Адсорбция и ВЭЖХ-МС высокого разрешения токсичных изомерных азотсодержащих гетероциклов (гербициды и продукты трансформации несимметричного диметилгидразина) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Гриневич Оксана Игоревна

• Гриневич Оксана Игоревна
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Гриневич Оксана Игоревна

Список сокращений

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Хромато-масс-спектрометрия и ее применение к азотсодержащим соединениям

1.1.1 Методология хроматографического процесса: ключевые особенности

1.1.2 Хромато-масс-спектрометрия как самостоятельный метод исследования

1.1.3 Хроматография и хромато-масс-спектрометрия азотсодержащих гетероциклических соединений

1.1.4 Хроматография и хромато-масс-спектрометрия несимметричного диметилгидразина и продуктов его трансформации

Выводы по разделу

1.2 Квантово-химические методы исследования в описании хроматографического разделения

1.2.1 Общие сведения о расчетных методах квантовой химии

1.2.2. Применение квантово-химических расчетов при изучении сорбции азотсодержащих гетероциклических соединений

Выводы по разделу

Выводы по главе

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1 Используемые вещества

2.1.1 Модельная смесь продуктов трансформации несимметричного диметилгидразина

2.1.2 Триазиновые гербициды

2.1.3 Смесь продуктов трансформации несимметричного диметилгидразина

2.1.4 Дополнительные вещества для хроматографического анализа

2.1.5 Растворители

2.2 Оборудование

2.2.1 Жидкостная хроматография

2.2.2 Масс-спектрометрия

2.3 Молекулярно-статистический расчет констант Генри адсорбции для триазиновых гербицидов

2.4 Квантово-химический расчет адсорбционных характеристик изомерных гетероциклов

Глава 3. Обсуждение результатов

3.1 Квантово-химическое исследование адсорбции изомерных диазинов на графене

3.1.1 Экспериментальные данные и выбор метода моделирования

3.1.2 Результаты квантово-химических расчетов адсорбции

3.1.3 Сравнение экспериментального и расчетного порядка удерживания

Выводы по разделу

3.2 Квантово-химическое исследование адсорбции изомерных диазолов и 1Н-1,2,4-триазола на графене

3.2.1 Выбор соединений для моделирования и экспериментальные данные об удерживании

3.2.2 Результаты квантово-химических расчетов адсорбции

Выводы по разделу

3.3 Высокоэффективная жидкостная хроматография некоторых s-триазиновых гербицидов

3.3.1 Выбор объектов исследования для изучения особенностей удерживания на октадецилсиликагеле и пористом графитированном углероде

3.3.2 Оптимизация условий и характеристика хроматографического разделения s-триазиновых гербицидов на пористом графитированном углероде и октадецилсиликагеле

3.3.3 Молекулярно-статистический расчет констант Генри адсорбции. Механизм удерживания s-триазиновых гербицидов на пористом графитированном углероде

Выводы к разделу

3.4 Различные режимы высокоэффективной жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии в исследовании удерживания модельной смеси продуктов трансформации несимметричного диметилгидразина

3.4.1 Состав модельной смеси и подбор методов разделения в условиях высокоэффективной жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии

3.4.2 Параметры удерживания в условиях гидрофильной и обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии

3.4.3 Оценка селективности разделения в условиях гидрофильной и обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии

3.4.4 Влияние кислотно-основных модификаторов подвижной фазы на удерживание в условиях обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии

Выводы к разделу

3.5 Высокоэффективная жидкостная хроматография-масс-спектрометрия высокого разрешения в анализе реальной смеси продуктов трансформации несимметричного диметилгидразина

3.5.1 Выбор объекта исследования и методики анализа

3.5.2 Определение продуктов трансформации несимметричного диметилгидразина в режиме одномерной масс-спектрометрии высокого разрешения

3.5.3 Определение продуктов трансформации несимметричного диметилгидразина в режиме тандемной масс-спектрометрии высокого разрешения

Выводы к разделу

Заключение

Приложение

Приложение

Список литературы

Список сокращений

НДМГ - несимметричный диметилгидразин (1,1-диметилгидразин) ВЭЖХ - высокоэффективная жидкостная хроматография НФ ВЭЖХ - нормально-фазовая высокоэффективная жидкостная хроматография

ОФ ВЭЖХ - обращенно-фазовая высокоэффективная жидкостная хроматография

HILIC - гидрофильная хроматография (Hydrophilic Interaction Liquid Chromatography)

ВЭЖХ-МС - высокоэффективная жидкостная хроматография с масс-спектрометрическим детектированием

ВЭЖХ-МС/МС - высокоэффективная жидкостная хроматография -тандемная масс спектрометрия

ГХ - газовая хроматография

ГХ-МС - газовая хроматография с масс-спектрометрическим детектированием

ИЭР - ионизация электрораспылением

ХИАД - химическая ионизация при атмосферном давлении

ФИАД - фотоионизация при атмосферном давлении

ИЭ - ионизация электронами

ОДС - октадецилсиликагель

ПГУ - пористый графитированный углерод

ГТС - графитированная термическая сажа

ПДМС - полидиметилсилоксан

NIST - The National Institute of Standards and Technology (Национальный институт стандартов и технологий, США) МЗР - мониторинг заданных реакций МВИ - мониторинг выбранных ионов ПИТ - полный ионный ток

ЯМР - ядерный магнитный резонанс

ТФП - теория функционала плотности

ВЗМО - высшая занятая молекулярная орбиталь

НСМО - низшая свободная молекулярная орбиталь

GAFF - General AMBER Force Field (генерализованное силовое поле на базе программного обеспечения AMBER)

ТППП - топологическая полярная площадь поверхности ДЭА - диэтиламин

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Адсорбция и ВЭЖХ-МС высокого разрешения токсичных изомерных азотсодержащих гетероциклов (гербициды и продукты трансформации несимметричного диметилгидразина)»

Введение

Актуальность и степень разработанности темы исследования

Азотсодержащие гетероциклические соединения представляют собой обширный класс органических соединений, которые находят широкое практическое применение в качестве лекарственных средств, экстрагентов, пестицидов и являются объектами множества теоретических исследований. Структурные изменения, происходящие при введении в ароматическое ядро одного или нескольких атомов азота, приводят к появлению огромного разнообразия изомерных соединений с различными физико-химическими и биологическими характеристиками. Изомерные азотсодержащие гетероциклические структуры в большом разнообразии присутствуют в природе и активно синтезируются человеком, далее попадают в окружающую среду и подвергаются трансформации.

