Идентификация следовых количеств органических соединений на основе спектрометрии ионной подвижности и времяпролетной масс-спектрометрии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат наук Чернышев, Денис Михайлович

• Чернышев, Денис Михайлович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Чернышев, Денис Михайлович

СОДЕРЖАНИЕ.....................................................................................................................2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ...................................................................................4

1. ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ДЛЯ АНАЛИЗА МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ.....................9

1.1 Существующие методы анализа многокомпонентных смесей..............................9

1.2 Дрейфовая спектрометрия ионной подвижности.................................................16

1.3 Основные типы времяпролетных масс-спектрометрических анализаторов и их характеристики.......................................................................................................................22

1.4 Существующие типы спектрометров ионной подвижности/масс-спектрометров и их характеристики...................................................................................................................28

1.5 Постановка задачи................................................................................................33

2. УСТРОЙСТВО СОЗДАННОГО ДРЕЙФОВОГО СПЕКТРОМЕТРА ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ / ВРЕМЯПРОЛЕТНОГО МАСС-СПЕКТРОМЕТРА С АКСИАЛЬНО-СИММЕТРИЧНЫМ АНАЛИЗАТОРОМ С ОРТОГОНАЛЬНЫМ ВВОДОМ ИОНОВ...............................................36

2.1 Источники ионов при атмосферном давлении.....................................................40

2.2 Спектрометр ионной подвижности.......................................................................43

2.3 Интерфейс дифференциальной откачки.................................................................45

2.4 Времяпролетный масс-анализатор........................................................................48

2.5 Детектирование ионов...........................................................................................50

2.6 Средства регистрации и обработки информации...................................................52

2.7 Электроника...........................................................................................................55

2.8 Программное обеспечение и алгоритмы обработки спектров масса-подвижность ................................................................................................................................................60

2.9 испытания экспериментального образца и разработка методов анализа............63

3. ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ВОЗМОЖНОСТИ МЕТОДА............................................................................................................................70

3.1 Воспроизводимость характеристик массовых пиков: площади, центра масс.....70

3.2 Воспроизводимость приведенной ионной подвижности....................................76

3.3 Дискриминация трансмиссии в спектрометре ионной подвижности..................81

3.4 Селективность........................................................................................................86

3.5 Метод повышения эффективности ортогонального ввода ионов в аксиально-симметричный времяпролетный масс анализатор, соединенный с дрейфовым спектрометром ионной подвижности...................................................................................90

4. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРИЛОЖЕНИЯ МЕТОДА...............................100

4.1 Анализ фармацевтических препаратов и определение их основных характеристических признаков............................................................................................100

4.2 Анализ синтетических наркотических веществ и изучение возможности их быстрой идентификации.....................................................................................................105

4.3 Анализ синтетических красителей, взрывчатых веществ....................................108

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.....................................................................................................111

СОКРАЩЕНИЯ И АББРЕВИАТУРЫ...................................................................................113

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................................115

ПРИЛОЖЕНИЕ.................................................................................................................122

Общая характеристика работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Идентификация следовых количеств органических соединений на основе спектрометрии ионной подвижности и времяпролетной масс-спектрометрии»

Актуальность проблемы

Современные задачи определения химического состава сложных смесей предъявляют высокие требования к методам анализа по точности и достоверности. Одним из эффективных подходов решения подобных задач является сочетание различных принципов разделения компонент анализируемых смесей, позволяющих одновременно получать разнородную информацию о составе пробы, что повышает достоверность распознавания близких по строению, но различных по свойствам соединений, и это особенно актуально для приложений безопасности, криминалистики, биологии, фармацевтики, медицины, экологии, промышленного мониторинга и т.д. Широко распространенные методы с применением хроматографии и масс-спектрометрии (МС) позволяют решать такие задачи, но обладают существенным недостатком - время анализа занимает десятки минут. Представляется актуальным исследование сочетания спектрометрии ионной подвижности (СИП) и времяпролетной масс-спектрометрии (ВПМС), потенциально позволяющих уменьшить время анализа до нескольких секунд.

Предпочтительным представляется использование дрейфового СИП в качестве не только инструмента предварительного разделения ионных компонент по подвижности, но и ее измерения, на основе которого возможно определение ион-молекулярного сечения столкновений, что невозможно с остальными типами СИП. Ранние работы объединения СИП с МС, в силу одинаковых «скоростных» возможностей по регистрации спектральной информации, не позволяли достичь приемлемых характеристик по пределу обнаружения и времени анализа одновременно. Характерное время разделения сгустков молекулярных ионов в СИП составляет 50 мс, а временная ширина не менее 0,2 мс, что позволяет использовать ВПМС для регистрации полного распределения по отношению молекулярной массы к заряду (m/z) данных сгустков с частотой порядка 10 кГц. Это достигается благодаря типичному времени получения времяпролетного масс-спектра низкого разрешения (до 10 ООО) низкомолекулярных соединений (до 1 ООО а.е.м.) порядка 100 мкс.

Данные методы независимо демонстрируют относительную чувствительность на уровне единиц ppb (parts per billion - частей на миллиард) и меньших

значений. Но вследствие существенного перепада давления, от атмосферного в

5 8

СИП, до высокого вакуума (10" мм.рт.ст.) ВПМС, превышающего 10 , требуется создание газодинамического интерфейса, эффективно удерживающего потоки молекулярных ионов от расширения и транспортирующего их из СИП во ВПМС. В связи с принципиальными ограничениями трансмиссии ВПМС типа «масс-рефлектрон» представляется актуальной разработка альтернативных типов масс-анализаторов. Поэтому представляется перспективным исследование ВПМС с аксиально-симметричными полями, позволяющими получить тройную фокусировку первого порядка начальных параметров ионов. Кроме того, для повышения чувствительности СИП/ВПМС рациональным представляется накопление спектральной информации.

Целью диссертационной работы явилась разработка нового типа аналитической системы на основе дрейфового спектрометра ионной подвижности и вре-мяпролетного масс-спектрометра с секторным электростатическим анализатором, и метода идентификации следовых количеств молекулярных соединений на ее основе. Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

• создана аппаратура на основе дрейфовой спектрометрии ионной подвижности и времяпролетной масс-спектрометрии с аксиально-симметричным анализатором с ортогональным вводом молекулярных ионов с мягкими методами ионизации при атмосферном давлении;

• разработан метод анализа на основе созданной аппаратуры с применением средства регистрации со встроенным аппаратным сумматором, обеспечивающим непрерывную и полную регистрацию трехмерных спектральных данных;

• разработана методика оценки ширины области снижения интенсивности сгустка молекулярных ионов при его формировании в потоке дрейфового газа ионным затвором конструкции Брэдбери-Нильсона на основе зависимости дискриминации трансмиссии созданной аппаратуры от подвижности молекулярных ионов;

• исследована воспроизводимость разрешающей способности по массам и по подвижности, определен вклад в уширение молекулярных ионных сгустков транспортирующих свойств интерфейса;

• разработана методика калибровки и исследования ее влияния на достигаемую точность измеряемых величин: сходимость и воспроизводимость определения молекулярных масс, приведенной подвижности молекулярных ионов;

• разработана методика анализа синтетических наркотических соединений с видоизмененной формулой и антибиотиков.

Научная новизна работы

1. Разработана новая аппаратура на основе спектрометрии ионной подвижности и времяпролетной масс-спектрометрии, включающая новую конструкцию интерфейса дифференциальной откачки, обеспечивающей малое уширение в интерфейсе по сравнению с начальной шириной ионного сгустка, формируемой ионным затвором, что позволяет достичь высокой разрешающей способности по подвижности, более 100 единиц.

2. Разработано новое высокоскоростное устройство и метод непрерывной регистрации и обработки трехмерных потоков данных, аппаратно суммируемых и получаемых в тандемном устройстве на основе дрейфовой спектрометрии ионной подвижности и времяпролетной масс-спектрометрии.

3. Разработан новый метод идентификации следовых количеств органических соединений на основе дрейфового спектрометра ионной подвижно-сти/времяпролетного масс-спектрометра, новизна которого заключается в применении электростатического секторного масс-анализатора с ортогональным вводом ионов.

4. Разработана методика анализа антибиотиков и наркотических веществ на основе спектрометрии ионной подвижности/масс-спектрометрии с видоизмененной химической формулой, что позволило определить значения приведенной подвижности характеристичных ионов группы наркотических веществ с видоизмененной химической формулой с подтверждением достоверности результатов масс-спектрометрическим детектированием, по которым отсутствуют данные в литературе.

5. Показана принципиальная возможность достижения более высокой чувствительности спектрометра ионной подвижности/масс-спектрометра применением времяпролетного электростатического секторного масс-анализатора с ортогональным вводом ионов по сравнению с анализатором типа «масс-рефлектрон».

