Системный подход в хромато-масс-спектрометрическом анализе сложных смесей органических соединений в объектах окружающей среды

В настоящее время в аналитической практике все больше применяются высокопроизводительные и информативные методы анализа, такие как ГХ-МС, ВЭЖХ-МС. Большой объем информации должен быть соответствующим образом обработан и осмыслен. Для этого нужны соответствующие методы, позволяющие максимально полно использовать эту информацию и преобразовать ее в нужную форму.

Определяемые компоненты смесей органических соединений в объектах окружающей среды можно разделить на два класса: 1) индивидуальные компоненты, которые рассматриваются как независимые друг от друга и определяются каждый в отдельности- 2) многокомпонентные смеси, определяемые как одно целое, как один компонент (например, сумма ПХБ, токсафен, суммарное количество нефтепродуктов, сумма углеводородов, суммарное количество ароматических соединений и т. п.). Эти сложные компоненты могут иметь переменный состав, как по происхождению, так и в результате изменений, происходящих с ними в окружающей среде.

Процедура определения таких сложных компонентов должна предусматривать использование аналитических признаков, которые характеризовали бы этот набор

• соединений в целом. Погрешность определения таких компонентов, помимо обычной погрешности воспроизводимости и систематической составляющей, содержит вклад, обусловленный непостоянством состава. С другой стороны, факт связи разных соединений объединением их в одном сложном компоненте дает новые возможности определения его индивидуальных составляющих.

Таким образом, основной проблемой при анализе многокомпонентных смесей, определяемых как один компонент, является необходимость не только обеспечить идентификацию (как и в случае определения простых компонентов), но и дать определенную характеристику их состава. Процедуры обеспечения и контроля качества в случае многокомпонентных смесей, определяемых как один компонент, также должны учитывать вариации состава этого компонента. Для этого необходим подход, по возможности наиболее полно учитывающий все характеристики этой смеси как единой системы, т. е. системный анализ.

С развитием техники разделения в хроматографии и хроматомасс-спектрометрии (высокоэффективные капиллярные колонки, двумерная хроматография и др.) появилась возможность разделения и прямого определения практически всех индивидуальных компонентов сложных смесей. Однако, многие сложные смеси трудно полностью т.

разделить даже и этими способами, а тем более идентифицировать все компоненты. Кроме того, во многих случаях знание индивидуального состава излишне, а необходимы групповые характеристики. Поэтому методы группового, или системного, анализа сохраняют свою актуальность, являясь дополнением и альтернативой методам определения индивидуального состава.

Настоящая работа посвящена созданию методов обработки масс-спектров для качественного и количественного анализа многокомпонентных сложных смесей органических соединений. Специфика анализа таких смесей обусловлена сложным и малоселективным характером их масс-спектров, нередким отсутствием эталонов для структурной идентификации и градуировки при количественном анализе. Разработка методов свертки масс-спектральной информации и специальных форм представления масс-спектров сложных смесей, выбора эффективных аналитических характеристик позволили значительно увеличить объем информации, получаемой из масс-спектров, алгоритмизировать для обработки на ЭВМ практически все этапы качественного и количественного анализа.

Одним из основных положений разработанного подхода к анализу сложных смесей и объектов является концепция системного анализа. Под системным анализом мы понимаем методологию анализа сложных аналитических компонентов (аналитов), т. е. таких, которые сами представляют собой сложные смеси или объекты, включающие большое число индивидуальных соединений, называемых системами. Такой анализ должен учитывать по возможности все подходящие аналитические признаки. Он включает рассмотрение внутренней структуры систем, т. е. элементов, составляющих систему, и связей между ними. Знание внутренней структуры дает возможность моделировать системы, т. е. находить свойства элементов и связи между ними при недостаточном количестве известных представителей системы.

Целью настоящей работы была также разработка методологических подходов и методик анализа сложных смесей органических загрязнителей в окружающей среде, природных и синтетических объектах сложного состава методами масси хромато-масс-спектрометрии, основанные на системном подходе к определяемым компонентам. Для этого была изучена зависимость интенсивности пиков характеристических ионов и сечений ионизации органических молекул разных классов от молекулярной массы и структурных факторов для выбора аналитических характеристик и оценки градуировочных коэффициентов расчетным путем. Далее на основе этих подходов и алгоритмов были разработаны новые методики определения органических загрязнителей в объектах окружающей среды и группового состава сложных смесей органических соединений, в частности, нефтяных фракций и нефтепродуктов, полихлорированных бифенилов, пестицидов, полициклических ароматических соединений. С помощью этих методик был изучен состав основных органических загрязнителей в различных объектах окружающей среды и технических материалах.

