Регистрация / Вход
Прислать материал

14.579.21.0016

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.579.21.0016
Тематическое направление
Науки о жизни
Исполнитель проекта
Общество с ограниченной ответственностью «Энергомаштехника»
Название доклада
Разработка нового высокочувствительного метода масс-спектрометрического определения химических соединений, основанного на лазерной десорбции-ионизации путем переноса электрона.
Докладчик
Гречников Александр Анатольевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
1. Разработка новых принципов и методических подходов к определению химических соединений путем лазерно-индуцированной ионизации соединений на поверхности полупроводникового материала, десорбции и детектировании ионов масс-анализатором.
2. Создание макетного образца прибора, реализующего новые принципы и подходы и разработка методик высокочувствительного масс-спектрометрического определения металлов и комплексных соединений металлов в жидких образцах сложного состава.
В рамках реализации проекта решались следующие фундаментальные и прикладные научно-технические задачи:
- теоретическое и экспериментальное исследование процессов лазерно-индуцированной ионизации молекул, адсорбированных на поверхности полупроводниковых материалов и их десорбции в газовую фазу;
- исследование и оптимизация основных факторов, определяющих аналитические характеристики разрабатываемого метода;
- разработка аппаратурного обеспечения метода, в том числе, создание макетного образца лазерного масс-спектрометра;
- разработка методик применения метода для высокочувствительного масс-спектрометрического определения комплексных соединений металлов в различных образцах.

Актуальность и новизна исследования
Масс-спектрометрия относится к числу наиболее информативных методов определения и идентификации сложных органических и биоорганических соединений в различных объектах. Современная техника позволяет детектировать ионы с эффективностью, близкой к единице, поэтому ключевую роль в получении достоверных результатов при масс-спектрометрическом анализе объектов сложного состава играет способ ионизации определяемых соединений. Известные способы ионизации часто остаются малоэффективными при анализе проб, содержащих нелетучие неполярные соединения с низкой величиной основности. Определение таких веществ остается сложной и важной задачей современной масс-спектрометрии органических соединений. Разработка новых методов, позволяющих реализовать «мягкую», не разрушающую ионизацию нелетучих соединений с низкой величиной основности крайне актуальна для анализа органических, элементоорганических и биоорганических соединений в биологии и медицине, для определения и идентификации лекарственных препаратов в фармакологии, для экспресс-анализа при экологическом контроле, для решения задач биотехнологии, элементоорганической химии и солнечной энергетики.
В рамках проекта разрабатывается новый метод определения химических соединений, основанный на инициированной лазерным излучением ионизации путем переноса электрона - метод LETDI (Laser-induced Electron Transfer Desorption - Ionization). Эффективность такой ионизации не зависит от величины основности определяемых соединений, что позволяет детектировать с высокой чувствительностью соединения с низкой основностью. В ходе выполнения проекта разработан и создан макетный образец лазерного масс-спектрометра, реализующий технологию LETDI.
Описание исследования

Для достижения первой цели проекта - разработки новых принципов и методических подходов к определению химических соединений путем лазерно-индуцированной ионизации соединений, проведено теоретическое и экспериментальное исследование процессов лазерной десорбции-ионизации молекул, адсорбированных на поверхности различных материалов. В общем виде, эффективность ионизации химических соединений в методе LETDI определяется тремя основными факторами: физико-химическим составом материала, являющегося эмиттером  ионов; параметрами лазерного излучения и химическими свойствами аналита. В соответствии с этим, исследования процессов лазерной десорбции-ионизации развивались по трем основным направлением. Первое направление заключалось в изучении влияния физико-химических свойств материала подложки – эмиттера ионов на эффективность ионизации, выборе на основе полученных данных оптимальных эмиттеров ионов и разработке методик формирования их активных поверхностей. Вторым направлением исследований было изучение роли лазерного излучения в процессах ионизации путем переноса электрона с последующей десорбцией образовавшихся ионов и выбор оптимальных параметров лазерного излучения для реализации процесса LETDI. Проведены экспериментальные и теоретические исследования зависимости ионного сигнала от длины волны и от плотности энергии в импульсе лазерного излучения, выполнены численные расчеты зависимости температуры поверхности эмиттеров ионов при лазерном воздействии от времени и от параметров лазерного излучения. Третье направление включало изучение вопроса, какие свойства молекул аналита определяют эффективность их ионизации разрабатываемым методом. В качестве основных объектов исследования выбраны комплексные соединения металлов с известными органическими реагентами, с биолигандами, комплексы с  противоопухолевой активностью. Кроме того, изучены биологически активные гетероциклические и полиароматические соединения. Для исследований по этому направлению синтезированы комплексные соединений благородных (серебра, золота, палладия), редких (рения) и токсичных (меди, ртути) металлов с органическими реагентами.

