Органический след: возможности хромато-масс-спектрометрии
АЛЕКСЕЙ БЕСКЛЕТКО 14.11.2018
Задумывались ли вы, почему от одного яблока «хватает» живот, а второе — просто вкусное и полезное? Или почему от одного напитка болит голова, а от другого — нет? Аналогии можно продолжать бесконечно, но по сути все дело в каких-то условных 2-3% органических составляющих веществ, которые могут нарушить нормальный жизненный цикл у любого живого организма. Но что же становится причиной недомогания у тех же сельхозкультур? Давайте посмотрим на их «кардиограмму».
Предыдущий выпуск в рамках проекта «ДНК аграрной науки» был посвящен неорганике и ее выявлению в различных образцах сырья, в почве, готовых продуктах и т. п. с помощью элементного анализа. В этот раз мы отправляемся в лабораторию хромато-масс-спектрометрии (вам страшно? Нам — нет). Здесь установлено современное исследовательское оборудование от ведущих мировых производителей, которое редко встретишь в Украине. С его помощью можно выявлять органические соединения в разных матрицах, смесях, собственно, любой продукции.

Как используются результаты такого анализа в агросфере, рассказываем в деталях.
Лабораторная работа
Входя в лабораторию хромато-масс-спектрометрии, старший научный консультант «Института здоровья растений» Владимир Малиновский сразу уточняет, что их исследовательское оборудование может справиться с анализом на органические соединения самых разных образцов: фрукты, соки, части растений, почва и т. п.
«После предварительной обработки пробы анализировать здесь можно любой образец. Оборудование — американской компании Agilent Technologies. Этот производитель считается лучшим в сфере производства агрохимии и фарминдустрии — работает в данном направлении более 30 лет. Для этих инструментов есть огромные базы методик, применимых под разные образцы. С таким оборудованием при постановке внутренней или внешней задачи мы сможем намного быстрее и на более высоком уровне ее решить»
cтарший научный консультант «Института здоровья растений»
Лаборатория оснащена газовыми и жидкостными хроматографами (отсюда слово «хромато» в названии) с масс-спектрометрическими детекторами.
Начальник лаборатории хромато-масс-спектрометрии Александр Глущенко добавил, что здесь представлено оборудование двух типов: с моноквадрупольными и трехквадрупольными детекторами. Первый тип приборов позволяет увидеть все вещества, входящие в состав изучаемого образца, то есть провести качественный анализ, а второй — дает возможность производить количественный анализ и сфокусироваться на поиске конкретной составляющей в сложной смеси, даже если ее доля очень мала. Это особенно важно, когда нужно найти остаточные мизерные количества веществ, содержание которых может повлиять, например, на процессы жизнедеятельности растений. Скажем, нужно отследить последействие гербицида, использованного в прошлом сезоне.
«Содержание гербицида может быть крайне мало. И чтобы обнаружить его в сложной матрице, наше оборудование получает задачу игнорировать сигналы от других органических составляющих, а искать только конкретное вещество. Машина делает это путем сравнения с сигналами из библиотек стандартов, которыми для ускорения анализа и обработки данных оснащены наши приборы. Это база данных Национального института стандартов и технологий США 2017 года на 250 тыс. органических соединений»
Александр Глущенко
начальник лаборатории
Александр Глущенко (начальник лаборатории), Ольга Животенко (химик-аналитик),
Андрей Щепак (инженер-исследователь)

Специалисты лаборатории поясняют, что искомое органическое вещество точно идентифицируется по обнаружению трех сигналов, свойственных только этому веществу. Таким образом исключается ошибка обнаружения другого вещества с похожей молекулярной массой. Напомним, что в масс-спектрометрии основной характеристикой вещества является его молекулярная масса, масса заряженных ионов (катионов или анионов), которые образуются из исследуемого вещества. Молекулярная масса (простыми словами, масса одной молекулы), в свою очередь, напрямую связана с химической формулой. Поэтому мы и можем говорить конкретно о химическом веществе, переводить информацию, полученную прибором, в полезную информацию для пользователя.