Объектами исследования являлись сложные смеси органических соединений, выделяемые из природных и технических объектов, природные и синтетические материалы сложного состава, такие как нефти, продукты переработки нефти и угля, рассеянное органическое вещество, гумусовые вещества почвы, полимерные материалы, продукты сжигания топ л ив и отходов.

Нами были проведены систематические исследования состава углеводородов и гетероатомных соединений в средних и тяжелых фракциях нефтей и продуктов переработки нефтей, углей, горючих сланцев. Были получены и обобщены данные по зависимости интенсивности пиков характеристических ионов и сечений ионизации органических молекул от молекулярной массы и структурных факторов для оценки градуировочных коэффициентов расчетным путем. Был осуществлен выбор оптимальных аналитических характеристик и получение градуировочных коэффициентов для определения различных типов органических соединений в сложных смесях. Сформулированы правила идентификации компонентов в сложных смесях органических соединений. Разработан хроматомасс-спектрометрический метод обзорного анализа и оценки концентраций компонентов сложных смесей.

В первой главе изложены методы свертки масс-спектральной информации, выбора эффективных аналитических характеристик, моделирования масс-спектров на основании спектро-структурных корреляций. Особое внимание уделено методам определения градуировочных коэффициентов при недостаточном количестве экспериментального материала, вопросам качественного анализа типов соединений в сложных смесях, детализации и увеличения точности количественного анализа.

Введенное представление масс-спектров сложных смесей в виде «свернутых» и «групповых» масс-спектров позволило осуществить формализацию основных этапов качественного и количественного анализа сложных смесей и разработки новых методов анализа, необходимую для автоматизации с помощью ЭВМ.

Во второй главе рассмотрены общая задача определения структурно-группового состава сложных смесей и вычислительные методы и процедуры, используемые для ее решения. Предложена схема количественного анализа сложных смесей, содержащих типы соединений с близкими масс-спектрами, методом последовательных приближений с детализацией изомерного состава определяемых типов соединений и соответствующим уточнением расчетных коэффициентов в процессе каждого приближения. Описан метод определения совместности экспериментальных аналитических характеристик ряда анализируемых смесей и матрицы градуировочных коэффициентов, позволяющий оценить возможность анализа этой серии проб с помощью данной матрицы градуировочных коэффициентов.

В третьей главе изложены принципы использования системного анализа для идентификации соединений в сложных смесях при хромато-масс-спектрометрическом анализе.

Четвертая глава посвящена описанию приемов сочетания масс-спектрометрии с различными методами разделения и анализа сложных смесей. В ней изложены методы количественного анализа сложных смесей при их фракционировании в процессе непосредственного ввода в источник ионов масс-спектрометра, использования пиролитической масс-спектрометрии для анализа высокомолекулярных сложных объектов, сочетание в единой расчетной схеме данных масс-спектрометрии с физико-химическими характеристиками смесей и данными других методов анализа.

В пятой главе приведены примеры применения разработанных принципов выбора эффективных аналитических признаков моделирования масс-спектров и создания методик анализа сложных смесей различного происхождения.

В шестой главе изложены некоторые результаты исследования технических и природных сложных смесей и высокомолекулярных объектов с помощью разработанных масси хромато-масс-спектрометрических методов и их сочетания с различными методами разделения и с другими методами анализа. С помощью кристаллизации, комплексообразования, хроматографического и термодиффузионного разделения, масси хромато-масс-спектрометрии, ИК-, УФ-, ЭПР-, ЯМР-спектроскопии изучены состав и структура насыщенных и ароматических углеводородов, сернистых и азотистых соединений нефтей, углей и горючих сланцев. Сочетание термодиффузионного разделения, комплексообразования с тиокарбамидом и масс-спектрометрического анализа позволило определить структурные характеристики нефтяных насыщенных сульфидов и оценить эффективность применения этих методов разделения в общей схеме анализа тяжелых нефтяных фракций. Комплекс микрометодов разделения в сочетании с ИК-, УФ-и ЭПР-спектроскопией и пиролитической масс-спектрометрией позволили охарактеризовать состав коксовых отложений на алюмо-кобальт-молибденовом катализаторе гидрокрекинга. Особое внимание было обращено на исследование смолисто-асфальтеновой части коксовых отложений, играющих основную роль в коксообразовании. Впервые установлены состав и доказана полимерная структура «полимеров трения» -веществ, образующихся при трибополимеризации на трущихся поверхностях.