Одна из главных задач на пути развития любого нового инструментального метода анализа вещества заключается в превращение его в технически и коммерчески конкурентоспособный метод. Решить эту задачу невозможно без приборной реализации, учитывающей все преимущества метода. Поэтому вторая основная цель исследований по проекту заключалась в создании макетного образца прибора, реализующего новые принципы и подходы и разработке методик высокочувствительного масс-спектрометрического определения металлов и комплексных соединений металлов в жидких образцах сложного состава. В ходе реализации проекта разработан макетный образец прибора, в состав которого входят: макет блока масс-анализатора, макет блока лазерного излучения, макет блока лазерно-индуцированной ионизации пробы путем переноса электрона. Реализованы следующие параметры макета блока масс-анализатора с ионизацией методом LETDI: тип масс-анализатора  -  времяпролетный, диапазон регистрируемых масс ионов - от 1 до 2000 а.е.м., возможность детектирования положительно заряженных и отрицательно заряженных ионов. Сочетание масс-анализатора с ионным источником LETDI основано на предварительно проведенном расчете конфигурации лазерного источника ионов. С использованием макетного образца прибора найдены оптимальные значения параметров, определяющих аналитические характеристики метода LETDI , в том числе, при определении металлов в пищевых продуктах – соках и минеральных водах. Основными конкурентами технологии LETDI являются методы матрично-активированной лазерной десорбции/ионизации (МАЛДИ) и электрораспылительной ионизации при атмосферном давлении (ЭРИАД, электроспрей). Поэтому для оценки конкурентоспособности, а также аналитического потенциала разрабатываемого метода был проведен сравнительный анализ метода LETDI с методами МАЛДИ и ЭРИАД на примере определения нелетучих комплексных соединений металлов.

Результаты исследования

В рамках выполнения проекта  получены следующие основные результаты:

- выполнен аналитический обзор научных и информационных источников, затрагивающих проблему масс-спектрометрического определения химических соединений, в том числе с использованием лазерной десорбции-ионизации;

- разработаны варианты возможных решений задачи прикладных научных исследований, проведена их сравнительная оценка и анализ наиболее перспективных объектов для исследований методом LETDI;

- выполнены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96;

- синтезированы комплексные соединений серебра, золота, палладия, рения, меди, ртути с органическими реагентами для дальнейших исследований методом LETDI;

- проведены квантово-химические расчеты энергии десорбции ионов с поверхности эмиттеров ионов;

- проведены численные расчеты зависимости температуры поверхности эмиттера ионов от времени и от параметров лазерного излучения на основе решения задачи теплопроводности с распределённым в пространстве и времени источником тепла;

- разработана методика формирования активных поверхностей полупроводниковых материалов – эмиттеров ионов;

- проведен  расчет конфигурации лазерного источника ионов;

- проведены экспериментальные исследования влияния параметров лазерного излучения на эффективность ионизации и десорбции ионов. На основе этих исследований и проведенных расчетов выбраны оптимальные параметры лазерного излучения;

- проведены исследования ионизационных свойств поверхностей эмиттеров ионов на примере поверхностей металлов, оксидов металлов, графита и кремния для лазерной десорбции-ионизации химических соединений путем переноса электрона;

- проведены масс-спектрометрические эксперименты с модельными гетероциклическими, полиароматическими и комплексными химическими соединениями, в том числе, дифениламином, фталоцианином, кофеином, комплексными соединениями серебра, золота, палладия, рения, меди, ртути;

- создан макет прибора для определения химических соединений методом LETDI, в состав которого входят: макет блока лазерного излучения, макет блока лазерной ионизации пробы и макет блока времяпролетного масс-анализатора;

- разработана эскизная конструкторская документация к макету прибора для определения химических соединений методом LETDI;

- разработаны программа и методики исследовательских испытаний макетного образца прибора для определения химических соединений методом LETDI;

- проведены исследовательские испытания макета прибора для определения химических соединений методом LETDI на примере определения комплексных соединений с известными органическими реагентами, с биолигандами, соединений с  противоопухолевой активностью;

- изучены аналитические характеристики метода LETDI при определении металлов в пищевых продуктах – соках и минеральных водах;

- проведен сравнительный анализ метода LETDI с методами МАЛДИ и ЭРИАД (электроспрея) при определении комплексных соединений металлов;

- проведено обобщение и сделаны выводы по результатам исследований;

- выработаны технико-экономическое обоснование и предложения по разработке, производству и эксплуатации прибора для определения химических соединений методом LETDI с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера (ЗАО «НТЦ «Физприбор»).

Практическая значимость исследования
Разработанный в результате выполнения проекта метод масс-спектрометрического анализа применим для высокочувствительного и селективного определения и идентификации широкого круга химических соединений, что обуславливает основные возможности практического использования результатов работы. В частности, результаты проведенных исследований могут быть применены для развития современных диагностических методов в медицине, для разработки новых эффективных солнечных элементов на основе комплексных соединений металлов, для развития методов экологического контроля, для создания новых методов сверхчувствительного определения металлов в различных образцах. Создание новых масс-спектрометрических приборов и новых, более совершенных, методов химического анализа всегда стимулирует развитие практических приложений, имеющих народно-хозяйственный эффект. Из всего многообразия практических приложений разработанного метода и созданного макета прибора можно выделить лишь несколько: совершенствование диагностических процедур и разработка новых лекарственных препаратов на основе комплексных соединений переходных металлов для лечения онкологических заболеваний; высокочувствительное определение токсичных металлов и комплексных соединений металлов в объектах окружающей среды, изучение реакций комплексообразования ионов металлов представляет большой интерес для развития теории и практики функциональных материалов, биокаталитических и сенсорных технологий. Потенциальными потребителями результатов проекта являются научно-исследовательские, клинические медицинские и другие учреждения, использующие масс-спектрометрический анализ органических соединений в своей повседневной деятельности или в создании новых образцов продукции.