авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Хроматографическая идентификация и определение компонентного состава чернил паст шариковых ручек

На правах рукописи

ШЕВЧЕНКО ТАРАС НИКОЛАЕВИЧ

ХРОМАТОГРАФИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ И

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА

ЧЕРНИЛ ПАСТ ШАРИКОВЫХ РУЧЕК

02.00.02 – Аналитическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук

Краснодар – 2012

Работа выполнена на кафедре аналитической химии ФГБОУ ВПО

«Кубанский государственный университет»

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор Темердашев Зауаль Ахлоович

Официальные оппоненты: доктор химических наук Бехтерев Виктор Николаевич, ФГУ НИЦ курортологии и реабилитации ФМБА Минздрава РФ, ведущий научный сотрудник кандидат химических наук Бозин Дмитрий Александрович, ОАО «НИПИГазпереработка», СНС

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, химический факультет МГУ»

Защита состоится «27» декабря 2012 г. в 14-00 часов в ауд. на заседании диссертационного совета Д 212.101.16 в Кубанском государственном университете по адресу: 350040, г. Краснодар, ул.

Ставропольская, 149.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Кубанского государственного университета.

Автореферат разослан «--» ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Наталия Владимировна кандидат химических наук, доцент Киселева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Основным подходом при установлении различий в компонентном составе чернил шариковых паст является определение красителей, входящих в их состав. Наиболее распространнным методом для этих целей является тонкослойная хроматография (ТСХ) или ее комбинации с другими методами, которые используются для установления идентичности состава образцов чернил, но эти подходы имеют некоторые ограничения при идентификации и оценке содержания красителей. В последние годы, наряду с методом ТСХ, все большее распространение получают методы масс-спектрометрического анализа, которые применяются для определения окрашенных соединений в составе чернил и, с учетом большого разнообразия применяемых компонентов, позволяют проводить их дифференциацию.

Для идентификации компонентов чернил различных цветов и на различных основах также используются электрофоретические методы анализа. Несомненным преимуществом этих методов является возможность эффективного разделения катионных, анионных и нейтральных, водо- и спирторастворимых красителей, а к недостаткам можно отнести трудоемкость пробоподготовки, невысокую чувствительность и сложность идентификации компонентов.

Жидкостная хроматография является наиболее доступным и эффективным методом разделения окрашенных соединений во многих объектах благодаря широким возможностям в выборе условий анализа и большому числу способов детектирования, а также сопоставимой с методами капиллярного электрофореза эффективности разделения. Анализ литературных и полученных нами экспериментальных данных показывает, что применение метода ВЭЖХ в комбинации с масс-спектрометрическим и спектральным детектированием позволит расширить возможности анализа компонентного состава чернил шариковых ручек.

Данная работа выполнена в рамках госконтракта № 16.552.11.7013 по федеральной целевой прграмме «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007- годы».

Целью настоящей работы является разработка оригинальных хроматографических методик определения компонентов чернил для шариковых ручек с учетом разнообразия их структуры и свойств.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

– хроматографическое исследование чернил паст шариковых ручек различных производителей для выявления их классификационных признаков и подтверждения характеристичных компонентов;

– разработка хроматографических методик идентификации и определения различных красителей и растворителей в чернилах;

– разработка аналитической схемы дифференциации образцов чернил различных цветов, типов и производителей;

– изучение временных изменений компонентов чернил в штрихах.

Научная новизна. Обоснован и реализован методический подход по идентификации и определению основных окрашенных (красители триарилметанового и ксантенового ряда) и минорных компонентов, а также растворителей, входящих в составы чернил для шариковых ручек, позволяющий проводить с учетом разнообразия их структур и свойств более достоверную дифференциацию испытуемых образцов.

Определены классификационные признаки и проведена групповая дифференциация чернил.

Практическая значимость работы. Предложена оригинальная схема идентификации и определения компонентов чернил паст шариковых ручек, позволяющая существенно расширить аналитические возможности экспертных методов за счет повышения их информативности и надежности.

Разработанные хроматографические методики определения компонентов в чернилах повышают уровень и качество судебно технической экспертизы материалов документов.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:

1. Результаты исследований чернил паст шариковых ручек для выявления их классификационных признаков и подтверждения характеристичных компонентов;



2. Результаты исследований по идентификации и определению красителей и растворителей, входящих в состав чернил шариковых ручек;

3. Результаты исследований по идентификации красителей в составах чернил методом ВЭЖХ с масс-спектрометрическим детектированием;

4. Результаты исследований по идентификации растворителей в чернилах хроматографическими методами;

5. Схема идентификации и определения компонентного состава чернил.

