Способ идентификации спирта этилового и этанолсодержащих жидкостей

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.

Таблица 1 Микропримеси, характеризующие вид сырья, из которого изготовлен этиловый спирт
Классы соединений	ПИЩЕВОЙ	НЕПИЩЕВОЙ
	ЗЕРНО	ВИНОГРАД	СВЕКЛА	СИНТЕТИЧЕСКИЙ	ГИДРОЛИЗНЫЙ
Альдегиды	Насыщенные алифатические, бензальдегид	Насыщенные алифатические, бензальдегид		Кротоновый, ненасыщенные алифатические, пропеналь (акролеин)	Кротоновый альдегид
Кетоны	Замещенные ацетофеноны			Широкий набор диалкилкетонов с четным числом атомов углерода	Диацетил
Органические кислоты	Гомологический ряд карбоновых кислот	Гомологический ряд карбоновых кислот			-
Спирты	Нормальные алифатические	Нормальные алифатические, алкилфенолы, гераниол	Циклобутанол	Вторичные, третичные алифатические с четным числом атомов углерода	Содержание метанола на 1-2 порядка выше, чем в пищевом
Эфиры	Изобутиловые карбоновых кислот	Изоамиловые карбоновых кислот, этиловые стеариновой, дикарбоновых и фенилкарбоновых кислот		Диэтиловый эфир, отсутствие эфиров карбоновых кислот	Метилбензоат, диметиловый эфир
Полифункциональные	Алкилпиразины, алкоксиалкилфенолы, азот- и серусодержащие	Замещенные ацетали, замещенные фурфуролы, пировиноградная кислота	Нитропропан, пиридин, фенилсемикарбазид	Ароматические углеводороды, замещенные фурана	1,2,4-бутантриол

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.

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).