Практическая значимость работы

Новый метод идентификации следовых количеств органических соединений обеспечивает меньшее время анализа по сравнению с существующими и может быть применен для создания передвижной лаборатории, использован в таможенном контроле с целыо идентификации наркотических соединений и антибиотиков, что подтверждается результатами проведенных испытаний и характеристиками созданной аппаратуры. Разработанные методики анализа синтетических наркотических соединений и антибиотиков могут быть применены для задач контроля незаконного оборота наркотиков и контроля качества лекарственных средств, поставляемых на потребительский рынок. Результаты исследований и разработок могут быть использованы при создании новой масс-спектрометрической техники, превышающей существующие аналоги по совокупности характеристик, быстродействию и чувствительности. Подтверждена возможность детектирования синтетических трифенилметановых красителей, в том числе в составе красящих композиций при исследовании штрихов паст шариковых ручек с диагностикой состава этой композиции по молекулярным ионам, что может быть применено в экспертизе документов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Метод идентификации следовых газовых потоков молекулярных соединений на основе их ионной подвижности и молекулярной массы путем последовательного разделения в электрических полях при атмосферном давлении и высоком вакууме.

2. Разработанная новая методика калибровки по приведенной подвижности устройств на основе спектрометрии ионной подвижности/времяпролетной масс-спектрометрии, обеспечивающая удовлетворительную точность для целей идентификации следовых количеств органических соединений.

3. Результаты апробации метода при определении характеристических спектров антибиотиков и наркотических соединений, включающие значения приведенной подвижности наркотических соединений с видоизмененной формулой, полученные впервые.

4. Метод повышения эффективности ввода ионов с помощью ортогонального ускорителя ВПМС с предварительным разделением ионов в дрейфовом СИП на основе корреляции молекулярная масса - подвижность.

Апробация работы

Основные результаты представлены и обсуждены на «Научной сессии НИЯУ МИФИ» (2009-2013 гг.); Международной конференции «19 th International Mass-Spectrometry Conference» (2012, Киото, Япония); Всероссийской конференции-школе «Фундаментальные вопросы масс-спектрометрии и ее аналитические применения» (2010, Звенигород, Россия); III Всероссийской конференции с международным участием «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы» (2009, Москва, Россия). По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 3 работы в журналах из списка ВАК, и получено два патента.

Достоверность результатов и выводов работы обеспечивается согласием расчетов и моделирования с известными литературными данными, воспроизводимостью результатов экспериментальных измерений, а также широкой апробацией результатов работы.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов, библиографии и приложения. Работа изложена на 121 страницах, содержит 37 рисунков, 5 таблиц и список цитируемой литературы из 82 наименований.

1. Приборы и методы для анализа многокомпонентных смесей

1.1 Существующие методы анализа многокомпонентных смесей

На сегодняшний день наиболее распространены хроматографические методы анализа многокомпонентных смесей. Это газовая (ГХ), жидкостная хроматография (ЖХ) и ее современные, обладающие более высокими характеристиками, варианты - высокоэффективная ЖХ (ВЭЖХ) и другие. Принцип их работы основан на разделении пробы на фракции, что допонительно приводит к повышению концентрации компонент, а значит, и чувствительности. Данные методы обладают высокой воспроизводимостью, что позволяет выполнять не только качественный, но и количественный анализ. При соединении с масс-спектрометром (МС) возможна идентификация соединений в смесях с большим количеством компонент, так как хроматографическое и масс-спектрометрическое разделение смеси на компоненты основано на независимых физико-химических свойствах. Узким местом с точки зрения времени выполнения анализа в подобных тандем-ных приборах является именно хроматограф: типичное время хроматографиче-ского анализа составляет десятки минут. Рассмотрим подробнее схемы их работы и особенности идентификации соединений данными методами.

Газовая хроматография применяется для анализа летучих соединений. Кроме того, существенно ограничивает круг анализируемых соединений требование термостабилыюсти при 400-500 °С. Принципиальная схема приведена на рис. 1.

рис. 1 принципиальная схема газового хроматографа [1, с. 26]

Газ-носитель (элюент, из устройства 1) смешивается в дозирующем устройстве (2) с пробой в газообразном состоянии. Полученная смесь разделяется на составляющие на основе сорбционных свойств в колонке (3). Детектор (4, и 6 - его блок питания) служит преобразователем потока частиц в электрический ток. Эффективность разделения обеспечивается заданием температурного профиля в термостате (штриховой контур, и 5 - управляющая система), и контролем параметров эксперимента (10), включающих в себя скорость потоков газов, температуры и т.п. Сигнал с детектора усиливается (7) и регистрируется (8), поступая на хранение в компьютерную систему (9). В дальнейшем полученные хроматогра-фические спектры обрабатываются и интерпретируются для получения информации о составе пробы [1, с. 26].

Суть метода заключается в сорбционных процессах, происходящих в разделительной колонке, которая представляет собой полую металлическую, стеклянную, кварцевую или фторопластовую трубку с внутренним диаметром 0,2-4 мм и длиной 0,5-200 м. Внутрь колонки помещается пористый сорбент, заполняющий весь объем. Смесь газа-носителя с пробой, проникая сквозь сорбент, взаимодействует с его развитой поверхностью. Другим вариантом реализации выступает пленочное нанесение сорбента на внутреннюю поверхность капилляра. В этом слу-

чае, фактически, трубка остается полой, а эффективность взаимодействия обеспечивается длиной капилляров в десятки и сотни метров [1, с. 51-53].

Жидкостная хроматография позволяет анализировать молекулы до 10б а.е.м., в том числе не обладающие термической стабильностью. На рис. 2 приведена принципиальная схема ЖХ.

з

Ф

Д 5

-О-ЛЛЛА-^

6

I-----;

>7

8

±

19

10

\

рис. 2 принципиальная схема жидкостного хроматографа [1, с. 175]

Раствор, содержащий анализируемую пробу, микро шприцом инжектируется (7) в поток элюента (жидкость-носитель), движущийся со скоростями от мкл до мл в минуту. Время выхода из разделительной колонки (8) определяется сорбци-онными свойствами компонент пробы. Детектор (9) преобразует зависимость какого-либо физического свойства (пропускание или поглощение электромагнитного излучения различной частоты, коэффициент преломления, спектр излучения под различным воздействием и др. [2, с.7]) от времени, в электрический сигнал, усиливаемый и регистрируемый (10). Подача элюента из резервуара (1) обеспечивается насосом (2), поддерживающим давление 0,5-50 МПа, контролируемое манометром (3). Фильтр (4) предохраняет колонку от загрязнений, а демпфер (5) уменьшает уровень пульсаций потока, что улучшает качество разделения в колонке. Разделительная колонка помещается в термостат (6), обеспечивающий определенный температурный профиль, как и в ГХ. Разделительные колонки в ЖХ содержат сорбент в виде порошка с размером частиц 1-10 мкм, что также обеспе-

чивает большие площади взаимодействия между элюентом с пробой, и поверхностью сорбента [1, с. 175,182].

Существенным недостатком ЖХ является необходимость подбора элюента и состава разделительной колонки под множество факторов: молекулярную массу анализируемых веществ, полярность, химические свойства и т.д. [1, с. 19]. Фактически, параметры колонки являются неотъемлемой частью любой методики, что уменьшает универсальность метода.

Устройство ЖХ-МС. При соединении ЖХ с МС применяются интерфейсы, обеспечивающие транспортировку молекул или ионов пробы между областями с различным давлением. Поток элюента, содержащего разделенные по времени удерживания компоненты, поступает сначала в ИИ, если применяются атмосферные ИИ - с химической ионизацией при атмосферном давлении (ХИАД) на основе коронного разряда, фотоионизации, радиоактивной ионизации и др.; или ионизацией электрораспылением (ИЭР). Либо сначала проходит через интерфейс, если используются ИИ при пониженном давлении - например, электронная ионизация (ЭИ).

Электронная ионизация (ЭИ) или ионизация электронами, также известная как «ионизация с электронным ударом» [3], представляет собой столкновения электронов со стандартизованной кинетической энергией 70 эВ, эмитируемых с нагретого катода (соответственно, определяющего ширину энергоспектра электронов, порядка 0,1-0,3 эВ, т.е. <1%) и ускоряемых электрическим полем, с молекулами пробы в газообразном состоянии, что приводит к ионизации и фрагментации образовавшихся ионов. Поэтому ЭИ относится к «жестким» методам иониза-

л

ции. Так как ионизация происходит в высоком вакууме (<10" Па) и, следовательно, межмолекулярные взаимодействия практически не влияют на процесс, то полученный набор масс фрагментов исходного вещества и соотношение их интен-сивностей обладают высокой воспроизводимостью, в том числе межлабораторной. Поэтому при обработке спектров стало возможно, используя компьютерные базы данных масс-спектров с ЭИ, определять вероятность присутствия того или иного соединения в пробе по итоговому спектру, который представляет собой

сумму характеристических спектров от каждого из компонент, содержащихся в пробе [4].