Производные 1,3,5-триазина (сим-триазина) широко используются в качестве гербицидов по всему миру. Триазиновые гербициды являются известными загрязнителями окружающей среды, которые способны к миграции и накоплению в почве и водных объектах. Они весьма токсичны и требуют мониторинга их содержания, для чего постоянно разрабатываются новые методики анализа.

Несимметричный диметилгидразин (1,1-диметилгидразин, НДМГ) применяется в России, Китае и других странах в качестве ракетного топлива и является соединением с высокой реакционной способностью. В ходе исследований установлено, что НДМГ подвергается сложным превращениям при попадании в окружающую среду в результате проливов или во время длительного хранения в неконтролируемых условиях. В результате этого образуются сложные смеси, содержащие десятки и сотни различных продуктов трансформации, которые имеют высокую токсичность. Среди большого разнообразия соединений присутствуют ранее не известные, сведения о которых отсутствуют в химических базах данных.

Хромато-масс-спектрометрия на сегодняшний день является одним из ведущих физико-химических методов исследования. Разделительная сила хроматографии и высокая информативность масс-спектрометрии позволяют

исследовать самые сложные смеси и обнаруживать примесные компоненты в следовых количествах. Высокоэффективная жидкостная хроматография с масс-спектрометрией (ВЭЖХ-МС) активно применяется для разделения гербицидов и продуктов трансформации НДМГ, среди которых присутствуют различные азотсодержащие гетероциклические продукты. Применение высокого разрешения при детектировании анализируемых соединений и переход к тандемной масс -спектрометрии (ВЭЖХ-МС/МС) позволяют повысить эффективность анализа.

Тем не менее, удерживание многих азотсодержащих гетероциклов на настоящий момент недостаточно изучено, особенно при адсорбции на углеродных материалах, таких как пористый графитированный углерод (ПГУ) и графитированная термическая сажа (ГТС). Углеродные сорбенты перспективны при определении изомерных гетероциклов, но для разработки селективной методики необходимо понимание процессов, происходящих в системе «сорбат-сорбент». В последние годы для этого применяются методы вычислительной химии с моделированием адсорбции на различных неподвижных фазах. В частности, графен является удобным модельным материалом для моделирования таких процессов, который позволяет оценивать сорбционные явления без привлечения больших вычислительных мощностей.

Расчетные данные могут быть применены для трактовки экспериментальных результатов, однако, такой подход для моделирования и описания удерживания в хроматографической системе в литературе встречается редко, особенно для азотсодержащих гетероциклов. Поскольку для некоторых азотсодержащих гетероциклов, согласно литературным данным, ранее не удавалось объяснить наблюдаемые эффекты удерживания, модельные расчеты могут применяться для решения этой проблемы.

Цель и задачи исследования

Целью работы стал анализ токсичных изомерных азотсодержащих гетероциклических соединений в составе продуктов трансформации НДМГ и гербицидов в условиях ВЭЖХ-МС высокого разрешения и адсорбции на различных неподвижных фазах с применением квантово-химического и

молекулярно-статистического подходов. Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:

1. Изучить адсорбцию на графене некоторых изомерных диазинов и азолов с помощью квантово-химических подходов для объяснения их удерживания на углеродных неподвижных фазах.

2. Определить особенности удерживания триазиновых гербицидов на различных неподвижных фазах с применением ВЭЖХ и молекулярно-статистических расчетов.

3. Определить особенности удерживания и ионизации азотсодержащих гетероциклических соединений, являющихся продуктами трансформации НДМГ для последующей разработки методик их определения в условиях ВЭЖХ -МС.

4. Провести анализ реальной смеси продуктов трансформации НДМГ методами ВЭЖХ-МС и ВЭЖХ-МС/МС высокого разрешения с целью обнаружения известных и ранее не изученных изомерных азотсодержащих гетероциклических соединений.

Научная новизна:

1. С помощью квантово-химического моделирования впервые описаны основные взаимодействия при адсорбции изомерных диазинов и азолов на графене и даны объяснения наблюдаемых эффектов удерживания.

2. Разработана методика разделения триазиновых гербицидов на поверхности пористого графитированного углерода в условиях ВЭЖХ и объяснены особенности их удерживания с применением молекулярно -статистических расчетов.

3. Разработаны методики определения и проведена сравнительная характеристика удерживания азотсодержащих гетероциклических соединений в обращенно-фазовой и гидрофильной ВЭЖХ-МС. Для этих соединений впервые изучено влияние модификаторов подвижной фазы на характер адсорбции и ионизации в режиме электрораспыления.

4. В условиях ВЭЖХ-МС и ВЭЖХ-МС/МС высокого разрешения

определены брутто-формулы для 28 компонентов реальной смеси продуктов трансформации НДМГ, и восемь из них описаны впервые. Собран набор двумерных масс-спектров высокого разрешения, которые могут быть использованы для идентификации.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы заключается в определении характеристик удерживания азотсодержащих гетероциклических соединений на различных неподвижных фазах с применением экспериментальных и расчетных подходов.

