Патент на изобретение №2348032

(54) СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ СПИРТА ЭТИЛОВОГО И ЭТАНОЛСОДЕРЖАЩИХ ЖИДКОСТЕЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области анализа сложных смесей. Способ заключается в построении селективных ионных масс-хроматограмм по отдельным ионам, характеризующим определенные примеси, интерпретации масс-спектров на основе закономерностей фрагментации молекулярных ионов-представителей различных классов органических соединений с учетом спектро-структурных корреляций, анализе относительных интенсивностей диагностических ионов, применении в качестве маркеров подлинности этилового спирта – алкилпиразинов, а в качестве маркеров подлинности синтетического спирта – пропеналя (акролеина). Технический результат – повышение чувствительности идентификации. 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к области газохроматографического анализа сложных смесей веществ, в частности, для идентификации неизвестных компонентов по собранному банку данных, индексам удерживания веществ и величинам относительных сигналов селективных и универсального детекторов.

Известен способ идентификации веществ в сложных смесях [1] путем измерения в процессе хроматографического анализа времени удерживания или объема удерживания компонента смеси, по которому можно его идентифицировать.

Недостатком этого способа является существенное влияние на характеристику удерживания веществ конкретных условий хроматографического анализа, в результате чего невозможно получить воспроизводимый банк хроматографических данных.

Известен также хроматографический способ идентификации веществ в сложных смесях [2] путем разделения смеси в хроматографической колонке, в которую введены вещества-реперы с регистрацией на выходе из колонки детектором сигналов (пиков) веществ и реперов, и расчета относительного времени или объема удерживания. Индекс удерживания определяется путем логарифмической интерполяции между объемами удерживания двух н-алканов, между которыми находится значение объема удерживания компонента. Индексы удерживания также зависят от температурного режима разделения смеси, кроме того, на них оказывают влияние особо полярные неподвижные фазы и активные твердые носители.

Суть способа состоит в том, что вначале находят условия разделения всех компонентов смеси на кварцевой капиллярной колонке с программированием температуры от То до Тмах до полного разделения компонентов, а затем разделенные компоненты с добавлением в смесь сетки реперных веществ, в качестве которых могут использоваться алканы, направляют во вторую колонку, которая находится при постоянной температуре не ниже Тмах первой колонки с неподвижной фазой той же полярности, что и на разделительной колонке, и выполняет функцию идентификационной колонки. На второй колонке не изменяется порядок выхода компонентов, который был достигнут на первой колонке, но температурный режим – изотермический. Это позволяет определить индексы удерживания и собрать банк воспроизводимых хроматографических данных для последующей идентификации компонентов в сложных смесях.

Способ осуществляют в устройстве, которое содержит источник газа-носителя и последовательно установленные по потоку газа-носителя испаритель с пробовводом, три хроматографические кварцевые капиллярные колонки с неподвижной фазой одной полярности, причем первая колонка расположена в термостате с программированием температуры и соединена через тройник со второй колонкой и первым универсальным детектором УД-1 (пламенно-ионизационный детектор ДИП), вторая колонка расположена во втором по потоку газа-носителя термостате при постоянной температуре, на выходе ее расположен второй универсальный детектор УД-2.

Существующие в настоящее время газохроматографические методы определения содержания токсичных примесей позволяют лишь с определенной долей вероятности идентифицировать примесные соединения, при этом получаемая информация может быть недостаточно достоверной и корректной.

Наиболее близким техническим решением является способ хромато-масс-спектрометрии (3), основанный на сочетаниях капиллярной газовой хроматографии и метода масс-спектрометрии – метода наиболее селективного и чувствительного по детектированию и структурной идентификации. Идентификация вещества проводится по двум аналитическим параметрам:

– времени удерживания и

– масс-спектру.

