Поиск этих веществ по минимальным концентрациям может применяться для противодействия терроризму, распространению и хранению наркотиков. Чтобы определить состав соединений, часто используется масс-спектрометрический метод. С его помощью можно выяснить, что человек прикасался к определенному веществу, просто протерев его пальцы: снятых остатков материала будет достаточно для анализа. Для подобных исследований требуется дорогое наукоемкое оборудование. Сотрудники Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН разработали насадку на масс-спектрометр, позволяющую увеличить чувствительность метода.
«Суть масс-спектрометрии — в определении массы атомов или молекул по характеру перемещения ионов в электрическом и магнитном полях. Для того чтобы получить ион, регистрируемый детектором, нужно отнять или добавить электрон к нейтральному атому или молекуле исследуемого соединения. Этот процесс называется ионизацией и проводится по-разному. В случае анализа органических веществ (а исследуемые соединения относятся к этому классу. — Прим. ред.), которые нельзя перевести в газовую фазу без риска разложения, их подвергают электрораспылению или химической ионизации при атмосферном давлении», — объясняет научный сотрудник ИНХ СО РАН кандидат физико-математических наук Дмитрий Григорьевич Шевень.
Первый способ подразумевает, что вещество поступает на ионизацию в составе полярного растворителя, в котором присутствуют заряженные частицы (это может быть вода, спирт, ацетонитрил). Анализируемое соединение приобретает положительный либо отрицательный заряд благодаря прикрепившемуся к нему иону из растворителя, и далее, в зависимости от полярности источника электрораспыления, заряженная частица вещества может быть зарегистрирована детектором. Во втором случае полярный растворитель используется не всегда, вещество добавляется в жидкость, затем смесь испаряется при помощи нагретого газа, а ионизируется уже летучая фаза.
Однако для этих методов характерна высокая потеря заряженных частиц при входе в масс-спектрометр. Разработка сотрудников ИНХ СО РАН позволяет повысить количество ионов, попадающих в прибор, и избежать применения высоких напряжений для ионизации. Исследователи создали специальную насадку на масс-спектрометр, в которой происходит распыление капель, их зарядка и последующая очистка от растворителя до «голых» ионов за счет нагрева в капилляре насадки, через который происходит всасывание вещества в масс-спектрометр. Увеличить количество ионов ученым удалось благодаря использованию аэродинамического распада капель с помощью механизма «пузырь» в тот момент, когда заряженные частицы поступают в зону высокого вакуума. Для его создания нейтральные молекулы откачиваются из масс-спектрометра, вследствие этого возникает высокоскоростной поток газа, который и провоцирует распад капель.
Насадка на масс-спектрометр, созданная специалистами Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН
«Механизм “пузырь” заключается в том, что у любой заряженной капли ионы одного знака собираются преимущественно на границе раздела жидкость — газ, поскольку диполи (молекулы, у которых положительный и отрицательный заряды разнесены. — Прим. ред.) в капле ориентируются определенным образом. Когда она подвергается воздействию потока газа, то сначала становится плоской, затем в ней появляется углубление, а после капля превращается в пузырь, который лопается. Разрывается оболочка, и более мелкие фрагменты, образовавшиеся при распаде приповерхностной части пузыря, будут иметь положительный заряд, а более крупные, внутренние, — отрицательный», — объясняет Дмитрий Шевень.
Президентская программа исследовательских проектов Российского научного фонда «Проведение инициативных исследований молодыми учеными», в рамках которой ведется работа, рассчитана на два года. За первые шесть месяцев специалисты ИНХ СО РАН апробировали метод, юстировали систему ионизации при аэродинамическом распаде капель, смогли детектировать гексоген (взрывчатое вещество) и алкалоиды опия из раствора в концентрации 10-6 грамм на грамм.
«Во время дальнейшей работы мы хотим получить капли меньшей размерности, определить предел обнаружения исследуемых веществ как из чистых растворов, так и из грязных матриц (а именно такими и будут собираемые в реальных условиях образцы. — Прим. ред.). Сейчас для того, чтобы установить, есть ли взрывчатое или наркотическое вещество на поверхности, мы протираем ее салфеткой, помещаем в раствор и уже полученную жидкость отправляем на анализ в масс-спектрометр. В планах следующего года — сразу воздействовать на исследуемый объект ионизирующим спреем и вводить в капилляр прибора», — рассказывает Дмитрий Шевень.