Но данный метод ионизации обычно применяется с ГХ, а в случае с ЖХ, ЭИ применяется только со специальными интерфейсами «chemical reaction interface» (интерфейсы с химической реакцией), обеспечивающими перевод нелетучих соединений, или не обладающих термостабильностыо, в газообразное состояние, например, путем образования новых соединений [2, с.24]. Кроме того, предел обнаружения с применением данных интерфейсов на несколько порядков хуже, чем с другими [5].

Общепризнанная база данных масс-спектров с ЭИ "NIST" содержит информацию о примерно 200 ООО низкомолекулярных соединений, включающую отношение интенсивностей десяти наиболее интенсивных пиков для каждого из них. Результаты, на основе которых составлена БД, получены в тысячах лабораторий по всему миру начиная с 1990-х г.г., и отобраны из рецензируемых научных журналов при условии межлабораторной воспроизводимости. В основной базе представлены: лекарственные и отравляющие соединения; продукты обмена веществ; пестициды и фунгициды; органические соединения, обнаруживаемые в воде, воздухе и почве; аминокислоты, ди- и трипептиды; типичные примеси, встречающиеся в пробах; и производные всех перечисленных классов веществ. Распределение по молекулярным массам веществ (см рис. 3), входящих в базу данных, служит подтверждением того, что подавляющее большинство рутинно определяемых веществ с помощью ГХ-МС относится к низкомолекулярным соединениям (<500 а.е.м.) [6].

1111 и 11111 м 11111111 n 111 м 111

ooooooooooooooooooooo кП0Ш01Лсэтсэю0т0т01Г50т01Г)0

m/z

рис. 3 распределение количества соединений по молекулярной массе по выборке (порядка 10%) из БД масс-спектров с ЭИ "NIST 08"

Как видно из распределения, в случае применения ГХ достаточно масс-анализаторов низкой разрешающей способности (порядка 1 ООО) с ДМ, позволяющим регистрировать низкомолекулярные соединения (до 500 - 2 000 а.е.м.), что позволяет анализировать большинство летучих соединений [1, с.305-319]. Но, с другой стороны, это ограничивает количество соединений, поддающихся идентификации с помощью ГХ/МС.

Химическая ионизация при атмосферном давлении (ХИАД) применяется в ЖХ-МС. Первоначальное воздействие испытывают молекулы атмосферы -происходит ионизация кислорода, азота, углекислого газа, воды и остальных примесей, содержащихся в воздухе, потоком электронов в случае коронного разряда, ß-частицами при радиоактивной, и многоступенчатая ионизация фотонами при фотоионизации, которые через цепочку ион-молекулярных реакций приводят в к образованию в большинстве случаев протонированных молекул - заряженных частиц - компонент пробы. В случае образования отрицательно заряженных ионов [М-Н]" говорят о депротонированной молекуле [7]. В зависимости от химических свойств, эффективность химической ионизации может очень сильно отличаться для разных веществ. Вплоть до отсутствия сигнала от некоторых соединений [1, с.305-319]. Таким образом, получение одного характерного пика иона [М±Н]*, отличающегося от идентифицируемого соединения М на 1 а.е.м., упро-

щает интерпретацию масс-спектра до предела - человек без применения баз данных в состоянии сделать предположения о присутствующих в пробе веществах. Но в случае низкой разрешающей способности (<5 ООО) масс-анализаторов, нацеленных на низкомолекулярные соединения, точность определения масс ионов составляет порядка 0,01 а.е.м., что дает тысячи вариантов веществ при идентификации по молекулярной массе одной протонированной молекулы [8].

Ионизация электрораспылением (ИЭР) применяется в ЖХ-МС. Подходит только для анализа веществ в жидком агрегатном состоянии. Поэтому не применяется совместно с ГХ. Описание принципа действия см. в подразделе 2.1.

Особенности идентификации при ЖХ/МС анализе. Названные особенности мягких методов ионизации (ИЭР, ХИАД) не позволили создать баз данных, подобных NIST для ЭИ. Данные методы ионизации не приводят к фрагментации исходных молекул, что, с одной стороны, упрощает интерпретацию спектров. Но с другой, уменьшает специфичность спектральных данных, сильно повышая вероятность ложной положительной идентификации, особенно при отсутствии априорной информации о пробе. Фрагментация достигается применением диссоциации, например, индуцированной соударениями, в транспортной области электроспрея, в квадруполыюй столкновительной ячейке, или в ионной ловушке. Спектры ионов-продуктов (наборы m/z и соотношений интенсивностей) сильно зависят от рабочих параметров их получения. Поэтому в лабораториях создаются индивидуальные базы данных для конкретных приложений и приборов [9, с.858].

MC анализ смеси, предварительно разделенной на хроматографе, может проводиться как в режиме получения полного масс-спектра, так и в режиме регистрации ионов с выбранным m/z. Первый используется в качественном анализе. Второй в количественном, при этом применяя квадрупольные и секторные магнитные анализаторы возможно добиться существенного увеличения отношения сигнал/шум [2, с.31], что связано, вероятно, со сканированием по массам данных анализаторов, а, следовательно, потерей полезного сигнала в режиме получения полного масс-спектра пропорционально количеству интересующих масс. Время-пролетные масс-анализаторы лишены данного недостатка.

Информативность хромато-масс-спектрометрии. Информативность хро-матографического метода при идентификации органических соединений оценивается в 30-200 единиц. Фактически, это разрешающая способность с учетом полезной доли спектра, в которой наблюдается сигнал. Для хроматографии это диапазон от 400 до 3500 единиц времени удержания в зависимости от метода. Для MC с низкой разрешающей способностью низкомолекулярных соединений это регистрируемый диапазон масс (ДМ), и информативность современных приборов достигает нескольких тысяч. Свойства молекул, по которым происходит разделение в данных методах - сорбционные и отношение массы к заряду (m/z), ортогональны между собой (т.е. не наблюдается значимой корреляции). Поэтому результирующая информативность ЖХ-МС или ГХ-МС определяется произведением инфор-мативностей каждого метода в отдельности, что резко уменьшает вероятность ложной положительной идентификации, так как в пределе позволяет разделять до 400 000 и более соединений в одном анализе [10,11]

В этой же работе информативность СИП/МС оценивается на порядок меньше, при близких значениях разрешающей способности ЖХ и СИП методов разделения. Причина кроется в корреляции масса-подвижность - сильной зависимости методов разделения по подвижности и по m/z: стандартная ошибка в 20% для корреляции наблюдается у структурно различных соединений, существенно уменьшаясь для соединений одного класса [12].

Поэтому в случае наиболее сложных смесей, вероятно, СИП/МС не будет полноценной заменой ЖХ/МС метода. Его преимущество заключено во времени анализа СИП, меньшем на 2-3 порядка, по сравнению с ЖХ.

1.2 Дрейфовая спектрометрия ионной подвижности

Спектрометрия ионной подвижности (СИП) основана на зависимости скорости движения ионов в электрических полях при упругом взаимодействии с молекулами окружающего газа. В отличие от MC, в которой взаимодействие ионов с молекулами остаточного газа несущественно, в СИП длина свободного пробега, по-крайней мере, на несколько порядков меньше характерных размеров аналити-

ческой части, что обеспечивает, преимущественно, безускорительное в среднем движение ионов. Существует несколько основных видов СИП: дрейфовый, с асимметричным полем, с бегущей волной. И только в случае дрейфовой СИП аналитический сигнал связан напрямую с сечением столкновения ионов. Хотя предпринимаются попытки создания стандартов для установления эмпирической связи сечения столкновения с аналитическим сигналом для других видов СИП [13] [10], тем не менее, это косвенный метод, а значит, обладающий меньшей достоверностью получаемых данных.