Разделение проводилось по кварцевой капиллярной колонке HP-FFAP 50 м 0,32 мл, толщина пленки неподвижной фазы 0,52 мкм, температура 60°С (4 мин), объем вводимой пробы 1 мкл. Внутренний стандарт (Вс)-циклогексана – 0,1% в этаноле. К 1 мл пробы добавляли 30 мкл ВС.

Недостатком вышеописанных способов являются ограничения, связанные с близостью времен хроматографического удерживания некоторых присутствующих в нем примесей, а также использование специального и дорогостоящего оборудования.

Задача решается за счет обеспечения разделения примесей, присутствующих в спирте-сырце на колонках с различной фазой, что сэкономит время составления таблиц удерживания разнообразных примесных соединений.

Сущность способа заключается в построении селективных ионных масс-хроматограмм по отдельным ионам, характеризующим определяемые примеси, интерпретацией масс-спектров на основе закономерностей фрагментации молекулярных ионов – представителей различных классов органических соединений с учетом спектроструктурных корреляций, анализе относительных интенсивностей диагностических ионов, применении в качестве маркеров подлинности этилового спирта – алкилпиразинов, применении в качестве маркеров подлинности синтетического спирта – пропеналя (акролеина).

Пример осуществления способа.

На Фиг.1 изображена схема образования диагностических фрагментов соединений алкилпиразинов (181-184) на примере 2,6-диметил-пиразина (183).

На Фиг.2 изображены масс-спектры алкилпиразинов (181-184).

Осуществление технического решения происходит следующим образом: при определении состава примесей в качестве базовой использовалась система хроматограф-масс-спектрометр-ЭВМ, состоящая из газового хроматографа HP 5890А с масс-селективным детектором HP 5972A и системы обработки данных HP ChemStation, содержащей библиотеку 138 тысяч масс-спектров индивидуальных соединений. В ряде случаев использовался хромато-масс-спектрометр HP 5989A. Для получения максимально достоверной и корректной информации о примесях спирта этилового анализ компонентов проводили как минимум на двух капиллярных кварцевых колонках различной полярности из числа НР-1, HP-5, Carbowax 20M, FFAP, INNOWax, Ultra-2. При этом наилучшее разделение исследуемых примесей достигалось на кварцевой колонке с нанесенной жидкой фазой HP-INNOWax с внутренним диаметром 0,53 мм и длиной 30 м с эффективностью по метиловому эфиру ундекановой кислоты не менее 1530 чтт/м и 1360 этт/м, производства фирмы Hewlett Packard. Масс-спектры хроматографических пиков получали при энергии электронов 70 эВ, сканирование масс-спектров от 29 до 300 дальтонов проводили со скоростью 1 спектр/с. Идентификация хроматографических пиков включала анализ с использованием библиотечного поиска масс-спектров (индекс сходства с табличными спектрами превышал 80%), построение селективных ионных масс-хроматограмм по отдельным ионам, характерным для определяемых примесей, интерпретацию масс-спектров на основе закономерностей фрагментации молекулярных ионов представителей различных классов органических соединений с учетом спектроструктурных корреляций.

Условия выполнения анализа на хроматографе Hewlett Packard модель 6890:

Температура испарителя, °С – 210

Температура детектора, °С – 240

Начальная температура термостата, °С – 35

Начальный изотермический участок, мин – 5

Скорость подъема температуры термостата, град./мин – 5

Промежуточная температура термостата, °С – 130

Скорость подъема температуры термостата, град./мин – 20

Конечная температура термостата, °С – 235

Конечный изотермический участок, мин – 7.5

Скорость потока газа-носителя (гелий) через колонку, см³/мин – 4.0

Общий поток гелия, см³/мин – 45.9

Делитель потока гелия в отношении 1:10

Колонка работает в режиме поддержания постоянства потока гелия

Скорость потока водорода, см³/мин – 30.0

Скорость потока воздуха, см³/мин – 450.0

Объем вводимой пробы, мм³ – 1.0

Продолжительность анализа, мин – 36.75

Идентификация индивидуальных соединений, содержащихся в этиловом спирте в микроколичествах, представляет собой нетривиальную задачу, особенно при определении изомерного строения исследуемого соединения.