Плюс современных хромато-масс-спектрометров еще и в том, что работа с ними ведется в полуавтоматическом режиме. Так, они оборудованы автосамплерами, благодаря чему на анализ можно загрузить сразу несколько проб, а дальше уже машины будут с образцами работать без участия оператора. Это с одной стороны значительно увеличивает производительность, с другой — сводит к минимуму возможные ошибки и позволяет гарантировать одинаковые условия проведения анализа.
Пробоподготовка
Чтобы на выходе получить отчет о содержании в анализируемом образце тех или иных органических соединений, прибор должен поработать с пробой. И как в случае с лабораторией элементного анализа, сотрудники лаборатории хромато-масс-спектрометрии первым делом занимаются подготовкой самой пробы. Важно, что для каждого типа анализируемого образца (сырья) есть свой процесс пробоподготовки.
Показать нам весь процесс хромато-масс-спектрометрии образца почвы согласилась химик-аналитик лаборатории Ольга Животенко. Сначала она провела взвешивание пробы и взяла так называемую навеску. После этого добавила специальные химические реагенты, которые способствуют экстракции анализируемого вещества. Далее образец поместили в центрифугу, чтобы отделить собственно почву от элюента. Именно этот экстракт после фильтрации и становится готовой пробой, которую уже можно помещать в машину для анализа.
Элюент
экстракт, в котором сосредоточены имеющиеся в почве органические составляющие
Время для анализа
Если подробно описывать процесс работы хроматографа (хоть жидкостного, хоть газового), то проба, попадая в машину для анализа, разрушается посредством энергетического удара на ионы, или ионы образуются за счет протонирования-депротонирования, присоединения других ионов и т. д. Зависит от типа анализа и от природы самого вещества.
Принцип хромато-масс-спектрометрии основан на том, что каждое вещество имеет свою природу. Именно эта природа и отражается в способности вещества образовывать различные ионы, общий заряд, способность разрушаться на другие фрагменты. Ионы (то есть заряженные частички вещества) летят через специальный детектор, который отсеивает ионы с определенной молекулярной массой (а если быть точнее, то с определенным отношением массы к заряду). Машина видит все сигналы об этом и регистрирует их. Далее полученные сигналы аналитики лаборатории сравнят с базой данных, и тогда можно будет узнать, с какой химической структурой мы имеем дело,
— поясняет Владимир Малиновский.
Лаборатория хромато-масс-спектрометрии оборудована двумя жидкостными и одним газовым хроматографами, не говоря уже о различном современном вспомогательном оборудовании (центрифуги и т.п.) Для ряда анализов они взаимозаменяемы. Но если стоит задача выявить содержание органического соединения, которое предположительно есть в изучаемом образце, но в мизерном количестве, то для анализа используется газовый хроматограф. По словам сотрудников лаборатории, данная машина самая чувствительная. Она может выявить содержание вещества вплоть до 10 нг/мл.
В принципе, пробы анализируются на одном каком-то приборе. Если же мы определили, что в пробе пестицид какой-то есть, но в каком количестве увидеть не выходит, то тогда пробу ставим в более чувствительный хроматограф. Он уже может определить уровень содержания конкретного соединения,
— резюмирует Александр Глущенко.
А в сухом остатке
Владимир Малиновский обращает внимание, что любой анализ в «Институте здоровья растений» делается в соответствии с общепринятыми стандартами и методиками.