Практическая значимость работы заключается в разработке новых методик, сочетающих в себе возможности хромато-масс-спектрометрии и вычислительной химии для решения задач целевого и нецелевого анализа сложных смесей.

Методология и методы исследования

Основными методами исследования в работе были высокоэффективная жидкостная хроматография с ультрафиолетовым детектированием и масс-спектрометрией высокого разрешения, молекулярно-статистическое моделирование и теория функционала плотности. Обработка результатов лабораторных исследований проводилась с использованием программного обеспечения Compass DataAnalysis (Bruker Daltonics, Германия). Для вычислений по теории функционала плотности использовалось открытое программное обеспечение CP2K и Multiwfn. Для визуализации результатов квантово-химических расчетов применялось открытое программное обеспечение Avogadro, VESTA и GaussView. Молекулярно-статистические расчеты проводились с применением программного обеспечения, разработанного в лаборатории физико-химических основ хроматографии и хромато-масс-спектрометрии ИФХЭ РАН им. Фрумкина.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты квантово-химических расчетов по определению основных взаимодействий, влияющих на удерживание изомерных диазинов и азолов на графене.

2. Применение ВЭЖХ и молекулярно-статистических расчетов для объяснения селективного разделения триазиновых гербицидов на пористом графитированном углероде.

3. Характеристики удерживания и ионизации азотсодержащих гетероциклов - продуктов трансформации НДМГ и их производных - и методики их определения в условиях обращенно-фазовой и гидрофильной ВЭЖХ-МС.

4. Результаты определения основных компонентов смеси продуктов трансформации НДМГ и их фрагментации в условиях ВЭЖХ -МС/МС высокого разрешения.

Степень достоверности и апробация результатов

Научные результаты выполненной работы обладают высокой степенью достоверности, что обеспечивается использованием разнообразных современных инструментов, способов и приемов научного исследования, а также сопоставлением с теоретическими и экспериментальными результатами других работ.

Результаты оформлены в виде рецензируемых научных статей, получивших оценку специалистов в области физической химии. Результаты работы прошли апробацию на научных конференциях и опубликованы в высокорейтинговых журналах, рекомендованных ВАК РФ.

В 2021 году работа удостоилась премии имени академика РАН Б.В. Дерягина на XVI конференции молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭ РАН «Физикохимия - 2021» (Москва, 2021). В 2022 году работа удостоилась премии имени академика РАН П.А. Ребиндера на XVII конференции молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭ РАН «Физикохимия - 2022» (Москва, 2022). В 2023 году работа заняла II место на Конкурсе научных работ молодых ученых по хроматографии имени М.С. Цвета. В 2024 году работа заняла III место на Конкурсе научных работ молодых ученых по хроматографии имени М.С. Цвета.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XVI конференции молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭ РАН «Физикохимия - 2021» (Москва, 2021 г.), XVII конференции молодых ученых, аспирантов и

студентов ИФХЭ РАН «Физикохимия - 2022» (Москва, 2022 г.), Всероссийской конференции и школе молодых ученых «Физико -химические методы в междисциплинарных экологических исследованиях» (Севастополь, 2023 г.), XXII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (федеральная территория «Сириус», 2024 г.), XIII Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика-2025» (Санкт-Петербург, 2025 г.).

Работа выполнена в лаборатории физико-химических основ хроматографии и хромато-масс-спектрометрии Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН в течение 2021 - 2024 гг.

По материалам диссертации опубликовано 6 публикаций в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК, и 5 тезисов докладов конференций:

1. Grinevich, O. I. Diazines on graphene: adsorption, structural variances and electronic states / O. I. Grinevich, V. V. Volkov, A. K. Buryak // Physical Chemistry Chemical Physics. - 2022. - Т. 24. - № 48. - С. 29712-29720. Q1 (WoS)

2. Sholokhova, A. Y. Machine learning-assisted non-target analysis of a highly complex mixture of possible toxic unsymmetrical dimethylhydrazine transformation products with chromatography-mass spectrometry / A. Y. Sholokhova, O. I. Grinevich, D. D. Matyushin, A. K. Buryak // Chemosphere. - 2022. - Т. 307. - С. 135764. Q1 (Scopus)

3. Grinevich, O. I. Abnormal retention of s-triazine herbicides on porous graphitic carbon / O. Grinevich, Z. Khesina, A. Buryak // Reviews in Analytical Chemistry. - 2022. - Т. 41. - № 1. - С. 1-9. Q1 (WoS)

4. Sholokhova, A. Y. Intelligent workflow and software for non-target analysis of complex samples using a mixture of toxic transformation products of unsymmetrical dimethylhydrazine as an example / A. Y. Sholokhova, D. D. Matyushin, O. I. Grinevich, S. A. Borovikova, A. K. Buryak. // Molecules. - 2023. - Т. 28. - № 8. - С. 3409. Q2 (WoS)

5. Гриневич, О. И. Теоретическое исследование адсорбции некоторых азолов на поверхности графена / О. И. Гриневич, А. К. Буряк // Журнал физической химии. - 2024. - Т. 98. - № 1. - С. 153-158. Q4 (WoS)

6. Гриневич, О. И. Особенности удерживания азотсодержащих гетероциклических соединений в режимах обращенно-фазовой и гидрофильной ВЭЖХ-МС / О. И. Гриневич, А. Ю. Шолохова, Д. Д. Матюшин // Сорбционные и хроматографические процессы. - 2024. - Т. 24. - № 3. - С. 373-385. Q4 (Scopus)

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация изложена на 171 странице, содержит 16 таблиц, 52 рисунка, состоит из введения, заключения, 3 глав, списка цитируемой литературы, включающего 237 источников, и приложения.