Дрейфовая СИП реализуется при относительно слабом электрическом поле. При атмосферном давлении напряженность электрического поля не превышает 600-700 В/см. Зависимость скорости дрейфа от напряженности при превышении этого значения становится нелинейной, так как становятся существенными эффекты поляризации ионов. Строго говоря, ограничение накладывается па отношение напряженности электрического поля (Е) к плотности молекул дрейфового газа

где к - постоянная Больцмапа, Т - температура ионов, е - элементарный заряд электрона, ш - масса ионов, М - молекулярная масса дрейфового газа, с1 — радиус сечения столкновения ионов с молекулами, 2 - зарядность иона. Для нормальных условий и органических ионов средних масс (100 - 1 000 а.е.м., т.е. много больше массы молекул дрейфового газа, в качестве которого, обычно, используется воздух, азот, аргон или гелий) получаем ограничение на Е/Ы«10'16 В*см2, что при атмосферном давлении дает указанное ранее ограничение на Е. Это выражение получается в предположении малости кинетической энергии, обусловленной макроскопической скоростью дрейфа, по сравнению с энергией, которую ионы приобретают при столкновениях с молекулами окружающего газа.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Чернышев, Денис Михайлович, 2014 год

ИИ источник ионов

ип ионная подвижность

ИЭР Ионизация электрораспылением

МВА Многоканальный временной анализатор

мкп Микро-канальные пластины

мс масс-спектрометр

НВБП Низковольтный блок питания

ПИТ Полный ионный ток

сип спектрометр ионной подвижности

ско Средне-квадратичное отклонение

тз Техническое задание

ХИАД-КР Химическая ионизация при атмосферном давлении в корон-

ном разряде

ЦАП Цифро-аналоговый преобразователь

ЭКЦ МВД РФ «Экспертно-криминалистический Центр» Министерства внутренних дел Российской Федерации

эи Электронная ионизация

На английском:

2,6-DtBP 2,6-Di-tert-Butyl-Pyridine

3,4-MDPV Methylenedioxypyrovalerone

4-МЕС 4-Methylethcathinone

ACN ацетонитрил

АсОН уксусная кислота

Cocaine Benzoylmethylecgonine, кокаин

HMTD гексаметилентрипероксиддиамин

НМХ октоген

JWH-203 l-Pentyl-3-(2-chlorophenylacetyl)indole

M моль/JI

МеОН метанол

NIST National Institute of Standards and Technology

PETN Pentaerythritol tetranitrate

ррш Part per million

RDX Trinitro-triazacyclohexane

RDX гексоген

ТААНЗ, -5, -8 Tetra -pentan ammonium halogenid, -pentyl, -octyl

ТАТР триацетона трипероксид

TNT 2,4,6-Trinitrotoluene

Список литературы

1. Столяров. Практическая газовая и жидкостная хроматография. 2002. Р. 616.

2. Niessen W.M.A. Liquid Chromatography - Mass Spectrometry Third Edition. 2006.

3. Заикин, Хрущева M. Термины и сокращения масс спектрометрии (рек. ВМСО). 2009. Р. 12.

4. Ardrey R.E. Liquid chromatography - mass spectrometry: an introduction. 2003. Vol. 1.

5. Pleasance S. et al. An evaluation of atmospheric pressure ionization techniques for the analysis of N-Methyl carbamate pesticides by liquid chromatography mass spectrometry. // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1992. Vol. 3, № 4. P. 378-397.

6. S.I.S.Inc. About Electron Ionization (EI) mass spectral library - NIST 08 [Online] // Sci. Instrum. Serv. Inc. 2013. URL:

http://www.sisweb.eom/software/ms/nist.htm#ei (accessed: 22.02.2013).

7. Murray K.K. et al. standard definitions of terms relating to mass spectrometry (IUPAC). 2006. P. 1-48.

8. ChemSpider - open chemical datebase [Online]. URL: chemspider.com (accessed: 25.11.2012).

9. Zwiener C., Frimmel F.H. LC-MS analysis in the aquatic environment and in water treatment—a critical review. Part I: Instrumentation and general aspects of analysis and detection. // Anal. Bioanal. Chem. 2004. Vol. 378, № 4. P. 851-861.

10. Lapthorn C., Pullen F., Chowdhry B.Z. Ion mobility spectrometry-mass spectrometry (IMS-MS) of small molecules: separating and assigning structures to ions. // Mass Spectrom. Rev. 2012. Vol. 32, № 1. P. 43-71.

11. Guo Y., Srinivasan S., Gaiki S. Evaluation of The Peak Capacity of Various RP-Columns for Small Molecule Compounds in Gradient Elution // Chromatographia. 2009. Vol. 70, № 7-8. P. 1045-1054.

12. Griffin G.W. et al. Ion mass assignments based on mobility measuremets. Validity of plasma chromatographic mass mobility correlations // Anal. Chem. 1973. Vol. 45, № 7. P. 1204-1209.

13. Chawner R. et al. QconCAT Standard for Calibration of Ion Mobility-Mass Spectrometry Systems. // J. Proteome Res. 2012. Vol. 2012, № 1.

14. Revercomb H.E., Mason E. a. Theory of plasma chromatography/gaseous electrophoresis. Review //Anal. Chem. 1975. Vol. 47, № 7. P. 970-983.

15. Viitanen A.-K. et al. Adjusting mobility scales of ion mobility spectrometers using 2,6-DtBP as a reference compound. // Talanta. 2008. Vol. 76, № 5. P. 1218-1223.

16. Lubman D. Temperature Dependence of Plasma Chromatography of Aromatic Hydrocarbons //Anal. Chem. 1984. Vol. 56. P. 1298-1302.

17. Hill H.H. et al. Ion mobility spectrometry // Anal. Chem. 1990. Vol. 62, № 23. P. 1201-1209.

18. Eiceman G.A., Nazarov E.G., Stone J.. Chemical standards in ion mobility spectrometry // Anal. Chim. Acta. 2003. Vol. 493, № 2. P. 185-194.

19. Adamov A. Development of atmospheric pressure ionization ion mobility spectrometry and ion mobility spectrometry - mass spectrometry. University of Helsinki, 2012. P. 1-86.

20. Laakia J. et al. Separation of different ion structures in atmospheric pressure photoionization-ion mobility spectrometry-mass spectrometry (APPI-IMS-MS). // J. Am. Soc. Mass Spectrom. Elsevier Inc., 2010. Vol. 21, № 9. P. 1565-1572.

21. Kaur-Atwal G. et al. Chemical standards for ion mobility spectrometry: a review // Int. J. Ion Mobil. Spectrom. 2009. Vol. 12, № 1. P. 1-14.

22. Чернышев Д.М. Спектрометр ионной подвижности/масс-спектрометр на основе спектрометра ионной подвижности высокого разрешения и квадрупольно-времяпролетного масс-спектрометра // ВАНТ серия техническая физика и автоматизация. 2010. Vol. 64. Р. 209-217.

23. Tabrizchi М., Shamlouei H.R. Relative transmission of different ions through shutter grid // Int. J. Mass Spectrom. Elsevier B.V., 2010. Vol. 291, № 1-2. P. 6772.

24. Wu C. et al. Electrospray ionization high-resolution ion mobility spectrometry-mass spectrometry. //Anal. Chem. 1998. Vol. 70, № 23. P. 4929-4938.

25. Cottingham K. Product Review: Ion mobility spectrometry rediscovered // Anal. Chem. 2003. Vol. 75, № 19. P. 435 A-439 A.

26. Pfeifer K.B., Sanchez R.C. Miniaturized ion mobility spectrometer system for explosives and contraband detection// Int. J. Ion Mobil. Spectrom. 2002. Vol. 5, № 3. P. 63-66.

27. Mäkinen M., Nousiainen M., Sillanpää M. Ion spectrometrie detection technologies for ultra-traces of explosives: A review. // Mass Spectrom. Rev. 201 l.P. 940-973.

28. Rodacy P. et al. Underwater Chemical Sensing Of Explosive Targets Using Ion Mobility Spectroscopy // Int. J. Ion Mobil. Spectrom. Albuquerque, USA, 2002. Vol. 5. P. 59-62.

29. Cameron a. E., Eggers D.F. An Ion "Velocitron" // Rev. Sei. Instrum. 1948. Vol. 19, №9. P. 605.

30. Wiley W.C., McLaren I.H. Time-of-Flight Mass Spectrometer with Improved Resolution // Rev. Sei. Instrum. 1955. Vol. 26, № 12. P. 1150.

31. Mamyrin B.A. et al. The mass-reflectron, a new nonmagnetic time-of-flight mass spectrometer with high resolution // Sov. physic JETP. 1973. Vol. 37, № 1. P. 4548.

32. Grix R. et al. A time-of-flight mass analyzer with high resolving power // Rapid Commun. Mass Spectrom. 1988. Vol. 2, № 5. P. 83-85.

33. Bergmann T., Martin T.P., Schaber H. High-resolution time-of-flight mass spectrometer// Rev. Sei. Instrum. 1989. Vol. 60, № 4. P. 792.

34. Eubank H.P., Wilkerson T.D. Ion Energy Analyzer for Plasma Measurements // Rev. Sei. Instrum. 1963. Vol. 34, № 1. P. 12.