Поэтому разработанная хромато-масс-спектрометрическая методика идентификации органических микропримесей включает в себя в том числе и интерпретацию масс-спектров на основе знаний особенностей фрагментации представителей каждого класса органических соединений с учетом спектроструктурных корреляций. Для повышения вероятности правильной идентификации участие оператора-аналитика обязательно, особенно при определении изомерных веществ, а также примесей, содержащихся в микроколичествах. В таких случаях идентификация лишь на основании библиотечных данных не может быть однозначной. Например, не все изомерные вещества дают различающиеся масс-спектры. Из этого следует, что идентификацию вещества необходимо проводить как минимум в два этапа. На первом этапе образцы должны подвергаться хромато-масс-спектрометрическому анализу с предварительной идентификацией исследуемых соединений по масс-спектрам с использованием стандартных библиотек, а на втором проводится идентификация по индивидуальным соединениям, сравниваются не только масс-спектры, но и времена удерживания исследуемого соединения и вещества сравнения. Таким образом, в разработанной методике идентификация пиков на хроматограмме проводится путем анализа полученных масс-спектров и времен удерживания веществ (возможно также применение метода добавок индивидуальных соединений). Помимо зависимости времени выхода из хроматографической колонки от степени разветвленности углеродной цепи при интерпретации масс-спектров применяется концепция локализации заряда и радикала, «азотное» правило, «четно-электронное» правило, принцип наименьших структурных изменений при фрагментации. Далее приведен пример, который можно использовать в качестве теста при интерпретации масс-спектров соединений алкилпиразинов.

В масс-спектрах соединений 181-184 (Фиг.2) зарегистрированы интенсивные пики молекулярных ионов М⁺ с массовыми значениями m/z: 94 (100%) – 181, 108 (96%) – 182, 108 (100%) – 183, 122 (76%) – 184. Анализ относительных интенсивностей пиков М⁺ и изотопных (М+1)⁺ позволил рассчитать содержание каждого элемента и установить брутто-формулы соединений алкилпиразинов: 181 – С₅Н₆N₂; 182 – С₆Н₈N₂; 183 – C₆H₈N₂; 184 – С₇Н₁₀N₂. Хорошо известно, что наличие ароматической системы кратных связей приводит к повышению стабильности М⁺. Поэтому следует предположить, что соединения 181-184-азотсодержащие ароматические производные (алкилпиразины, или -пиримидины, или -пиридазины).

Интерпретацию масс-спектров проводят исходя из концепции локализации заряда и радикала, «азотного» правила, «четно-электронного» правила, принципа наименьших структурных изменений при фрагментации.

Распад М⁺ и осколочных ионов всех четырех соединений протекает однотипно: диагностические ионы образуются при выбросе молекулы синильной кислоты (фрагменты А, Д) и ацетонитрила (фрагменты В, С) – Фиг.1. В спектрах соединений 181-183 пики ионов (M-HCN)⁺ – фрагменты А, Д – имеют большую интенсивность, чем ионов (М-СН₃CN)⁺ – фрагменты В, С. Это говорит, во-первых, о том, что потеря синильной кислоты более выгодный процесс, а во-вторых, что гетероцикл расщепляется по одной из связей C(2)-N (М⁺-изомеризация – Фиг.1).

Анализ спектров изомеров 2,5- и 2,6-диметилпиразинов показывает, что относительные интенсивности однотипных фрагментов В – m/z 67 – хорошо отражают особенности строения: m/z 67 (10%) для 183 и m/z 67 (0.5%) для 182. Все просто: лимитирующей стадией процесса является раскрытие ароматического цикла по связи C(2)-N (фиг.1). Легко рассеять сомнения о принадлежности спектра 184 триметилпиразину или пропилпиразину. В случае моноалкилпиразина при длине углеводородной цепи, равной 3 С, нужно ожидать характерную перегруппировку через 6-членное переходное состояние с образованием осколочных ионов (М-С₂H₄)⁺. Отсутствие пиков ионов (M-C₂H₄)⁺ в спектре 184 свидетельствует в пользу структуры триметилпиразина.