Публикации и апробация работы. Основные результаты диссертационной работы отражены в 12 публикациях, включая статьи в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК, и тезисов докладов.

Результаты исследований докладывались на Всероссийской конференции с международным участием по аналитической спектроскопии (г. Краснодар, 2012), VI Всероссийской конференции по химии молодых учных, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев 2012» (г. Санкт-Петербург, 2012), V и VI Всеукраинских конференциях с международным участием “Химические проблемы современности” (г. Донецк, 2011, 2012), XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (г. Волгоград, 2011), III Всероссийском симпозиуме «Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии» с международным участием (г. Краснодар, 2011), I Всероссийской конференции «Аналитическая хроматография и капиллярный электрофорез» с международным участием (г. Краснодар, 2010), IV Международной конференции «Экстракция органических соединений» (г. Воронеж, 2010),.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, аналитического обзора, экспериментальной части и обсуждения результатов, выводов, списка использованной литературы (226 наименований) и приложения.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования.

Первая глава включает обзор литературы, в котором обсуждаются основные методы и подходы определения компонентного состава различных чернил, приводится анализ возможностей различных методов определения ароматических красителей и растворителей в чернилах. На основе анализа литературных данных сделаны выводы, сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе приведен перечень используемых материалов, средств и методов исследования, а также результаты хроматографических исследований по разработке и применению методик определения ароматических красителей и растворителей в чернилах паст шариковых ручек.

Диссертационная работа изложена на 161 страницах машинописного текста, иллюстрирована 17 таблицами и рисунками.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Обоснование выбора метода исследования компонентного состава чернил В аналитической практике ТСХ используется как инструмент предварительной оценки содержания красителей в составе паст шариковых ручек. С другой стороны, данный метод не позволяет без дополнительных процедур регистрировать бесцветные компоненты чернил и различить чернила с одинаковым основным составом ввиду невозможности получения количественных оценок.

Как показали литературные и наши экспериментальные данные, на основе ТСХ-скрининга качественная дифференциация образцов возможна лишь в 40-45% случаев.

В последние годы результаты, полученные с помощью ТСХ, дополняются с привлечением методов газовой и жидкостной хроматографии, капиллярного электрофореза и масс спектрометрии.

Капиллярный электрофорез используют для разделения и определения катионных, анионных, нейтральных, водо - и спирторастворимых красителей. Однако, из-за ограниченного объема вводимой пробы, затруднена идентификация компонентов по спектральным характеристикам, требуется введение стадии предконцентрирования, а, из-за невысоких соотношений сигнал шум, представляется весьма проблематичным определение многих минорных компонентов с высокой степенью достоверности.

С помощью газовой хроматографии в криминалистической практике определяют следовые количества растворителей, мономеров и олигомерных фрагментов связующих. Однако, ни газовая хроматография, ни газовая хромато-масс-спектрометрия, которые имеют широкие возможности при идентификации неизвестных летучих соединений, не обеспечивают определение красителей из-за термодеструкции аналитов. Наиболее эффективным методом определения компонентов чернил является метод ВЭЖХ, который позволяет одновременно определять окрашенные соединения и растворители, благодаря возможности выбора способов детектирования и варьирования состава подвижной фазы, режима элюирования, выбора модификаторов, сорбентов.





Масс-спектрометрические методы с «мягкой» ионизацией (ЛДИ, МАЛДИ, электроспрей) позволяют проводить локальный анализ и определять основные окрашенные компоненты. Основным преимуществом этих методов является возможность анализа пигментов, отсутствие пробоподготовки и малое разрушение образца, однако имеются определенные сложности при идентификации минорных компонентов и учете влияния аналитической матрицы.

Таким образом, можно сделать вывод, что хроматографические методы в различных вариантах их сочетания, в зависимости от сложности решаемой задачи, более полно отвечают поставленной задаче идентификации и определения компонентов чернил. Для получения более глубокой и достоверной информации о компонентном составе чернил представляется целесообразным проведение исследований этих объектов с использованием различных типов детектирования.

Оптимизация пробоподготовки для хроматографического определения компонентов чернил Лимитирующим фактором при изучении состава чернил является пробоподготовка, а определяющей стадией в ней становится полнота извлечения аналита из штриха.

ВЭЖХ со спектральной идентификацией веществ накладывает определенные ограничения на условия пробоподготовки. При выборе экстрагента критичным является его прозрачность в аналитическом диапазоне длин волн, поэтому в качестве экстрагентов для решения поставленной задачи были апробированы ацетонитрил, метанол и этанол. Одновременно изучалась возможность повышения степени извлечения аналита введением в состав экстрагента фосфорной или уксусной кислот.