35. Poschenrieder W.P. Multiple-focusing time-of-flight mass spectrometers Part II. TOFMS with equal energy acceleration // Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys. 1972. Vol. 9, № 4. P. 357-373.

36. Sakurai T. et al. A new time-of-flight mass spectrometer // Int. J. Mass Spectrom. Ion Process. 1985. Vol. 66, № 3. P. 283-290.

37. Matsuda H. Electrostatic Analyzer with Variable Focal Length // Rev. Sei. Instrum. 1961. Vol. 32, № 7. P. 850.

38. Toyoda M. et al. Multi-turn time-of-flight mass spectrometers with electrostatic sectors. // J. Mass Spectrom. 2003. Vol. 38, № 11. P. 1125-1142.

39. Satoh T. et al. The design and characteristic features of a new time-of-flight mass spectrometer with a spiral ion trajectory. // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2005. Vol. 16, № 12. P. 1969-1975.

40. Bakker J.M.B. The time-focusing principle: A double-focusing design for time-offlight mass spectrometers // Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys. 1971. Vol. 6, № 3-4. P. 291-295.

41. Sysoev A. Time-of-flight analysers with sector fields: advances and prospects // Eur. J. Mass Spectrom. 2000. Vol. 6, № 1. P. 501.

42. Satoh T., Sato T., Tamura J. Development of a high-performance MALDI-TOF mass spectrometer utilizing a spiral ion trajectory. // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2007. Vol. 18, № 7. P. 1318-1323.

43. McAfee K., Sipler D., Edelson D. Mobilities and Reactions of Ions in Argon // Phys. Rev. 1967. Vol. 160, № 1. P. 130-135.

44. Rusyniak M. et al. Mass-Selected Ion Mobility Studies of the Isomerization of the Benzene Radical Cation and Binding Energy of the Benzene Dimer Cation. Separation of Isomeric Ions by Dimer Formation // J. Phys. Chem. A. 2003. Vol. 107, №38. P. 7656-7666.

45. Kanu A.B. et al. Ion mobility-mass spectrometry. // J. Mass Spectrom. 2008. Vol. 43, № 1. P. 1-22.

46. Collins D.C., Lee M.L. Developments in ion mobility spectrometry-mass spectrometry. // Anal. Bioanal. Chem. 2002. Vol. 372, № 1. P. 66-73.

47. Karasek F.W., Kim S.H., Hill H.H. Mass identified mobility spectra of p-nitrophenol and reactant ions in plasma chromatography // Anal. Chem. 1976. Vol. 48, №8. P. 1133-1137.

48. Guevremont R. et al. Combined Ion Mobility/Time-of-Flight Mass Spectrometry Study of Electrospray-Generated Ions. // Anal. Chem. 1997. Vol. 69, № 19. P. 3959-3965.

49. Hoaglund C.S. et al. Three-Dimensional Ion Mobility/TOFMS Analysis of Electrosprayed Biomolecules // Anal. Chem. 1998. Vol. 70, № 11. P. 2236-2242.

50. Kaplan K. a et al. Resistive glass IM-TOFMS. // Anal. Chem. 2010. Vol. 82, № 22. P. 9336-9343.

51. Mukhopadhyay R. IMS/MS: its time has come. // Anal. Chem. 2008. Vol. 80, № 21. P. 7918-7920.

52. Tofwerk. IMS-TOF [Online], 2008. URL: http://www.tofvverk.eom/cms/index.php7Products:IMS-TOF (accessed: 21.04.2013).

53. Sysoev A. et al. Development of an ion mobility spectrometer for use in an atmospheric pressure ionization ion mobility spectrometer/mass spectrometer instrument for fast screening analysis. // Rapid Commun. Mass Spectrom. 2004. Vol. 18, №24. P. 3131-3139.

54. Розанов Леонид Николаевич. Вакуумная техника. 1990.

55. Li F. et al. The Interface between a Mobility Spectrometer and a Time-of-Flight Mass Spectrometer: Concept and First Results // Int. J. Ion Mobil. Spectrom. 2002. Vol. 5. P. 149-153.

56. Шеретов. Квадруполь со сходящимися и расходящимися стержнями. 1980.

57. Campbell A., Hallyday J. No Title // 13th ASMS Conf. Mass Spectrom. Allied Top. 1965.

58. S.I.S.Inc. Isotope Distribution Calculator and Mass Spec Plotter [Online] // Sci. Instrum. Serv. Inc. 2013. URL: http://www.sisweb.com/mstools/isotope.htm (accessed: 15.04.2013).

59. Belov M.E. et al. Dynamically multiplexed ion mobility time-of-flight mass spectrometry. //Anal. Chem. 2008. Vol. 80, № 15. P. 5873-5883.

60. Ferrer I., Thurman. Liquid Chromatography Time-of-Flight Mass Spectrometry: Principles, Tools, and Applications for Accurate Mass Analysis / ed. Ferrer I., Thurman E.M. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2009. P. 261.

61. Adamov A. et al. Characterization of a high resolution drift tube ion mobility spectrometer with a multi-ion source platform // Int. J. Mass Spectrom. 2010. Vol. 298, № 1-3. P. 24-29.

62. Тейлор. Введение в теорию ошибок (с англ). Denver, USA: МИР, 1985. Р. 271.

63. Demoranville L.T., Houssiau L., Gillen G. Behavior and evaluation of tetraalkylammonium bromides as instrument test materials in thermal desorption ion mobility spectrometers. // Anal. Chem. 2013. Vol. 85, № 5. P. 2652-2658.

64. Viidanoja J. et al. Tetraalkylammonium halides as chemical standards for positive electrospray ionization with ion mobility spectrometry/mass spectrometry. // Rapid Commun. Mass Spectrom. 2005. Vol. 19, № 21. P. 3051-3055.

65. Wittmer D. et al. Electrospray Ionization Ion Mobility Spectrometry // Anal. Chem. 1994. Vol. 66, № 14. P. 2348-2355.

66. Crawford C.L. et al. Accurate and reproducible ion mobility measurements for chemical standard evaluation. // Talanta. Elsevier, 2012. Vol. 101. P. 161-170.

67. Tolmachev A. V et al. Coulombic effects in ion mobility spectrometry. // Anal. Chem. 2009. Vol. 81, № 12. P. 4778-4787.

68. Du Y., Wang W., Li H. Resolution enhancement of ion mobility spectrometry by improving the three-zone properties of the Bradbury-Nielsen gate. // Anal. Chem. 2012. Vol. 84, №3. P. 1725-1731.

69. Karpasat Z. et al. Ion distribution profiles in the drift region of an ion mobility spectrometer//Anal. Chem. 1993. Vol. 127. P. 95-104.

70. Guilhaus M., Selby D., Mlynski V. Orthogonal acceleration time-of-flight mass spectrometry. // Mass Spectrom. Rev. 2000. Vol. 19, № 2. P. 65-107.

71. Chernushevich I. V, Loboda a V, Thomson B. a. An introduction to quadrupole-time-of-flight mass spectrometry. // J. Mass Spectrom. 2001. Vol. 36, № 8. P. 849-865.

72. Chernushevich I. V. Duty cycle improvement for a quadrupole-time-of-flight mass spectrometer and its use for precursor ion scans // Eur. J. Mass Spectrom. 2000. Vol. 6, № l.P. 471.

73. Ruotolo B.T. et al. Ion mobility-mass spectrometry analysis of large protein complexes. // Nat. Protoc. 2008. Vol. 3, № 7. P. 1139-1152.

74. Li S. et al. Analysis of antibiotics from liquid sample using electrospray ionization-ion mobility spectrometry. // Anal. Chim. Acta. Elsevier B.V., 2012. Vol. 720. P. 97-103.

75. Grujic S. et al. Study on the formation of an amoxicillin adduct with methanol using electrospray ion trap tandem mass spectrometry. // Rapid Commun. Mass Spectrom. 2008. Vol. 22, № 1. P. 67-74.

76. Hao C., Clement R., Yang P. Liquid chromatography-tandem mass spectrometry of bioactive pharmaceutical compounds in the aquatic environment—a decade's activities. // Anal. Bioanal. Chem. 2007. Vol. 387, № 4. P. 1247-1257.

77. Baumann M.H. et al. The designer methcathinone analogs, mephedrone and methylone, are substrates for monoamine transporters in brain tissue. // Neuropsychopharmacology. Nature Publishing Group, 2012. Vol. 37, № 5. P. 1192-1203.

78. Kanu A.B., Hill H.H. Identity confirmation of drugs and explosives in ion mobility spectrometry using a secondary drift gas. // Talanta. 2007. Vol. 73, № 4. P. 692-699.