Личный вклад автора

Автором с учетом рекомендаций научного руководителя сформулированы проблемы, поставлены цель и задачи, выбраны методы и объекты исследования. Автором выполнены работы по анализу теоретического материала по теме исследования, изучению методик, проведению лабораторных и вычислительных экспериментов, а также обобщены и интерпретированы полученные результаты, подготовлены публикации по результатам выполненной работы. Экспериментальные и расчетные данные, представленные в диссертации, получены лично автором и опубликованы в соавторстве с научным руководителем и сотрудниками, работавшими совместно с автором в процессе выполнения исследований.

Благодарности. Автор выражает благодарность за помощь, поддержку и ценные советы при подготовке диссертационной работы всем коллегам, принимавшим участие в исследовании. Автор выражает искреннюю признательность зав. лаборатории «умных» методов химического анализа, к.х.н. Шолоховой А.Ю., и Матюшину Д.Д. за ценные советы и помощь в проведении экспериментов. Особую благодарность автор выражает Волкову В.В. за помощь в проведении квантово-химических расчетов.

Диссертационная работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (соглашение о предоставлении гранта № 075-15-2024-534).

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Хромато-масс-спектрометрия и ее применение к азотсодержащим

соединениям

1.1.1 Методология хроматографического процесса: ключевые

особенности

Хроматография - физико-химический метод разделения веществ, основанный на различии во временах удерживания анализируемых соединений неподвижной фазой (стационарной фазой, сорбентом), через которую протекает подвижная фаза (элюент) - газ или жидкость, которая осуществляет перенос веществ через хроматографическую колонку или пластину. В зависимости от природы анализируемого соединения, сорбента, подвижной фазы и условий проведения хроматографического процесса компоненты смеси разделяются за счет разного времени пребывания в подвижной и неподвижной фазах.

Из всего многообразия хроматографических методов, существующих на текущий момент, можно выделить два важнейших: газовую хроматографию, в которой подвижной фазой является газ, и жидкостную, где подвижной фазой является жидкость. В режиме газовой хроматографии (ГХ) исследуются только летучие вещества, или те, что могут быть испарены при нагревании без разложения или переведены в летучие производные (дериватизированы). В то же время для жидкостной хроматографии таких строгих условий нет - достаточно, чтобы образец был растворим в каком-либо растворителе - это достижимо практически для всех органических и неорганических молекул, кроме сшитых полимеров [1].

В последние десятилетия активное развитие получила двумерная газовая хроматография - ГХ-ГХ, которая позволяет улучшить разделение в сложных смесях за счет наличия двух последовательно соединенных неподвижных фаз, первая из которых, как правило, является неполярной, другая - полярной. Важным элементом любой ГХ-ГХ системы является модулятор, который позволяет аккумулировать выходящий из первой колонки поток вещества и переносить во

вторую с заданной частотой. Возможности ГХ-ГХ в сфере разделения летучих веществ разной полярности в рамках одной комплексной хроматографической системы нашли свое применение во всех отраслях, где применяется одномерная ГХ [2,3].

В 70-е годы прошлого столетия стала активно развиваться ВЭЖХ -высокоэффективная жидкостная хроматография (high-performance liquid chromatography, HPLC), которая по своей сути является жидкостной хроматографией высокого давления (high-pressure liquid chromatography) [4]. На настоящий момент ВЭЖХ является ведущим инструментальным методом, который по темпам своего развития и широте применения опередил даже газовую хроматографию. Процесс разделения компонентов анализируемой смеси в ВЭЖХ протекает в колонках, заполненных твердым сорбентом с размером зерен, как правило, 3-10 мкм, что позволяет добиваться высокой эффективности при быстром массопереносе [5]. Подвижная фаза в ВЭЖХ, в отличие от ГХ, не только осуществляет перенос молекул по колонке, но и влияет на константу равновесия многократно повторяющихся процессов сорбции-десорбции на поверхности неподвижной фазы и при сольватации самих разделяемых соединений - сорбатов. Природа подвижной фазы, таким образом, имеет такое же большое значение, как и природа сорбента. Наиболее широко применимы следующие варианты ВЭЖХ:

1. Ситовая (эксклюзионная) - разделение происходит за счет разности в размерах молекул при прохождении через слой сорбента.

2. Адсорбционная - разделение определяется адсорбируемой способностью молекул. Здесь выделяют два режима:

2.1. Нормально-фазовая (НФ ВЭЖХ): сорбент с полярной (гидрофильной) поверхностью и органические неполярные растворители в качестве подвижной фазы. Полярные молекулы элюируются позже неполярных.

2.2. Обращенно-фазовая (ОФ ВЭЖХ): сорбент с неполярной (гидрофобной) поверхностью (обычно используется силикагель с химически привитыми С18-группами - октадецилсиликагель (ОДС)) и водные или водно-

органические системы в качестве подвижной фазы. Неполярные молекулы элюируются позже полярных.

3. Ионообменная и ионная - разделение осуществляется за счет разницы в способности к обмену ионами с сорбентами - ионообменниками [4, 6].

На настоящий момент существует свыше двадцати разновидностей ВЭЖХ, в каждой из которых разделение на неподвижной фазе происходит согласно собственному механизму удерживания по мере установления равновесия между подвижной и неподвижной фазами.

