Мало кто из людей задумывается, что такое аналитика и для чего она нужна. На самом деле, как это ни покажется странным, она очень нужна практически всем и каждому. Давняя шутка, что аналитика решает всего два вопроса — что и сколько, образно описывает задачи, стоящие перед самыми разными аналитическими методами и методиками.
Фото: UIG / ТАСС
Фото: UIG / ТАСС
Аналитика (в узком научном понимании слова) определяет состав веществ и материалов, то есть какие элементы и молекулы и в каком количестве входят в образец. Практически во всех сферах человеческой деятельности аналитика помогает в решении важных задач: контроль качества материалов и изделий, контроль состояния окружающей среды, продуктов питания, состояния здоровья людей и животных, состава медицинских препаратов, атрибуция артефактов и т. д.
Существует большое количество самых разных аналитических методов. Один из наиболее востребованных — масс-спектрометрия (МС). Она основана на ионизации тем или иным способом образца (твердого, жидкого или газообразного) с последующим детектированием образовавшихся ионов. По идеологии и инструментальной базе различаются методы элементной масс-спектрометрии (ЭМС) и методы молекулярной масс-спектрометрии (ММС). Несомненным лидером в семействе ЭМС является масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой — ИСП-МС.
ИСП-МС обладает самой высокой чувствительностью при определении примесей в разнообразных материалах, может одновременно определять широкий набор элементов периодической таблицы, может анализировать большое число элементов из малого объема пробы (до десятков микролитров). ИСП-МС активно используется на предприятиях, выпускающих металлы и сплавы высокого качества, как для контроля самого процесса производства, так и для сертификации конечной продукции. Достаточно сказать, что без надежного аналитического сертификата стоимость конечной продукции уменьшается на порядки.
Исключительно важную роль этот метод играет при производстве полупроводниковых материалов, служащих основой элементов вычислительной техники, детекторов излучения, лазеров, датчиков, измерительных устройств, не говоря о бытовой технике. Размер элементарной логической ячейки в сверхчистом кремнии в мощных компьютерах последнего поколения составляет 13 нм, а актуальна задача перехода на размер ячеек 6 нм. Требуемая степень чистоты материала столь высока, что перед аналитическими методами стоит задача определения вредных примесей в кремнии на уровне одного примесного атома в окружении 10 в минус 14-й степени атомов основного элемента (то есть предел обнаружения порядка 10 в минус 13-й степени процентов!). Метод ИСП-МС единственный может обеспечить такую чувствительность при выполнении набора определенных условий.
Важную роль методы МС играют в геологии и геохимии. Химический состав пород дает необходимую информацию и о процессах формирования земной коры, и о содержании таких ценных элементов, как благородные металлы, редкоземельные и трансурановые элементы и др. Разведка новых полезных ископаемых и оценка экономической перспективы их разработки невозможны без МС-методов. Эти методы позволяют получать информацию не только об общем содержании элемента в породе, но и об изотопическом составе элемента. Измерение изотопических отношений элементов дает ценную информацию о возрасте породы и о процессах ее формирования.
Важный сегмент применения ЭМС — клинический анализ биологических материалов. Контроль состояния пациентов невозможен без информации о токсических и жизненно важных элементов в крови, моче, костных тканях, волосах. Интересно отметить, что одни и те же элементы в определенных концентрациях являются жизненно необходимыми человеку, а в больших концентрациях — ядовиты. Сейчас рутинных анализов в передовых зарубежных клиниках столько, что они выполняются методом ИСП-МС ввиду не только его высокой чувствительности, но и уникальной производительности. В аналитических лабораториях крупных клиник в США и Европе могут работать несколько ИСП-МС-приборов, анализировать сотни проб в смену, а высокая чувствительность ИСП-МС позволяет анализировать малые объемы пробы.
Если ЭМС определяет элементный состав образца, то задачей ММС является определение молекулярных составляющих. Периодическая система элементов содержит 92 элемента, находящихся в естественном состоянии в природе. Число молекулярных соединений превышает несколько сотен тысяч, что дает представление о разнообразии и сложности задач ММС. В разнообразных методах ММС используются другие, более «мягкие» способы ионизации, позволяющие не разрушать молекулы до атомарного состояния, как при ЭМС, а оставлять основу исходной молекулы или получать ее основные фрагменты.
Сложность структур молекул обуславливает значительно большую сложность молекулярных масс-спектров по сравнению со спектрами ЭМС. Расшифровка ММС-спектров, по которым делаются заключения о молекулярном составе образца, представляет большую сложность: не всегда удается однозначно определить такой состав. Исключительно плодотворным оказалась комбинация ММС с газовыми (ГХМС) или высокоэффективными жидкостными хроматографами (ВЭЖХМС). Такое объединение позволяет повысить надежность идентификации, поскольку хроматографическими методами удается разделить по времени приход в МС различных компонентов образца.
Методы ММС активно используются для контроля качества воздуха в больших городах и в зонах крупных предприятий. Списки экотоксикантов насчитывают уже тысячи соединений. Становится физически невозможно проводить регулярный мониторинг всех этих ксенобиотиков. Более того, каждый день в окружающей среде появляются все новые антропогенные соединения и продукты их трансформации. Эффективное решение проблемы — предварительный анализ на конкретном объекте (завод, озеро, город, регион). Результатом оказывается список приоритетных экотоксикантов для данного объекта. Именно они становятся целевыми объектами обнаружения для последующего мониторинга на регулярной основе.
При расшифровке масс-спектров сложных молекул, состоящих из многих более простых молекулярных фрагментов, используются так называемые библиотеки масс-спектров, полученных в результате лабораторных исследований простых молекул. Эти спектры хранятся в различных базах данных. Разработаны и используются также специальные программы, позволяющие расшифровывать сложные масс-спектры и, таким образом, проводить идентификацию новых, сложных экотоксикантов.
Описанные выше методы использования ММС основаны на непосредственном анализе воздуха. Существуют и другие способы контроля воздушной среды. Например, большие объемы воздуха прокачиваются через фильтры, на которых оседают аэрозольные частицы, затем эти фильтры растворяются в соответствующих реактивах и анализируются в лабораториях. Другим способом является периодический отбор снега в районе действующих предприятий. Снег — хороший накопитель воздушных аэрозолей, и его анализ дает ценную информацию о средних за период наблюдения концентрациях токсичных молекулярных примесей.