79. Wu C. et al. Construction and characterization of a high-flow, high-resolution ion mobility spectrometer for detection of explosives after personnel portal sampling. // Talanta. 2002. Vol. 57, № 1. P. 123-134.

80. Sigman M.E. et al. Analysis of triacetone triperoxide by gas chromatography/mass spectrometry and gas chromatography/tandem mass spectrometry by electron and chemical ionization. // Rapid Commun. Mass Spectrom. 2006. Vol. 20, № 19. P. 2851-2857.

81. Crellin K.C., Widmer M., Beauchamp J.L. Chemical Ionization of TNT and RDX with Trimethylsilyl Cation // Anal. Chem. 1997. Vol. 69, № 6. P. 1092-1101.

82. Шевченко Т.Н. Хроматографическая идентификация и определение компонентного состава чернил паст шариковых ручек. 2012.

Приложение

УТВЕРЖДАЮ Заместш"ельг1шшш^ика

утвер:

Проректо

енов

етровский

АКТ

испытаний экспериментального образца прибора на базе комбинации спектрометра ионной подвижности / времяпролетного масс-спектрометра

1. Предметом испытаний является экспериментальный образец прибора на базе комбинации спектрометра ионной подвижности и времяпролетного масс-спектрометра, созданного в соответствии с соглашением по проекту #3623 между Международным научно-техническим центром (МНТЦ) и Национальным исследовательским ядерным университетом «МИФИ» (НИЯУ МИФИ).

2. Результаты предварительных испытаний оценивает комиссия в составе: Председатель - Кирьянов Георгий Иосифович, д.т.н., профессор, гл.н.с. ВНИИТФА, Члены:

Сысоев Александр Алексеевич, д.ф.-м.н., профессор НИЯУ МИФИ, руководитель проекта,

Сысоев Алексей Александрович, к.ф.-м.н., доцент НИЯУ МИФИ, зам. руководителя проекта,

Потешин Сергей Станиславович, к.т.н., доцент НИЯУ МИФИ,

Кузьмин Вячеслав Викторович, майор полиции, зам. начальника отдела взрыво- и по-

жарно-технических экспертиз, ЭКЦ МВД РФ,

Секретарь комиссии - Багрова В.В., МИФИ.

3. Даты проведения испытаний: 22 февраля 2012 г., 12 апреля 2012 г.

4. Для проведения испытаний комиссии были представлены:

• экспериментальный образец прибора,

• дополнительное оборудование, необходимое для обеспечения штатной работы прибора в режиме испытаний, включающее:

1) прецизионные регуляторы-расходомеры потока газа Bronkhorst для обеспечения

постоянных потоков дрейфового газа и газа распылителя в спектрометр ионной подвижности и источник ионов, соответственно;

2) химически стойкий мембранный насос и регулятор-расходомер для обеспечения

откачки камеры источника ионов;

3) блок питания нагревателя спектрометра ионной подвижности;

4) система измерения влажности потока высокочистого азота для контроля качества

осушки азота.

5. В качестве анализируемой пробы использован:

10 мкМ 2,6-DtBP в растворе ацетонитрила,

6. Результаты испытаний экспериментального образца и характеристики прибора приведены в прилагаемой таблице 1.

7. Методика приготовления пробы включала следующие операции (на примере пробы 2,6-Б1ВР):

1 доля раствора 5 тМ 2,6-БШР в метаноле (СНзОН) разбавляется с соответствующей долей ацетонитрила, чтобы в полученном объеме 1 доля исходного раствора давала требуемую концентрацию. В полученный раствор добавляется 5 мкл уксусной кислоты (СНзСООН). Используются: ручные микропипетки с одноразовыми наконечниками, регулируемый объем забора 1-1000 мкл.

Итоговая смесь для получения равномерной концентрации взбалтывается. Перед набором пробы шприц промывается анализируемой пробой. Объём отбираемой в шприц пробы составляет 130 мкл. Шприц с пробой устанавливается в шприцевой насос для автоматической подачи образца в источник. Скорость подачи -100-700 мтсл/час.

Таблица 1. Результаты испытаний экспериментального образца.

П.н. Показатели назначения Ожидаемые результаты Результаты измерений

1. Разрешающая способность по массам 500-1000 2000 (по 2,6-ВШР)

2. Разрешающая способность по подвижности 80-100 80-100 (по смеси йоди-да тетралропил аммония, йодида тетрапен-тил аммония, бромида тетраоктил аммония)

3. Регистрируемый диапазон масс Не специфицировано 20 - 890 а.е.м.

4. Абсолютный предел обнаружения для жидкой пробы Ю-9-10"12 г. 10"пг. (по 2,6-Б©Р)

5. Относительный предел обнаружения для жидкой пробы Не специфицировано 4пМ(по 2,б-БШР)

6. Время идентификации 1-20 сек 3-100 сек

7. Воспроизводимость интенсивности сигнала Не специфицировано 8% (по смеси йодида тетрапентиламмония и 2,6-Б©Р)

8. В результате проведения испытаний комиссия установила:

1) при выполнении проекта #3623 решена сложная научно-техническая задача, позволившая создать экспериментальный образец спектрометра ионной подвижности / вре-мяпролетного масс-спектрометра,

2) прибор обеспечивает предел обнаружения и разрешающую способность по массам и по подвижности, соответствующие заявленным величинам, либо превышающие их,

3) для автономной работы прибор требует доукомплектования дополнительным оборудованием,

4) шлейф проводов в приборе необходимо поместить в отдельную коробку,

5) отсутствует подробное описание прибора и инструкции по его эксплуатации,

6) программный интерфейс обеспечивает управление блоками питания, автоматизацию записи спектра подвижности ионов и обработку аналитических сигналов в режиме о£1ше.

9. В результате проведенных испытаний комиссия рекомендует:

1) провести цикл работ по наладке прибора в ЭКЦ МВД РФ,

2) провести цикл испытаний прибора с использованием типовых веществ взрывотехниче-ской экспертизы в ЭКЦ МВД РФ,

3) подготовить инструкцию (методику испытаний) для воспроизведения результатов в ЭКЦ МВД РФ, которые получили в присутствии комиссии в НИЯУ МИФИ,

4) продолжить работы по совершенствованию аналитических и технических характеристик прибора на базе комбинации спектрометра ионной подвижности и времяпролетного масс-спектрометра как с точки зрения повышения его чувствительности, так и селективности анализа.

Члены комиссии:

Председатель комиссии

Секретарь комиссии

АКТ№2

испытаний экспериментального образца прибора на базе комбинации спектрометра ион' ной подвижности / времяпролетного масс-спектрометра

1. Предметом испытаний является экспериментальный образец прибора на базе комбинации спектрометра ионной подвижности и времяпролетного масс-спектрометра, созданного в соответствии с соглашением по проекту #3623 между Международным научно-техническим центром (МНТЦ) и Национальным исследовательским ядерным университетом «МИФИ» (НИЯУ МИФИ).

2. Результаты предварительных испытаний оценивает комиссия в составе:

Председатель - Стецкевич Алексей Дмитриевич, полковник полиции, начальник отдела взры-

во- и пожарно-тсхнических экспертиз, ЭКЦ МВД РФ,

Члены:

Кузьмин Вячеслав Викторович, майор полиции, зам. начальника отдела взрыво- и пожарно-технических экспертиз, ЭКЦ МВД РФ,

Сысоев Алексей Александрович, к.ф.-м.н., доцент НИЯУ МИФИ, зам. руководителя проекта, Потешин Сергей Станиславович, к.т.н., доцент НИЯУ МИФИ.

3. Дата проведения испытаний: 27-29 июня 2012 г., место проведения испытаний ЭКЦ МВД России.

4. Для проведения испытаний комиссии были представлены:

• экспериментальный образец прибора,

• дополнительное оборудование, необходимое для обеспечения штатной работы прибора в режиме испытаний, включающее:

1) прецизионные регуляторы-расходомеры потока газа Bronkhorst для обеспечения посто-

янных потоков дрейфового газа и газа распылителя в спектрометр ионной подвижности и источник ионов, соответственно;

2) химически стойкий мембранный насос и регулятор-расходомер для обеспечения откач-

ки камеры источника ионов;

3) блок питания нагревателя спектрометра ионной подвижности;

4) система измерения влажности потока высокочистого азота для контроля качества осуш-

ки азота.

5. В качестве анализируемых проб использованы:

- 10 нМ/л и 100 нМ/л 2,6-DtBP в растворе ацетонитрила для исследования чувствительности;

- смесь 1.5 мкМ/л йодида тетрапропиламмония (СЗ), 1.5 мкМ/л йодида тетрапентиламмония (С5), 1 мкМ/л бромида тетраоктиламмония (С8), 1 мкМ/л 2,6-DtBP в растворе ацетонитрила для исследования воспроизводимости и разрешения по подвижности.

