Введение к работе
Актуальность темы. В обширном современном арсенале физико-химических методов выявления экотоксикантов в объектах окружающей среды центральное место занимает хромато-масс-спектрометрия, обладающая уникальной чувствительностью и высокой разрешающей способностью. Не менее информативным, но пока менее востребованным методом является спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) высокого разрешения. Она не требует использования стандартов, длительных процедур пробоподготовки, является абсолютным количественным методом, не разрушает исследуемый образец, позволяя установить строение интересующих загрязнителей в объекте исследования, количественно определить их содержание, выявить сырьевую, географическую и технологическую предысторию. Занимая ведущие позиции в химии и биологии, особенно в органической химии, спектроскопия ЯМР все шире используется для решения проблем экологической химии и прикладных медико-фармацевтических задач. Спектроскопия ЯМР не менее широко используется и для анализа продукции химических производств за рубежом (в т. ч. масел, алкогольной продукции, продуктов нефтепереработки). Методики анализа различных видов продукции методом спектроскопии ЯМР входят в национальные стандарты США и стран Евросоюза.
Являясь экологически безопасным и недеструктивным методом анализа водно-органических систем, удовлетворяющим самым жестким требованиям «зеленой химии», обладая высокой эффективностью, спектроскопия ЯМР, несомненно, займет важное место в экоанализе и экомониторинге. Для этого необходима с одной стороны адаптация известных и разработка принципиально новых методологий и технологий получения надежных результатов измерений, и, с другой стороны, оптимальных схем и методов статистического анализа данных.
Появление компактных проточных спектрометров ЯМР и современных алгоритмов автоматической обработки массивов спектральных данных делает метод применимым для экологического мониторинга объектов, связанных с переработкой природного органического сырья химической и легкой промышленности, производства пищевой продукции и лекарственных средств. Поскольку природное органическое сырье – как правило, сложные водно-органические системы, наиболее эффективно использование методик спектроскопии ЯМР с подавлением сигнала протонов воды, что позволяет анализировать такие объекты без её удаления, существенно упрощая пробоподготовку и снижая время анализа.
Цель работы - создание новых подходов и методик спектроскопии ЯМР для экологического мониторинга продукции химических производств. Для её достижения решались следующие задачи:
– Идентификация загрязнений в различных видах потребительской продукции;
– Разработка подходов к анализу происхождения сырья;
– Оценка эффективности применения спектроскопии ЯМР для анализа важнейших объектов экологии человека: фармацевтической продукции и биологических жидкостей человека;
Научная новизна. Предложена методика выявления загрязнителей (рост-стимулирующих добавок, инсектицидов и т.п.), сырьевого происхождения, безопасности и свойств гуминовых веществ в с/х препаратах на их основе методом количественной спектроскопии ЯМР 13С.
Показана эффективность спектроскопии ЯМР на ядрах 1Н, 2Н, 13С, 19F как одного из наиболее быстрых методов выявления загрязнителей в широко востребованных фармацевтических препаратах и БАДах (арбидола, ибупрофена, дигидрокверцетина, рисперидона), в некоторых видах пищевой продукции и парфюмерно-косметических средств.
Разработана оригинальная методика определения качественного и количественного состава низкомолекулярных метаболитов амниотической жидкости методом ЯМР 1Н с подавлением воды и последующего статистического анализа полученных данных для мониторинга изменения состояния рожениц и оценки риска осложнений в родах.
Предложен и реализован алгоритм автоматизации предварительной обработки и анализа данных одномерной спектроскопии ЯМР на различных ядрах проекционными методами.
Практическая значимость. Практическая применимость предлагаемых подходов для выявления загрязнений и анализа сырьевого происхождения гуминовых препаратов, парфюмерно-косметической продукции, биофлюидов, ряда фармацевтических препаратов и БАДов (арбидола, дигидрокверцетина, ибупрофена, рисперидона) по данным спектроскопии ЯМР на различных ядрах состоит в возможности их использования для экологического мониторинга продукции химических производств по сырьевому и технологическому происхождению, выявления загрязнений, мониторинга динамических изменений водно-органических систем. В сочетании с предложенными алгоритмами предварительной обработки и статистического анализа данных одномерной спектроскопии ЯМР на различных ядрах, результаты настоящей работы создают научно-методические предпосылки для дальнейших экологических прикладных исследований продукции химических производств с целью разработки методик экологического мониторинга для более широкого круга объектов по данным спектроскопии ЯМР.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Классификация и ряд алгоритмов анализа сложных водно-органических систем методом количественной спектроскопии ЯМР на различных ядрах.
-
Обоснование эффективности использования спектроскопии ЯМР для экомониторинга и прогнозирования свойств (технологических, функциональных) и выявления поллютантов в реальном масштабе времени.
-
Адаптация ряда алгоритмов статистической обработки экспериментальных данных для автоматического анализа больших объемов спектральной информации.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 135 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, пяти глав, отражающих собственные экспериментальные исследования, выводов и списка литературы. Работа иллюстрирована 14 таблицами и 74 рисунками. Библиографический список включает 10 отечественных и 115 зарубежных источников.
Апробация работы и публикации. Основные положения работы доложены на XIII международной молодежной научной школе "Актуальные проблемы магнитного резонанса и его применений" (Казань 2010), 5-м конгрессе всемирной ассоциации репродуктивной медицины (Москва 2010), 7-й международной конференции «ЯМР в гетерогенных системах» (С-Пб 2010), всероссийской конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования» (Москва 2007, 2008 и 2009), всероссийской конференции с международным участием «Аналитика России» (Краснодар 2009), всероссийской молодежной школе с международным участием «Магнитный резонанс в химической и биологической физике» (Новосибирск 2010).
Основное содержание работы изложено в 13 научных публикациях, в том числе в 3 статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Работа выполнена при поддержке грантов № 2.1.1/3151, № 2.1.2/4658 министерства образования РФ, государственного контракта министерства образования РФ № 16.552.12.7002.