Было установлено, что максимальная экстракция компонентов достигается с использованием систем ацетонитрил-метанол в соотношениях 1:1 и 1:3 или чистого метанола в течение 60 мин.

Изучена возможность интенсификации процесса экстракции компонентов с использованием ультразвуковой обработки и/или нагрева. Контроль степени извлечения аналитов осуществляли по площади хроматографического пика основного компонента (рис.1).

Полученные результаты показывают, что ультразвуковая обработка проб позволяет в несколько раз сократить время пробоподготовки.

Отдельно следует отметить, что для образцов чернил, нанесенных продолжительный период времени назад, требуется физическое разрушение заполимеризовавшегося поверхностного слоя, поэтому процедура извлечения компонентов включала в себя 10 мин.

ультразвуковой обработки и еще 45 мин. экстракции. Температура экстракции также повышает эффективность извлечения целевых компонентов, однако существует риск деградации красителей.

Рисунок 1 – Зависимость площади определяемого компонента от времени обработки ультразвуком и температуры при экстракции черных чернил Pilot BPS из штриха Устанавливалась представительность испытуемого образца в зависимости от длины штриха, удовлетворительная сходимость результатов измерений достигалась при длине штриха от 8 мм (рис.2), при меньших размерах погрешность определения увеличивается из-за неоднородности бумаги и неравномерности распределения чернил на поверхности.

Рисунок 2 – Зависимость относительной ошибки определения площади компонента от длины штриха при экстракции синих чернил Pilot BPGP (для параллельных проб) Исследование компонентного состава чернил Предварительный ТСХ-скрининг чернил показал, что наиболее распространнными компонентами в них являются полиалкил- и арилзамещенные трифенил- и нафтилдифенилметановые красители, являющиеся по своей природе катионными соединениями.

ВЭЖХ-исследования чернил проводились с использованием колонки на основе силикагеля с привитыми группами С18, обеспечивавшей удовлетворительное разделение определяемых в них катионных красителей. Анализ проводили на жидкостном хроматографе Shimadzu LC 20 Prominence с использованием подвижной фазы состава ацетонитрил – фосфатный буфер (pH=4.6) со ступенчатым увеличением концентрации ацетонитрила от 20 до 70% (скорость потока подвижной фазы составляла 0.3 мл/мин, диапазон детектирования 200 – 700 нм).

Для подавления ионизации и регулирования селективности разделения компонентов использовали pH со значениями, близкими к pKa аналита. Из-за высокой полярности системы некоторые функциональные группы приобретают заряд, и, чтобы перевести все вещества в ионную форму, повысить ионную силу и уменьшить размывание пиков на неполярном сорбенте, в элюент вносили кислый фосфатный буфер (pH=4.6). Для уменьшения асимметрии и ширины пиков проводили градиентное элюирование, что способствовало разделению близких по свойствам и строению веществ. Кроме того, варьируя содержание органической фазы в элюенте, можно избирательно влиять на взаимодействие в системе сорбент-сорбат на основе гидрофобных и гидрофильных свойств молекул аналита.

Для разделения ионных соединений применялся ион-парный вариант обращеннофазовой хроматографии с использованием анионных модификаторов – гептансульфоната (PIC B7) и додецилсульфата (SDS) натрия (рис. 3).

а) б) Рисунок 3 – Хроматограммы растворов синих чернил Corvina, полученных с использованием различных ион-парных реагентов: гептансульфоната (PIC B7) (а) и додецилсульфата натрия (SDS) (б);

1- тетраметилпарарозанилан, 2 – метилвиолет (пентаметилпарарозанилин), 3 – кристаллвиолет (гесаметилпарарозанилин), 4 – Виктория голубой B.

Условия: Luna C18, 2502.1 мм, 5 мкм;

А – ацетонитрил, В – фосфатный буфер (pH=4.6), 0.1 мМ SDS, 20% ацетонитрил;

Градиент А 0.0-2.0 мин 20%, 2.01-4.0 мин 20-55%, 4.01 10.0 мин 55%, 10.01-10.1 мин 55-70%, 10.1-17.0 мин 70%, 17.01-24 мин 20%;

0,3 мл/мин, 45°С, детектирование 200-700 нм.

Анализ хроматографических данных (рис.2) показал, что коэффициент емкости для гомологов триарилметановых красителей выше при использовании ион-парного реагента с большим алкильным радикалом (табл.2). При попарном сравнении показателей разделения веществ коэффициенты емкости выше для всех соединений при использовании SDS, при этом достигается более высокая эффективность разделения и симметрия (для тетраметилпарарозанилина параметры вычислены относительно триметилпарарозанилина).

