ГЭР способствует более быстрой и эффективной экс-тракции. Из числа карбоновых кислот, используемых в качестве прекурсоров ГЭР, макси-мальное значение степени выделения хрома было достигнуто при использовании муравь-иной кислоты.


описание вклада в работу каждого из участников, допустима оценка в процентах (учётная форма ЦИТиС)

ФИО Роль в проекте Распределение обязанностей внутри проекта на 2019 год
Москвин Леонид Николаевич 14% Руководитель 1.Координация работ по различным этапам плана на 2019 год и обсуждение их результатов с исполнителями.
2.Разработка конструкций хроматомембранных ячеек для концентрирования аминов из воздуха и схему их коммутации с КЭ-анализатором.
3. Планирование и редактирование первичных версий публикаций.
Родинков Олег Васильевич 12,2% Исполнитель 1.Критический анализ литературных данных, посвященных сорбционному концентрированию
высокотоксичных фенольных соединений при анализе атмосферного воздуха и воздуха жилых помещений и их газо- и жидкостно-хроматографическому определению. Участие в подготовке публикаций.
2. Сопоставление аналитических возможностей разработанных в ходе выполнения проекта ПСС и традиционных объемно-пористых сорбентов того же гранулометрического состава для сорбционного концентрирования фенольных соединений из потока в анализируемого воздуха.
Бугайченко Александра Сергеевна 7% Исполнитель 1. Разработка новых общих схем микроэкстракционного выделения и концентрирования аналитов из сложных матриц на принципах образования эвтектических смесей и растворителей с «переключаемой» полярностью.
2. Сопоставление и анализ полученных результатов в области микроэкстракционных методов разделения и концентрирования.
3. Подготовка публикаций по полученным результатам.
Булатов Андрей Васильевич 12,2% Исполнитель 1.Изучение возможности использования глубоко эвтектических растворителей для задачи выделения и концентрирования антибиотиков фторхинолонового ряда из твердофазных матриц биологических объектов.
2. Разработка нового метода микроэкстракции, основанного на образовании in situ глубоко эвтектического растворителя в фазе твердофазной пробой; выбор оптимальных условий.
3. Подготовка публикации по полученным результатам.
Тимофеева Ирина Игоревна 10% Исполнитель 1. Изучение возможности использования глубоко эвтектических растворителей для задачи выделения и концентрирования антибиотиков фторхинолонового ряда из твердофазных матриц биологических объектов.
2. Разработка нового метода микроэкстракции, основанного на образовании in situ глубоко
эвтектического растворителя в фазе твердофазной пробой; выбор оптимальных условий.
3. Подготовка публикации по полученным результатам.
Вах Кристина Степановна 10% Исполнитель 1. Разработка нового комбинированного метода, предполагающего in situ образование дисперсной фазы экстрагента в пробе за счет изменения кислотности раствора пробы с одновременным выделением образующейся фазы экстракта на вращающемся пористом диске из гидрофобного материала.
2. Выбор оптимального экстрагента из числа растворителей с «переключаемой» полярностью, таких как высшие карбоновые и фосфорорганические кислоты.
3. Оптимизация условия экстракционного извлечения антибиотиков тетрациклинового ряда из проб сложного состава для их последующего ВЭЖХ-МС/МС определения.
4. Подготовка публикаций по материалам исследования
Шишов Андрей Юрьевич 10% Исполнитель 1. Изучение возможности применения глубоко эвтектических растворителей для экстракции тяжелых металлов из природных вод в шприце проточного анализатора.
2. Разработка нового метода дисперсионной микроэкстракции тяжелых металлов с применением глубоко эвтектических растворителей в качестве эффективных диспергаторов. Выбор оптимальных условий: исследование возможности применения различных глубоко эвтектических растворителей, различных экстрагентов и оптимизация химических и гидродинамических условий экстракции.
3.Подготовка публикации по полученным результатам.
Каменцев Михаил Ярославович 11% Исполнитель 1. Поиск оптимальных подходов к анализу изотопного состава технологически важных соединений бора методами капиллярного зонного электрофореза, мицеллярной электрокинетической хроматографии и капиллярного изоэлектрического фокусирования.
2.Оптимизация условий анализа изотопной чистоты борной кислоты методом капиллярного зонного электрофореза.
3.Подготовка публикаций по материалам исследования
Якимова Нина Михайловна 11% Исполнитель 1.Разработка и валидация методики анализа изотопного состава борной кислоты, обогащенной по изотопу B-10.
2.Разработка общей методологии и конкретных устройств для поглощения кислых и щелочных аналитов из воздуха, адаптированных к КЭ-анализу концентрата. Участие в подготовке публикаций.
3.Обсуждение и оформление данных в виде фрагмента для публикации.
Альабуд Марсель 0,5% Исполнитель и
Спиваковский Валерий 1,5 % Исполнитель 1.Выбор оптимальных условий сорбционного концентрирования фенольных соединений на стадии сорбции (размеры сорбционной колонки и скорость пропускания анализируемого воздуха) и стадии десорбции – температура и скорость потока газа-носителя в случае термодесорбции (фенол, крезолы) и состав и необходимый объем элюента в случае десорбции органическим растворителем (хлорфенол).
2.Участие в подготовке публикаций.
АббревиатураRSF_RG_2016 - 4
СтатусАктивный
Действительная дата начала/окончания30/04/1931/12/19

Ключевые слова

  • гибридные методы анализа
  • развитие