Ключевым параметром при проведении хроматографического процесса в целом является селективность неподвижной фазы по отношению к анализируемым веществам, т.е. удовлетворительное разделение компонентов в хроматографической системе, достигнутое за оптимальное время анализа [7]. Подбор хроматографических параметров для решения проблемы разделения все чаще проводится с помощью вычислительных методов, которые позволяют сократить количество проводимых экспериментов. Традиционно оптимизация ВЭЖХ метода проводится с применением регрессионных моделей, также известных как QSRR и QSPR модели («структура-удерживание» и «структура-свойство»), в которых удерживание линейно зависит от совокупности параметров (дескрипторов) анализируемого вещества и/или подвижной фазы, полученных экспериментально или теоретически рассчитанных [8-13]. Подобные модели используются для установления взаимосвязи между структурой соединения и характером его взаимодействия с неподвижной и подвижной фазами, что позволяет улучшить разделение. В последние годы для оптимизации и предсказания удерживания в ВЭЖХ стали применяться методы машинного обучения [14-16], которые позволяют достичь большей точности по сравнению с линейными регрессионными моделями, в том числе при анализе биологически активных азотсодержащих гетероциклов в режимах градиентного элюирования [17].

Более детальное понимание механизма удерживания может быть достигнуто при оценке сольватационных эффектов. Несмотря на общепринятую трактовку удерживания в ОФ ВЭЖХ по теории Хорвата [18], согласно которой гидрофобное

выталкивание из водно-органической подвижной фазы является определяющим фактором, она не всегда позволяет объяснить наблюдаемые результаты. Исследования, проведенные методом спектроскопии комбинационного рассеяния для водно-ацетонитрильных смесей, показали высокую склонность молекул ацетонитрила и воды к образованию сложных ассоциатов, и изменение состава подвижной фазы будет приводить к изменению сорбционных свойств неподвижной фазы [19]. Водно-органические смеси имеют микрогетерогенность структуры, поэтому, несмотря на наличие в регрессионных моделях дескрипторов, связанных с когезией элюента, его поляризуемостью и склонностью в образовании водородных связей, они не учитывают реальную нелинейную зависимость удерживания от свойств подвижной фазы [20]. Характеристики, относящиеся к элюенту, такие как элюирующая сила и полярность, выраженная через диэлектрическую проницаемость, носят, как правило, эмпирический характер. Детальное изучение сольватных оболочек малых молекул, образующихся при сорбции на ОДС из водно-ацетонитрильных смесей, показало их анизотропию, и размеры водных и органических сольватных оболочек во многом зависят не только от строения анализируемой молекулы, но и от содержания органического модификатора. Предполагается, что степень образования водородных связей в подвижной фазе может связать микрогетерогенность водно-ацетонитрильных смесей с их элюирующей силой в ВЭЖХ [21].

Возможности двумерной хроматографии реализованы и в случае ВЭЖХ. Существует множество работ, посвященных не только использованию колонок с разной полярностью в рамках ОФ ВЭЖХ, но и осуществлению сразу нескольких режимов ВЭЖХ (например, НФ ВЭЖХ разделение на первой неподвижной фазе и ОФ ВЭЖХ разделение на второй). Соответственно, каждая из составляющих систем имеет свои элементы регулирования состава подвижной фазы и скорости ее протекания через сорбент. Двумерная ВЭЖХ является перспективным инструментом при разделении сложных матриц в метаболомике, протеомике и фармацевтической промышленности, где применение одномерной ВЭЖХ не дает удовлетворительных результатов [22, 23].

Не менее важным элементом любой ВЭЖХ системы является детектор, который отвечает за превращение физического или химического свойства в измеряемый сигнал, связанный определенной зависимостью с качественной или количественной характеристикой вещества. В настоящее время регистрация хроматографического сигнала в ВЭЖХ осуществляется с применением различных детекторов: спектрофотометрический, рефрактометрический, флуоресцентный, электрохимический и др. [6]. Поскольку большое количество органических соединений поглощают электромагнитное излучение в видимом и ближнем ультрафиолетовом диапазоне (190-600 нм), ультрафиолетовое и диодно-матричное детектирование являются универсальными в ВЭЖХ. Подобные детекторы обладают достаточно высокой селективностью и чувствительностью (до 10-12 г), однако не подходят для идентификации ионов и молекул, не содержащих в составе хромоформные группы. Электрохимические детекторы позволяют понизить порог чувствительности до 10-15 г для электропроводящих соединений, однако, при их использовании необходимо подавление фоновых сигналов подвижной фазы и применение усложненной конструкции хроматографической системы [24, 25].

1.1.2 Хромато-масс-спектрометрия как самостоятельный метод

исследования

В настоящее время масс-спектрометрия стала незаменимым инструментом исследования в химии, биохимии, фармацевтической промышленности и медицине [26]. Кроме того, масс-спектрометрия активно применяется в некоторых областях физики, геологии, космохимии, материаловедении и других отраслях науки и техники ввиду высокой точности и чувствительности метода [27]. Основной принцип масс-спектрометрии заключается в ионизации неорганических и органических соединений с помощью подходящего метода и дальнейшем разделении полученных ионов согласно отношению массы иона к заряду (m/z) для качественного и количественного определения на основе полученного масс-спектра - спектрограммы, или таблицы зависимости интенсивности сигнала по отношению к m/z [26].

Ионизация образца является важнейшим этапом в масс-спектрометрии, и выбор подходящего способа ионизации зависит, как правило, от природы изучаемых соединений и цели исследования. Существует множество режимов ионизации как атомов, так и молекул из газовой, жидкой или твердой фазы, и каждый из подходов имеет свои инструментальные особенности, преимущества и ограничения. Так, метод ионизации электронами (ИЭ) является ведущим при анализе летучих органических соединений, однако он не применим для термически лабильных соединений, и, кроме того, из-за фрагментации соединения иногда затруднено определение его молекулярной массы.