В зависимости от задачи, наиболее трудоемким может оказаться либо пробоподготовка, либо тщательная обработка полученных результатов (то есть спектров) специалистами за прибором.
Хроматограмма исследуемого образца
«Подготовка пробы может занимать около часа. Около 40 минут пробу анализирует прибор. А вот сама обработка результата занимает значительно больше времени. Предстоит провести определение сигналов, сравнение и т. д. С полученными данными от машины еще нужно вручную поработать человеку — самому все проанализировать»
Андрей Щепак
инженер-исследователь
То есть после того, как прибор зарегистрировал все сигналы от пробы, оператору (аналитику) нужно поработать с полученной хроматограммой. Нужно помочь обработать полученные данные, обсчитать их и определить, какие именно органические составляющие содержатся в изученном образце. Для этого запускается специальная программа, которая проводит автоматический поиск соответствия сигналов представленным в библиотеке стандартам — во внимание брались 926 пестицидов и их соединений.

После всех обсчетов лаборатория хромато-масс-спектрометрия может предоставить отчет обо всех органических соединениях в образце и их количестве в пересчете на мг/кг для твердых веществ и мг/л для жидкостей.
В практическом ключе
Главное, что проба может быть подготовлена из любой продукции, сырья, почвы, воды — и это, если говорить только об агросекторе. А ведь еще есть нефтяная промышленность, фарминдустрия и другие отрасли, где может быть полезен анализ на органические составляющие.
Пробоподготовка образца почвы
Если же говорить о сотрудничестве с «Фабрикой Агрохимикатов», на базе которой работает «Институт здоровья растений», то, по словам Александра Глущенко, его лаборатория, например, может быть задействована в разработке новых препаратов компании UKRAVIT. Кроме того, высокоточные результаты анализа можно использовать в процессе усовершенствования уже существующих препаратов.
Аграрии же для себя могут выяснить, почему тот или иной препарат определенным образом подействовал или, наоборот, не подействовал на посевы на их полях.

Владимир Малиновский говорит: нужно осознавать, что взаимодействие химических веществ с живым организмом (растением, животным, человеком) носит нелинейный характер. Организм может хорошо справляться с избытком или недостачей одного вещества, но резко отреагировать на незначительное количество другого вещества. Живые системы очень сложные и состоят из множества очень сложных микросистем, у каждой из которых свои законы, свои правила, свои потребности.
«Если взять обычный спирт, то в нем именно 2% составляющих могут быть причиной для головной боли. А если говорим о пестициде, то при чистоте действующего вещества в 95-97% остается еще 3-5% каких-то органических примесей, которые могут отразиться на растении негативно и свести на нет эффект основных действующих веществ в композиции препарата»
cтарший научный консультант
Агрономы согласятся, что порой приходится сталкиваться с ситуацией, когда вроде бы все сделано по технологии в конкретном сезоне, но посевы начинают погибать по необъяснимой причине. Вот эту причину и позволяет найти анализ в лаборатории хромато-масс-спектрометрии. Так, имеющиеся там приборы позволяют найти в растениях или почве как основные вещества, так и микроколичества каких-либо органических соединений. Вместе с тем, агрономы-консультанты, которые сотрудничают с Институтом, помогут объяснить результат взаимодействия тех же остаточных пестицидов с использованными сейчас препаратами и удобрениями, их последействие в текущем сезоне.
Особенно актуально это в случае возникновения спорных вопросов, претензий со стороны аграриев к производителям и поставщикам пестицидов. Всего лишь проанализировав почву или образцы растений, можно узнать: проблема была в препаратах, которые были внесены в текущем сезоне, или же, например, в почве остались проблемные пестициды с прошлых лет.

И если проблема возникла из-за нынешних препаратов, то порой либо стоит обращаться только к проверенному поставщику, либо можно провести анализ приобретенной партии в другой лаборатории «Института здоровья растений» — лаборатории хроматографии. О ней мы расскажем совсем скоро, ведь тема следующего выпуска — как различить контрафакт и качественные пестициды.

Будьте на волне аграрной науки. Давайте вместе «раскручивать ее ДНК».
ДНК аграрной науки
Реально ли вывести украинскую аграрную науку на новый уровень?
В рамках совместного проекта Latifundist.com и UKRAVIT мы найдем ответ на этот вопрос.
Выполнено с помощью Disqus