Соединения 181-184 не могут быть алкилпиридазинами, поскольку для последних реализовывалось бы отщепление молекулы азота, также не могут быть алкилпиримидинами, поскольку для них характерен последовательный выброс 2-х молекул синильной кислоты.

Таким образом очевидно, что, используя диагностические ионы М⁺ (m/z 94, 108, 122, 136, …), m/z 42 (H₄С₂N)⁺, m/z 39 (С₃Н₃)⁺ в качестве характеристических, определение присутствия алкилпиразинов в неизвестных пробах методом хромато-масс-спектрометрии в режиме селективного ионного детектирования особых сложностей не представляет.

Без предварительной пробоподготовки метод хромато-масс-спектрометрии в режиме селективного ионного детектирования для представителей некоторых классов органических соединений позволяет добиться чувствительности определения порядка 1 мкг/дм³, а с помощью пробоподготовки ее можно повысить еще на один-два порядка. Такая величина чувствительности гарантирует уверенную идентификацию примесей-меток в этанолсодержащих жидкостях независимо от современных способов очистки этанола.

При анализе спиртов различного происхождения выявлены следующие закономерности (таблица 1):

для синтетического этанола характерно наличие ненасыщенных альдегидов, для пищевого – насыщенных; в синтетическом спирте содержатся диалкилкетоны с четным числом атомов углерода, в пищевом – зафиксировано лишь 9 кетонов, причем в виноградном спирте они отсутствуют; в синтетическом спирте идентифицированы только муравьиная и уксусная кислоты, пищевой содержит гомологический ряд карбоновых кислот, причем концентрация их в виноградном спирте больше, чем в зерновом; в синтетическом спирте имеются высшие спирты с четным числом атомов углерода, с гидроксильной группой у второго и третьего атомов углерода, углеводороды, в том числе и ароматические, и практически отсутствуют эфиры карбоновых кислот, в пищевом спирте зафиксированы неразветвленные спирты и этиловые эфиры стеариновой, дикарбоновых и фенилкарбоновых кислот, причем изоамиловые эфиры обнаружены в виноградном спирте, а изобутиловые – в зерновом; из полифункциональных соединений в виноградном этаноле идентифицированы алкилфенолы, гераниол, замещенные ацетали, пировиноградная кислота, замещенные фурфуролы, в зерновом – азот- и серусодержащие соединения и алкоксиалкилфенолы.

Таким образом, разработанный способ позволяет однозначно установить происхождение спирта этилового и идентифицировать сырье, из которого произведен этанол, причем получена чувствительность более чем на два порядка выше, чем при измерении полного ионного тока, что составляет величину, не превышающую 1 мкг/дм³.

Источники информации

1. Патент RU 2035735, Лейбниц Э. Руководство по газовой хроматографии. М., Мир, 1968 г., с.333-337.

2. Патент RU 2035735, Лейбниц Э. М., Мир, 1988 г., с.241-243, RU 2150699, G01N 33/14.

3. Н.А.Вязьмина, С.А.Савчук, Геохи Ран. Партнеры и конкуренты, №1, 2005 г., стр.32.

Формула изобретения

Способ идентификации подлинности этилового спирта и этанолсодержащих жидкостей, характеризующийся построением селективных ионных масс-хроматограмм по отдельным ионам, характеризующим определяемые примеси, интерпретацией масс-спектров на основе закономерностей фрагментации молекулярных ионов-представителей различных классов органических соединений с учетом спектроструктурных корреляций, анализом относительных интенсивностей диагностических ионов, применением в качестве маркеров подлинности этилового спирта – алкилпиразинов, применением в качестве подлинности синтетического спирта – пропеналя (акролеина).

РИСУНКИ