В таком случае более пригодны так называемые «мягкие» методы ионизации, при которых не происходит разрушения исходной молекулярной структуры. Это химическая ионизация, происходящая за счет взаимодействия нейтральной молекулы аналита с ионами газа-реагента; полевая ионизация и полевая десорбция; ионизация электрораспылением (ИЭР), известная также как ионизация электроспреем и протекающая в жидкой фазе; метод матрично-активированной лазерной десорбции-ионизации (МАЛДИ), один из ведущих методов ионизации в твердой фазе и позволяющий анализировать полимерные структуры, в том числе биологического происхождения, при использовании специального соединения -матрицы в процессе ионизации импульсным лазерным облучением.

Практически все методы ионизации в газовой и твердой фазе требуют применения систем высокого и сверхвысокого вакуума, в то время как для ионизации из жидкой фазы он не требуется. Соответственно, имеются методы химической и фотоионизации при атмосферном давлении, которые, как и ИЭР, используются при стыковке масс-спектрометра с жидкостным хроматографом. Главным недостатком всех вышеперечисленных методов является необходимость проведения специальной пробоподготовки и громоздкость приборного оснащения. В связи с этим, в настоящее время активно развиваются методы масс-спектрометрии с ионизацией на воздухе, т.е. без специального ионного источника, такие как десорбционная электрораспылительная ионизация [26-29].

С появлением возможности стыковки хроматографа и масс-спектрометра был создан новый метод - хромато-масс-спектрометрия, в котором возможности хроматографии, заключающиеся в разделении сложных смесей по различным механизмам взаимодействия с неподвижной фазой, соединены с высокой селективностью и чувствительностью масс-спектрометрии. Газовая хроматография, а затем и жидкостная хроматография в сочетании с масс -спектрометрическим детектированием (ГХ-МС и ВЭЖХ-МС, соответственно) на настоящий момент являются ведущими методами во множестве отраслей науки и техники [29, 30]. Масс-спектрометрическое детектирование позволило решить проблему идентификации совместно элюируемых компонентов в сложных смесях, в то время как хроматография позволяет разделять изомерные соединения, имеющие близкие масс-спектры.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гриневич Оксана Игоревна, 2025 год

- С. 21.

183. Tsendra, O. Adsorption of Nitrogen-Containing Compounds on the (100) a-Quartz Surface: Ab Initio Cluster Approach / O. Tsendra, A.M. Scott, L. Gorb et al. // The Journal of Physical Chemistry C. - 2014. - T. 118. - № 6. - C. 3023-3034.

184. Sviatenko, L.K. Structure and Redox Properties of 5-Amino-3-nitro-1 H -1,2,4-triazole (ANTA) Adsorbed on a Silica Surface: A DFT M05 Computational Study / L.K. Sviatenko, L. Gorb, F.C. Hill et al. // The Journal of Physical Chemistry A. - 2015.

- T. 119. - № 29. - C. 8139-8145.

185. Tsendra, O. Adsorption of nitrogen-containing compounds on hydroxylated a-quartz surfaces / O. Tsendra, A.D. Boese, O. Isayev et al. // RSC Advances. - 2019. -T. 9. - № 62. - C. 36066-36074.

186. Jung, S.C. Adsorption structure of pyrazine on Si(100): Density-functional calculations / S.C. Jung, M.H. Kang // Physical Review B—Condensed Matter and Materials Physics. - 2009. - T. 80. - № 23. - C. 235312.

187. Petrushenko, I.K. Physical adsorption of N-containing heterocycles on graphene-like boron nitride-carbon heterostructures: A DFT study / I.K. Petrushenko, K.B. Petrushenko // Computational and Theoretical Chemistry. - 2017. - T. 1117. - C. 162-168.

188. Saha, B. Density Functional Study on the Adsorption of 5-Membered N-Heterocycles on B/N/BN-Doped Graphene: Coronene as a Model System / B. Saha, C.Kr. Bhattacharyya // ACS Omega. - 2018. - T. 3. - № 12. - C. 16753-16768.

189. Scott, A.M. Toward accurate and efficient predictions of entropy and gibbs free energy of adsorption of high nitrogen compounds on carbonaceous materials / A.M. Scott, L. Gorb, E.A. Burns et al. // Journal of Physical Chemistry C. - 2014. - T. 118. -№ 9. - C. 4774-4783.

190. Sheena Mary, Y. Understanding reactivity of a triazole derivative and its interaction with graphene and doped/undoped-coronene—a DFT study / Y. Sheena Mary, Y. Shyma Mary, S. Armakovic et al. // Journal of Biomolecular Structure and Dynamics.

- 2022. - T. 40. - № 5. - C. 2316-2326.

191. Kumar, V.S. Conformational analysis and quantum descriptors of two new imidazole derivatives by experimental, DFT, AIM, molecular docking studies and

adsorption activity on graphene / V.S. Kumar, Y.S. Mary, K. Pradhan et al. // Heliyon. -2020. - Т. 6. - № 10. - С. e05182.

192. Wuest, J.D. Strong adsorption of aminotriazines on graphene / J.D. Wuest, A. Rochefort // Chemical Communications. - 2010. - Т. 46. - № 17. - С. 2923.

193. Voloshina, E.N. Theoretical study on the adsorption of pyridine derivatives on graphene / E.N. Voloshina, D. Mollenhauer, L. Chiappisi et al. // Chemical Physics Letters. - 2011. - Т. 510. - № 4-6. - С. 220-223.

194. Kim, S. PubChem 2023 update / S. Kim, J. Chen, T. Cheng et al. // Nucleic Acids Research. - 2023. - Т. 51. - № D1. - С. D1373-D1380.

195. Kaiser, R. (Total) retention time or adjusted retention time? / R. Kaiser // Chromatographia. - 1969. - Т. 2. - С. 125-138.