В результате проведенной работы был предложен новый подход к идентификации неизвестных органических соединений в сложных смесях, выделяемых из объектов окружающей среды, методом хромато-масс-спектрометрии (ХМС), состоящий в выявлении по нескольким идентифицированным соединениям определенной системы компонентов — набора соединений, связанных между собой общим происхождением или постоянным совместным присутствием в анализируемых объектах (гомологических рядов, изомеров, продуктов технологических процессов, продуктов разложения веществ в природе, совокупности компонентов выбросов данного предприятия и т. п.), и направленного поиска остальных компонентов этих систем. Система в целом может рассматриваться как один определяемый компонент. Благодаря использованию укрупненных компонентов — систем соединений — вместо множества индивидуальных соединений этот подход обеспечивает более надежную идентификацию и дает возможность «достраивать» систему по ограниченному числу идентифицированных компонентов системы.

Введено понятие «группового масс-спектра» для характеристики сложных смесей органических соединений — объединение всех пиков ионов в масс-спектре сложной смеси в группы характеристических ионов, специфических для различных групп соединений. Предложен способ выделения групп характеристических ионов в гомологических рядах ионов, соответствующих разным группам соединений, разложением на составляющие сложной кривой огибающей интенсивностей пиков гомологических рядов ионов с помощью распределения Пуассона.

Разработаны методы оценки расчетным путем градуировочных коэффициентов для групп соединений — углеводородов и гетероатомных соединений — в нефтях и нефтепродуктах с использованием зависимости относительных сечений ионизации от молекулярной массы и структурных факторов.

На основе групповых масс-спектров были разработаны методики определения группового состава углеводородных и гетероатомных компонентов нефтей и нефтепродуктов в легких, средних и тяжелых фракциях методом хромато-масс-спектрометрии. Разработан метод определения группового состава углеводородов и гетероатомных соединений в высококипящих фракциях нефти и нефтепродуктов методом масс-спектрометрии высокого разрешения. Разработан метод оценки распределения по длине и средней длины алкильных заместителей в молекулах углеводородов и гетероатомных соединений. Предложен метод идентификации и количественного определения технических смесей полихлорированных бифенилов по групповым масс-спектрам.

С использованием системного подхода к идентификации неизвестных соединений в объектах окружающей среды в почве, газовых выбросах и пищевых продуктах впервые обнаружены новые классы полициклических ароматических соединений в окружающей среде, грудном молоке и пищевых продуктах: полихлорированные полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и неконденсированные ПАУ, являющиеся продуктами низкотемпературного горения.

Методами многомерного статистического анализа и распознавания образов определены источники диоксинового загрязнения в некоторых регионах России. Установлен факт наличия вторичного диоксинового загрязнения в районах Южного Вьетнама, подвергавшихся обработке дефолиантами, содержавшими ПХДД.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из шести глав, введения, выводов и списка литературы, включает 301 страницу, 59 таблиц, 57 рисунков и 320 литературных ссылок.

Список сокращений:

ПАУ — полициклические ароматические углеводороды.

ПХДД (Ф) — полихлорированные дибензо-п-диоксины (дибензофураны).

ТХДД (Ф) — тетрахлордибензо-п-диоксины (дибензофураны).

ПеХДД (Ф) — пентахлордибензо-п-диоксины (дибензофураны).

ГкХДД (Ф) — гексахлордибензо-п-диоксины (дибензофураны).

ГпХДД (Ф) — гептахлордибензо-п-диоксины (дибензофураны).

ОХДД (Ф) — октахлордибензо-п-диоксины (дибензофураны).

ПХБ — полихлорированные бифенилы.

ГХБ — гексахлорбензол.

ГХЦГ — гексахлорциклогексан.

ДДТ — 1,1-трихлор-2,2-бис (4-дихлордифенил)этан.

ДДЕ — 1,1-дихлор-2,2-бис (4-дихлордифенил)этилен.

ДДД — 1,1-Дихлор-2,2-бис (4-дихлордифенил)этан.

2,4-Д — 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота.

ТДР — термодиффузионное разделение.

ГХ — газовая хроматография.

ВЭЖХ — высокоэффективная жидкостная хроматография ХМС — хроматомасс-спектрометрия ИКинфракрасная спектрометрия УФ — ультрафиолетовая спектрометрия.

ЭПР — спектрометрия электронного парамагнитного резонанса ЯМР — спектрометрия ядерного магнитного резонанса ЦБК — целлюлозно-бумажный комбинат МГК — метод главных компонент.