6. Результаты испытаний экспериментального образца и характеристики прибора приведены в прилагаемой таблице 1.

7. Методика приготовления пробы включала следующие операции (на примере пробы 2,6-Р1ВР):

1 доля раствора 5 шМ 2,6-ОШР в метаноле (СНзОН) разбавляется с соответствующей долей ацетонитрила, чтобы в полученном объеме 1 доля исходного раствора давала требуемую концентрацию. В полученный раствор добавляется 5 мкл уксусной кислоты (СН3СООН). Используются: ручные микропипетки с одноразовыми наконечниками, регулируемый объем забора 11000 мкл.

Итоговая смесь для получения равномерной концентрации взбалтывается. Перед набором пробы шприц промывается растворителем, а затем анализируемой пробой. Объём отбираемой в шприц пробы составляет 130 мкл. Шприц с пробой устанавливается в шприцевон насос для автоматической подачи образца в источник. Скорость подачи - 50-350 мкл/час.

Таблица 1. Результаты испытаний экспериментального образца.

П.н. Показатели назначения Ожидаемые результаты Результаты измерений, проведенных в НИЯУ МИФИ Результаты измерений, проведенных в ЭКЦ МВД

1. Разрешающая способность по массам 1500 2000 (по 2,6-БШР) 1800 (по 2,6-ОЮР)

2. Разрешающая способность по подвижности 80-100 80-100 (по смеси йоди-да тетрапропиламмо-шш, йодида тетрапен-тиламмония, бромида тетраоктил аммония) 80-100 (по смеси йодида тетрапропил аммония, йодида тетрапентил аммония, бромида тетраоктил аммония)

3. Регистрируемый диапазон масс Не специфицировано 20 - 890 а.е.м. 20 - 890 а.е.м.

4. Относительный предел обнаружения для жидкой пробы Не специфицировано 4пМ(по 2,6-ОШР) 4 пМ (по 2,6-01ВР)*

5. Абсолютный предел обнаружения для жидкой пробы Ю-9-Ю-'2 г. 10*пг. (по 2,6-БШР) 10",2г. (по 2,6-ОШР)**

6. Время идентификации 1-20 сек 3-100 сек 3-100 сек

7. Воспроизводимость интенсивности сигнала Не специфицировано 8% (по смеси йодида тетрапентил аммония и 2,6-ОШР) 8% (по смеси йодида тетра-пропил аммония и йодида тетрапентил аммония)

8. Воспроизводимость подвижности Не специфицировано не определялась 0.1 %***

* В режиме СИП/МС при длительности анализа 100 секунд при потоке пробы 64 мкл/мин были последовательно записаны:

- серия из 15 результатов последовательных измерений для 100 нМ/л раствора 2,6-01ВР в аце-тонитриле с 0.5 % (объем) добавкой уксусной кислоты. Площадь пика на масс-селективном распределении подвижности составила 1437 (СКО=139 (10%)).

- серия из 20 результатов последовательных измерений для ацетонитрила с 0.5 % (объем) добавкой уксусной кислоты не содержащего 2,6-БШР (раствор «бланк»). Площадь пика на масс-селективном распределении подвижности составила 43 (СКО=22 (50%)). Интенсивность фонового сигнала была определена как 43. Разброс шума была определен как 22.

- серия из 20 результатов последовательных измерений для 10 нМ/л раствора 2,6-01ВР в ацето-ннтриле с 0.5 % (объем) добавкой уксусной кислоты. Площадь пика на масс-селективном распределении подвижности составила 204 (СКО=57 (28%)).

Интенсивность полезного сигнала 10 нМ раствора 2,6-ОШР была определена как 204-43=163. Интенсивность минимального достоверно измеряемого сигнала была определена как 3*22=66. Порог обнаружения, соответствующий минимальному достоверно измеряемому сигналу был определен как 10 им*66/163=4 нМ/л.

** Абсолютный предел обнаружения для жидкой пробы был рассчитан исходя из относительного предела обнаружения для жидкой пробы и количества пробы, расходуемого на одно измерение. Количество пробы, расходуемое на одно измерение, при 100 сек. времени измерения и 64 мкл/час потоке пробы составило 1.8 мкл. Абсолютный предел обнаружения составил 1.4 пг. *** Определялась как максимальное из СКО значений подвижности, определенных для йодида тетрапропиламмония (СЗ), йодида тетрапентиламмония (С5), бромида тетраоктиламмония (С8), 2,6-ОШР по серии из 20 измерений для смеси, содержащей все 4 соединения.

8. В результате проведения испытаний комиссия установила:

1) при выполнении проекта #3623 решена сложная научно-техническая задача, позволившая создать экспериментальный образец спектрометра ионной подвижности / времяпролетного масс-спектрометра,

2) после транспортировки и установки в ЭКЦ МВД России прибор продемонстрировал воспроизводимость заявленных характеристик: обеспечивается предел обнаружения и разрешающую способность по массам и по подвижности, соответствующие заявленным величинам, либо превышающие их,

3) для автономной работы прибор требует доукомплектования дополнительным оборудованием,

4) программный интерфейс обеспечивает управление блоками питания, автоматизацию записи спектра подвижности ионов и обработку аналитических сигналов в режиме оГ-Нпе.

9. В результате проведенных испытаний комиссия рекомендует:

1) провести цикл испытаний прибора с использованием типовых веществ взрывотехнической экспертизы в ЭКЦ МВД России,

2) продолжить работы по совершенствованию аналитических и технических характеристик прибора на базе комбинации спектрометра ионной подвижности и времяпролетного масс-спектрометра как с точки зрения повышения его чувствительности, так и селективности анализа.

Председатель комиссии А.Д. Стецкевич

Члены комиссии:

В.В. Кузьмин А.А. Сысоев С. Потешин

УТВЕРЖДАЮ УТВЕРЖДАЮ

АКТ №3

испытаний экспериментального образца прибора на базе комбинации спектрометра ионной подвижности / времяпролетного масс-спектрометра

1. Предметом испытаний является экспериментальный образец прибора на базе комбинации спектрометра ионной подвижности и времяпролетного масс-спектрометра, созданного в соответствии с соглашением по проекту #3623 между Международным научно-техническим центром (МНТЦ) и Национальным исследовательским ядерным университетом «МИФИ» (НИЯУ МИФИ).

2. Результаты испытаний оценивает комиссия в составе:

Председатель - Стецкевнч Алексей Дмитриевич, полковник полиции, начальник отдела, ЭКЦ МВД России,

Члены:

Тузков Юрий Борисович, полковник полиции, заместитель начальника управления, ЭКЦ МВД России,

Кузьмин Вячеслав Викторович, майор полиции, зам. начальника отдела, ЭКЦ МВД России,

Сысоев Алексей Александрович, к.ф.-м.н., доцент НИЯУ МИФИ, зам. руководителя проекта,

Потешин Сергей Станиславович, к.т.н., доцент НИЯУ МИФИ.

3. Дата проведения испытаний: 13-17 августа 2012 г., место проведения испытаний ФГКУ «Экспертно-криминалистический Центр» Министерства внутренних дел Российской Федерации (далее по тексту - ЭКЦ МВД России).

4. Для проведения испытаний комиссии были представлены:

• экспериментальный образец прибора,

• дополнительное оборудование, необходимое для обеспечения штатной работы прибора в режиме испытаний, включающее:

1) прецизионные регуляторы-расходомеры потока газа Bronkhorst для обеспечения постоянных потоков дрейфового газа и газа распылителя в спектрометр ионной подвижности и источник ионов, соответственно;

2) химически стойкий мембранный насос и регулятор-расходомер для обеспечения откачки камеры источника ионов;

г

3) блок питания нагревателя спектрометра ионной подвижности;

4) система измерения влажности потока высокочистого азота для контроля качества осушки азота.

5. В качестве анализируемых проб использованы:

- растворы взрывчатых веществ: гексаметилентрипероксиддиамин (НМТЕ>), три-ацетона трнпероксид (ТАТР), гексоген (Ш)Х), октоген (НМХ);

- растворы наркотических средств и психотропных веществ: метилон, 4-МЕС, 3,4-МБРУ, 1\УН-210, ЛУН-250,1^-203, кокаин;

- красящее вещество на основе смеси трифенилметановых синтетических красителей в виде штриха, выполненного шариковой ручкой на листе бумаги.

6. Методика приготовления проб

Образцы взрывчатых веществ, наркотических средств и психотропных веществ были предоставлены в виде растворов в метаноле и ацетонитриле с концентрацией (1-5) *10~3 моль/л.