196. Polunin, K.E. Interaction of S,N-Derivatives of Alkylhydrazines with Carbon Sorbents / K.E. Polunin, D.D. Matyushin, A.V. Ul'yanov et al. // Colloid Journal. - 2019. - Т. 81. - № 4. - С. 431-438.

197. Kuznetsova, E.S. Experimental and theoretical investigation of amino acids dimers and associates adsorption on carbon surface / E.S. Kuznetsova, A.K. Buryak // Colloids and surfaces A: physicochemical and engineering aspects. - 2011. - Т. 383. -№ 1-3. - С. 73-79.

198. Milyushkin, A.L. A peculiar chromatographic selectivity of porous graphitic carbon during the separation of dileucine isomers / A.L. Milyushkin, D.D. Matyushin, A.K. Buryak // Journal of Chromatography A. - 2020. - Т. 1613. - С. 460724.

199. Авгуль, Н.Н. Адсорбция газов и паров на однородных поверхностях /

H.Н. Авгуль, А.В. Киселев, Д.П. Пошкус - Москва: Химия, 1975. - 384 с.

200. Matyushin, D.D. A Comparative Study of Adsorption of Isomeric Molecules on Carbon Sorbents from a Gas and a Liquid / D.D. Matyushin, A.N. Ukleina, A.K. Buryak // Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. - 2020. - Т. 56. - №

I. - С. 38-43.

201. Matyushin, D.D. Simulation of the Adsorption of Polychlorinated Aromatic Hydrocarbons on Graphitized Thermal Carbon Black for Predicting Chromatographic

Retention Values / D.D. Matyushin, A.K. Buryak // Journal of Analytical Chemistry. -2019. - T. 74. - № S1. - C. 47-51.

202. Wang, J. Development and testing of a general amber force field / J. Wang, R.M. Wolf, J.W. Caldwell et al. // Journal of computational chemistry. - 2004. - T. 25. -№ 9. - C. 1157-1174.

203. Mackay, D.J.C. Introduction to Monte Carlo Methods / D.J.C. Mackay // Learning in Graphical Models. - Dordrecht: Springer Netherlands, 1998. - C. 175-204.

204. Kühne, T.D. CP2K: An electronic structure and molecular dynamics software package -Quickstep: Efficient and accurate electronic structure calculations / T.D. Kühne, M. Iannuzzi, M. Del Ben et al. // Journal of Chemical Physics. - 2020. - T. 152. - № 19. - C. 194103.

205. VandeVondele, J. Quickstep: Fast and accurate density functional calculations using a mixed Gaussian and plane waves approach / J. VandeVondele, M. Krack, F. Mohamed et al. // Computer Physics Communications. - 2005. - T. 167. - № 2. - C. 103-128.

206. Grimme, S. A consistent and accurate ab initio parametrization of density functional dispersion correction (DFT-D) for the 94 elements H-Pu / S. Grimme, J. Antony, S. Ehrlich et al. // The Journal of Chemical Physics. - 2010. - T. 132. - № 15. -C.154104.

207. VandeVondele, J. Gaussian basis sets for accurate calculations on molecular systems in gas and condensed phases / J. VandeVondele, J. Hutter // Journal of Chemical Physics. - 2007. - T. 127. - № 11. - C. 114105.

208. Goedecker, S. Separable dual-space Gaussian pseudopotentials / S. Goedecker, M. Teter, J. Hutter // Physical Review B. - 1996. - T. 54. - № 3. - C. 17031710.

209. Mulliken, R.S. Electronic population analysis on LCAO-MO molecular wave functions. I / R.S. Mulliken // The Journal of Chemical Physics. - 1955. - T. 23. -№ 10. - C. 1833-1840.

210. Lu, Tian. Multiwfn: A multifunctional wavefunction analyzer / T. Lu, F. Chen // Journal of Computational Chemistry. - 2012. - T. 33. - C. 580-592.

211. Lu, Tian. A comprehensive electron wavefunction analysis toolbox for chemists, Multiwfn / T. Lu // The Journal of Chemical Physics. - 2024. - Т. 161. - С. 082503.

212. Bussi, G. Canonical sampling through velocity rescaling / G. Bussi, D. Donadio, M. Parrinello // The Journal of Chemical Physics. - 2007. - Т. 126. - № 1. - С. 014101.

213. Nose, S. A unified formulation of the constant temperature molecular dynamics methods / S. Nose // The Journal of Chemical Physics. - 1984. - Т. 81. - № 1.

- С. 511-519.

214. Momma, K. VESTA 3 for three-dimensional visualization of crystal, volumetric and morphology data / K. Momma, F. Izumi // Journal of Applied Crystallography. - 2011. - Т. 44. - С. 1272-1276.

215. Ershova, O.V. Study of polycyclic aromatic hydrocarbons adsorbed on graphene using density functional theory with empirical dispersion correction / O.V. Ershova, T.C. Lillestolen, E. Bichoutskaia // Physical Chemistry Chemical Physics. -2010. - Т. 12. - № 24. - С. 6483.

216. Vailaya, A. Retention in reversed-phase chromatography: partition or adsorption? / A. Vailaya, C. Horvath // Journal of Chromatography A. - 1998. - Т. 829.

- № 1-2. - С. 1-27.

217. Кузнецова, Е.С. Влияние химии поверхности углеродных сорбентов на ВЭЖХ и масс-спектрометрический анализ аминокислот / Е.С. Кузнецова, А.К. Буряк // Физикохимия поверхности и защита материалов. - 2011. - Т. 47. - № 6. -С.586-593.

218. Wan, Q.H. Chromatographic behaviour of positional isomers on porous graphitic carbon / Q.H. Wan, P.N. Shaw, M.C. Davies et al. // Journal of Chromatography A. - 1995. - Т. 697. - № 1-2. - С. 219-227.