AMDIS — Automated Mass Spectral Deconvolution & Identification System OB — отравляющие вещества НП — нефтепродукты.

Выводы.

1. Предложен новый подход к идентификации неизвестных органических соединений в сложных смесях, выделяемых из объектов окружающей среды, методом хромато-масс-спектрометрии (ХМС), состоящий в выявлении по нескольким идентифицированным соединениям определенной системы компонентов — набора соединений, связанных между собой общим происхождением или постоянным совместным присутствием в анализируемых объектах (гомологических рядов, изомеров, продуктов технологических процессов, продуктов разложения веществ в природе, совокупности компонентов выбросов данного предприятия и т. п.), и направленного поиска остальных компонентов этих систем.

2. Разработаны методы «свертки» масс-спектров сложных смесей для уменьшения числа аналитических признаков без потери информации о структурно-групповом составе смеси и введено понятие «групповых масс-спектров» сложных смесей, характеризующих общие структурные особенности отдельных типов соединений и вид распределения индивидуальных компонентов в каждой смеси. Использование групповых масс-спектров позволяет увеличить аналитические возможности массспектрометрии и алгоритмизировать основные этапы структурной идентификации, разработки методик анализа, качественного и количественного структурно-группового анализа сложных смесей органических соединений.

3. На основе статистических представлений о распределении индивидуальных соединений в сложных компонентах сформулированы принципы количественного анализа типов соединений в сложных смесях, рассмотрены виды погрешностей анализа и способы их устранения. Предложен способ оценки совместности расчетных коэффициентов и аналитических характеристик анализируемых сложных смесей, основанный на анализе их собственных значений и собственных векторов ковариационной матрицы аналитических характеристик.

4. На основе обобщения и систематизации корреляций между масс-спектрами и структурой молекул различных типов органических соединений разработаны принципы моделирования масс-спектров и определения расчетным путем градуировочных коэффициентов для групп соединений, масс-спектры которых отсутствуют или представлены в недостаточном количестве. Предложена схема расчета группового состава неразделенных сложных смесей насыщенных и ароматических углеводородов и гетероатомиых соединений с помощью «блок-матриц» расчетных коэффициентов.

5. Разработана схема проведения количественного анализа группового состава сложных смесей методом последовательных приближений, при этом в процессе каждого приближения осуществляется детализация состава смеси и корректировка расчетных коэффициентов.

6. Разработан метод количественного анализа высококипящих сложных смесей при непосредственном вводе проб в источник ионов масс-спектрометра, основанный на интегрировании характеристических пиков в процессе полного испарения пробы или статистическом усреднении отдельных масс-спектров.

7. На основе предложенных принципов выбора аналитических характеристик и методов расчета состава сложных смесей разработан комплекс методик количественного масс-спектрометрического анализа углеводородов и гетероатомных соединений нефтей, углей, горючих сланцев, продуктов нефтепереработки и нефтехимии. Предложены расчетные схемы, объединяющие данные различных методов анализа: ИК-, УФ-, масс-спектрометрии и физико-химические характеристики. Впервые разработана методика масс-спектрометрической оценки средней степени замещения распределения по ф длине алкильных заместителей в молекулах органических соединений в сложных смесях.

8. С помощью различных методов фракционирования, масси хроматомасс-спектрометрического анализа, пиролитической масс-спектрометрии проведено исследование ряда природных и технических объектов: кристаллов, выделенных из высококипящих нефтяных фракций, углеводородов и гетероатомных соединений, выделенных из различных нефтей и горючих сланцев, продуктов нефтепереработки и нефтехимии и объектов окружающей среды. Изучены состав и структура ряда высокомолекулярных сложных объектов — смол и асфальтенов, выделенных из коксовых отложений на катализаторе гидрокрекинга, гумусовых веществ почв, полимеров трения, образующихся на трущихся поверхностях из органической смазочной среды.

9. С использованием системного подхода к идентификации неизвестных соединений в объектах окружающей среды в почве, газовых выбросах и пищевых продуктах впервые обнаружены новые классы полициклических ароматических соединений в окружающей среде, грудном молоке и пищевых продуктах: полихлорированные полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и неконденсированные ПАУ, являющиеся продуктами низкотемпературного горения.

10. Методами многомерного статистического анализа и распознавания образов определены источники диоксинового загрязнения в некоторых регионах России. Установлен факт наличия вторичного диоксинового загрязнения в районах Южного Вьетнама, подвергавшихся обработке дефолиантами.