Раствор красящего вещества приготовили экстракцией вырезки штриха общей длиной 3 см в виале 1 мл ацетонитрила в течение 2 ч.

Анализируемые пробы были получены последовательным разбавлением образцов в ацетонитриле или в метаноле с добавлением в качестве буфера уксусной кислоты. Причем концентрация уксусной кислоты в анализируемых пробах составляла 0,5% (масс.). Пробы отбиралась в микрошприц (объемом 10 мкл), который устанавливался в шприцевой насос для автоматической дозировки пробы в источник ионов прибора.

Одновременно анализировали контрольные растворы всех используемых растворителей и экстракта с вырезки листа бумаги (аналогичного размера без нанесенного штриха).

Все используемые реактивы имели квалификацию не ниже <ач».

В качестве дрейфового газа и газа распылителя использовали азот (чистота

99,8%).

7. Общие условия испытаний

Все измерения проводились в режиме ионизации с образованием положительных ионов. Использовавшийся режим СИП/МС предусматривал запись данных в виде зависимости аналитического сигнала от массы и подвижности образующихся ионов. Длительность открывания затвора спектрометра ионной подвижности составляла 0,5 мс. Общая продолжительность анализа составляла 100 секунд. Скорость дозировки проб составляла 200-400 мкл/час.

8. Анализ взрывчатых веществ.

Концентрация анализируемых проб взрывчатых веществ составляла от 0,01 *10'3 до 0,5*1 О*3 моль/л. Температура дрейфовой камеры поддерживалась в диапазоне 25 - 150°С, потоки дрейфового газа - 1-3 л/мин, газа-распылителя 0,2-1,5 л/мин, скорость подачи пробы 50 -400 мкл/час. В качестве добавок в пробу использовали водные растворы ацетата аммония и аммиака). Методы ионизации - электрораспыление (ЕЭ!) и химической ионизации при атмосферном давлении (АРС1). В случае применения электрораспыления, варьировалось положение иглы распылителя относительно входного отверстия СИП.

t

г

Из исследованных образцов взрывчатых веществ в режиме положительных ионов в исследуемом диапазоне концентраций только для гексаметилентрипероксид-диамина был воспроизводимо зарегистрирован ион, соответствующий протониро-ванной форме молекулярного иона [М+Н]+ (m/z=209). Относительный порог обнаружения гексаметилентрипероксиддиамина составил 0,1*10*3 моль/л. Абсолютный порог обнаружения гексаметилентрипероксиддиамина составил 1*1 О*6 г.

9. Анализ наркотических веществ

Для исследовавшихся образцов наркотических средств и психотропных веществ определялся порог обнаружения и приведенная подвижность.

9.1. Порог обнаружения

Для определения порога обнаружения по наркотическим средствам и психотропным веществам пробы готовили последовательным разбавлением в диапазоне концентраций от (10-15)*10"6 моль/л до концентрации при которой анализируемый ион еще обнаруживался. Для каждой концентрации проводили 5-8 параллельных измерений. Накопление сигнала в режиме СЙП/МС составляло 100 с. Порог обнаружения определялся по критерию соотношения сигнал/шум=3. Фоновый сигнал прибора фиксировали по контрольному раствору - 0,5% раствору уксусной кислоты в ацето-нитриле. Абсолютный порог обнаружения вычислялся по количеству затраченной пробы при выбранной скорости прокачки шприца за время анализа (100 с). Лучшие значения порогов обнаружения для всех наркотических средств и психотропных веществ (кроме кокаина) зафиксированы при использовании режима химической ионизации при атмосферном давлении. Для обнаружения кокаина предпочтительным является режим электрораспыления.

9.2. Подвижность

Подвижность образующихся ионов определяли в режиме оптимальной чувствительности:

- при ионизации коронным разрядом (APCI) для всех наркотических средств и психотропных веществ, кроме кокаина;

- режим ионизации электрораспылением (ESI) для кокаина.

При измерении подвижности с ионизацией электрораспылением в пробу, в качестве стандартов добавлялись: 2,6-ди(трет-бутил)пиридин (2,6-DtBP) с концентрацией 0,5*10 моль/л, а также тетраоктиламмонийбромид (m/z=466.5, 467.5), тет-рапропиламмониййодид (m/z=186, 187), тетрапентиламмониййодид (m/z=298.4, 299.4) с концентрациями 1 *10"6 моль/л. При измерении подвижности с ионизацией коронным разрядом, в качестве стандартов с известной подвижностью добавлялся кокаин и 2,6-DtBP. Перед этим приведенная подвижность ионов кокаина рассчитывалась в серии экспериментов при ионизации с электрораспылением. Испытания выявили предпочтительность применения ацетонитрила как растворителя при пробо-подготовке наркотических средств по сравнению с метанолом. Было показано, что применение ацетонитрила, как растворителя, способствует формированию узких пиков масс-селективных распределений подвижности.

Результаты испытаний при анализе наркотических средств и психотропных веществ приведены в Таблице 1.

Таблица 1. Результаты анализа наркотических средств и психотропных веществ, включающие значегам моноизотопной массы (М) и приведенной подвижности (Ко) характеристичных ионов, пороги обнаружения (отношения сигнал/шум=3).

Название вещества Моноизотопная масса, Ба Характеристичные ионы Ко, ст2/(У-$) Порог обнаружения

АРС1-М, Иа Е81-М,Оа Относительный, моль/л Абсолютный, г

Метилон 207,1 206,1 1,35±0.01 310'7 710"10

208,1 208,. 1 1,28±0.01

4-МЕС 191,1 190,1 1,41±0.01 1,510'7 4-Ю-10

192,1 192,1 1,30±0.01

3,4-Ш)РУ 275,2 276,2 276,2 1,18±0.01 4*10'8 1,5-10'10

1^-210 369,2 370,2 370,2 0,98±0.01 4-10'7 1,7-10"9

Д\Ш-250 335,.2 336,2 336,2 1,09±0.01 2-Ю*7 7-Ю-10

дга-2оз 339,1 340,2 340.2 1,07±0.01 3 10"7 1,2-10'9

Кокаин 303,1 304,2 304.2 1,20±0.01 4-10'9 1,4-10"11

10. Анализ красителей.

Анализ производился с ионизацией элеюрораспылением. Поток пробы из шприцевого насоса составлял 400 мкл/ч; поток газа-распылителя 0,7 л/мин. Продолжительность анализа - 100 с. Для каждой пробы производилось по 7 параллельных измерений, в т.ч. и для контрольных растворов.

В спектре раствора пробы красящего вещества достоверно регистрируются 4 группы пиков, отсутствующие в контрольном растворе, с основными моноизотопными массами М = 330, 344, 358, 372, Величины приведенных подвижностей К0 не рассчитывались.

11. В результате проведения испытаний комиссия установила:

1) Созданный при выполнении проекта #3623 экспериментальный образец спектрометра ионной подвижности, совмещенного с времяпролетным масс-спектрометром, обеспечивает быстрое обнаружение наркотических средств на уровне следовых концентраций с возможностью диагностирования вида этого средства по молекулярному иону.

2) В разработанном виде прибор не обеспечивает необходимой чувствительности для обнаружения взрывчатых веществ. Для обеспечения режима обнаружения следовых количеств взрывчатых веществ требуется дооснащение системы модулем, позволяющем проводить детектирование в режиме отрицательных ионов.

3) Прибор позволяет осуществлять детектирование синтетических трифенил-метановых красителей, в т.ч. в составе красящих композиций при исследовании штрихов паст шариковых ручек с диагностикой состава этой композиции по молекулярным ионам.

4) Существенным преимуществом представленного прибора является малое время цикла анализа, составляющее 2-3 минуты.

12. В результате проведенных испытаний комиссия считает испытания прибора в ЭКЦ МВД России частично успешными и рекомендует:

- поскольку использование системы для детектирования взрывчатых веществ в представленном виде неэффективно ввиду низкой чувствительности, для обеспечения режима обнаружения следовых количеств взрывчатых веществ необходимо до-оснастить систему модулем, позволяющем проводить детектирование в режиме отрицательных ионов;

- признать целесообразным применение прибора для быстрого детектирования синтетических наркотических средств на уровне следовых концентраций с возможностью диагностирования вида этого средства по молекулярному иону;

- признать целесообразным применение прибора для быстрого детектирования синтетических трифенилметановых красителей, в т.ч. в составе красящих композиций при исследовании штрихов паст шариковых ручек с диагностикой состава этой композиции по молекулярным ионам;

- рекомендуется продолжить исследования для определения возможности применения прибора для быстрого детектирования и диагностики пищевых красителей.

Председатель комиссии

Члены комиссии:

А.А. Сысоев

В.В. Кузьмин

Ю.Б. Тузков

С.С. Потешин