219. Xu, S. The phase behavior of n-ethylpyridinium tetrafluoroborate and sodium-based salts ATPS and its application in 2-chlorophenol extraction / S. Xu, Q. Zhu, S. Xu et al. // Chinese Journal of Chemical Engineering. - 2021. - Т. 33. - С. 76-82.

220. Weber, J.B. Mechanisms of adsorption of s-triazines by clay colloids and factors affecting plant availability / J.B. Weber // Single Pesticide Volume: The Triazine Herbicides. - New York, NY: Springer New York, 1970. - C. 93-130.

221. Ahmad, S. Investigation of the Persistence, Toxicological Effects, and Ecological Issues of S-Triazine Herbicides and Their Biodegradation Using Emerging Technologies: A Review / S. Ahmad, M. Chandrasekaran, H.W. Ahmad // Microorganisms. - 2023. - T. 11. - № 10. - C. 2558.

222. Xing, J. Liquid chromatographic analysis of nucleosides and their mono-, di-and triphosphates using porous graphitic carbon stationary phase coupled with electrospray mass spectrometry / J. Xing, A. Apedo, A. Tymiak // Rapid Communications in Mass Spectrometry. - 2004. - T. 18. - № 14. - C. 1599-1606.

223. Dupas, S. Long-Term Monitoring of Pesticides and Polar Transformation Products in Ground Water Using Automated Online Trace-Enrichment and Liquid Chromatography with Diode Array Detection / S. Dupas, S. Guenu, V. Pichon et al. // International journal of environmental analytical chemistry. - 1996. - T. 65. - № 1-4. -C. 53-68.

224. Tanaka, N. Stationary phase effects in reversed-phase liquid chromatography / N. Tanaka, K. Kimata, K. Hosoya et al. // Journal of Chromatography A. - 1993. - T. 656. - № 1-2. - C. 265-287.

225. Prasanna, S. Topological Polar Surface Area: A Useful Descriptor in 2D-QSAR / S. Prasanna, R.J. Doerksen // Current medicinal chemistry. - 2009. - T. 16. - № 1. - C. 21-41.

226. West, C. Porous graphitic carbon: A versatile stationary phase for liquid chromatography / C. West, C. Elfakir, M. Lafosse // Journal of Chromatography A. -2010. - T. 1217. - № 19. - C. 3201-3216.

227. Shittu, I. Development of novel surfactant functionalized porous graphitic carbon as an efficient adsorbent for the removal of methylene blue dye from aqueous solutions / I. Shittu, A.A. Edathil, A. Alsaeedi et al. // Journal of Water Process Engineering. - 2019. - T. 28. - C. 69-81.

228. Makarov, A. Liophilic Mobile Phase Additives in Reversed Phase HPLC / A. Makarov, R. LoBrutto, Y. Kazakevich // Journal of Liquid Chromatography & Related Technologies. - 2008. - Т. 31. - № 11-12. - С. 1533-1567.

229. Rao, R.N. LC-PDA and LC-ESI-MS separation and determination of process-related substances arising from stilbene-type fluorescent whitening agents. Application to monitoring of their photodegradation products in industrial effluents and aqueous environmental systems / R.N. Rao, N. Venkateswarlu, S. Khalid et al. // Journal of separation science. - 2005. - Т. 28. - № 5. - С. 443-452.

230. Jandera, P. Stationary and mobile phases in hydrophilic interaction chromatography: a review / P. Jandera // Analytica chimica acta. - 2011. - Т. 692. - № 1-2. - С. 1-25.

231. Nguyen, H.P. The advantages of ESI-MS detection in conjunction with HILIC mode separations: Fundamentals and applications / H.P. Nguyen, K.A. Schug // Journal of separation science. - 2008. - Т. 31. - № 9. - С. 1465-1480.

232. Greco, G. Main Interactions and Influences of the Chromatographic Parameters in HILIC Separations / G. Greco, T. Letzel // Journal of chromatographic science. - 2013. - Т. 51. - № 7. - С. 684-693.

233. Селеменев, В.Ф. Тонкослойная хроматография в анализе биологически активных веществ: монография / В.Ф. Селеменев, О.В. Тринеева, Т.В. Елисеева и др. - Воронеж: Научная книга, 2023. - 274 с.

234. Peng, L. Reversed-phase chiral HPLC and LC/MS analysis with tris(chloromethylphenylcarbamate) derivatives of cellulose and amylose as chiral stationary phases / L. Peng, S. Jayapalan, B. Chankvetadze et al. // Journal of Chromatography A. - 2010. - Т. 1217. - № 44. - С. 6942-6955.

235. Амелин, В.Г. Скрининг и определение пестицидов различных классов в природной воде без пробоподготовки методом ультра ВЭЖХ-квадруполь-времяпролетной масс-спектрометрии высокого разрешения / В.Г. Амелин, Д.С. Большаков, А.М. Андоралов // Журнал аналитической химии. - 2018. - Т. 73. - № 3. - С. 214-223.

236. Kosyakov, D.S. Effects of oxidant and catalyst on the transformation

products of rocket fuel 1,1-dimethylhydrazine in water and soil / D.S. Kosyakov, N.V. Ul'yanovskii, I.I. Pikovskoi et al. // Chemosphere. - 2019. - T. 228. - C. 335-344.

237. Kenessov, B. Transformation products of 1,1-dimethylhydrazine and their distribution in soils of fall places of rocket carriers in Central Kazakhstan / B Kenessov, M Alimzhanova, Y Sailaukhanuly et al. // Science of The Total Environment. - 2012. -T. 427-428. - C. 78-85.