Содержание додецилсульфата натрия (0.1мМ) обеспечивает эффективность разделения компонентов и улучшает форму пиков, с другой стороны, дальнейшее повышение его концентрации увеличивает вязкость системы и продолжительность анализа.

Таблица 2 – Хроматографические параметры для красителей чернил при использовании различных ион-парных реагентов (по данным рис.2) Коэффициент Коэффициент № пика Разрешение Разделение емкости асимметрии Pic-B 1 2.162 2.536 1.061 1. 2 2.590 2.718 1.072 1. 3 3.109 2.964 1.090 1. 4 8.005 3.816 1.288 1. SDS 1 4.415 2.785 1.183 1. 2 3.556 3.097 1.121 1. 3 3.722 3.463 1.126 1. 4 10.861 4.702 1.380 1. Термостатирование системы при 45°С стабилизирует хроматографическую систему и снижает вязкость, обеспечивается максимальное ускорение обменных процессов, а также повышается воспроизводимость результатов.

Идентификацию красителей в чернилах осуществляли сравнением по параметрам удерживания и спектрам в УФ-Вид области со стандартами (рис. 4). По результатам проведенных исследований установлена взаимосвязь удерживания красителей от строения и положения заместителей. Так, для метилзамещнных трифенилметановых красителей с увеличением числа алкильных групп время удерживания соединений возрастает, а максимум спектра поглощения смещается в длинноволновую область.

Аналогичная ситуация наблюдается для нафтилдифенилметановых красителей: Виктория голубой B, обладая пятью этильными группами, удерживается сильнее, чем Виктория голубой BO с пятью метильными заместителями. Таким образом, число и длина заместителя определяют степень сродства к неподвижной фазе.

mAU mAU mAU 10. а) б) в) 7. 5. 2. 0. - 250 250 500 250 500 nm nm nm mAU mAU mAU г) д) е) 75 25 250 250 250 500 nm nm nm Рисунок 4 – Спектры идентифицированных соединений;

а – кристаллвиолет, б – метилвиолет, в – тетраметил-р-розанилин, г – Виктория Голубой В, д – Виктория Голубой ВО, е – Виктория Голубой R При изучении компонентного состава чернил для выявления связей и закономерностей в массиве экспериментальных данных целесообразно использовать методы многомерной статистики. По результатам исследований качественного состава 17 произвольно выбранных образцов чернил, проводили дифференциацию по значениям площадей наиболее распространнных в составе паст окрашенных компонентов – метилпроизводных парарозанилина (тетра-, пента- и гексаметилпарарозанилина) и Виктория голубой B методом главных компонент (рис.5).

Рисунок 5 – График проекции счетов на плоскость двух главных компонент Установлено, что при использовании спектральных характеристик возможна групповая классификация и дифференциация большинства образцов. Однако следует отметить, что для наиболее обширной группы красителей плотность данных высока и возможно получение ложных результатов.

Определение минорных компонентов в составах чернил Информация о содержании минорных компонентов в составах чернил значительно повышает достоверность их идентификации.

Однако для этих целей необходимо привлечение методов, обладающих более высокой чувствительностью по сравнению с ВЭЖХ со спектрофотометрическим детектированием. При разработке методики определения минорных компонентов были учтены ряд методических аспектов. Многие красители, используемые в рецептурах чернил для шариковых ручек синего и черного цветов, являются ионными соединениями, в частности, основными красителями триарилметанового или ксантенового ряда. Оптимальным выбором для анализа такого рода соединений служит техника электрораспылительной ионизации с масс спектрометрическим детектированием, которая позволяет получить информацию о характеристичных ионах для каждого вещества.

Отсутствие фрагментации при ионизации дает сведения о молекулярной массе вещества, что в совокупности со спектральными данными позволяет достаточно надежно идентифицировать исследуемые соединения.

С другой стороны, применение техники электрораспылительной ионизации исключает возможность использования труднолетучих и высококипящих веществ в составе элюента, то есть ион-парного реагента и фосфатного буфера, и, как следствие, использование наработанных условий определения компонентов ВЭЖХ со спектрофотометрическим детектированием.

При реализации градиента ионной силы имеются затруднения из-за быстрого загрязнения источника ионизации и линии десольватации при использовании легколетучих солей органических кислот (ацетата и формиата натрия). Для подавления ионизации в растворе молекул аналита и повышения эффективности ионизации в электроспрее за счет увеличения заряда на атомах азота в триарилметановых красителях в элюент вносили 0.1% муравьиной кислоты. Выбор муравьиной кислоты, а не уксусной обусловлен более низкими значениями ее температуры кипения и рКа, что обеспечивало более низкое значение рН (2,4).

После оптимизации условий определения и программы элюирования, были проанализированы экстракты чернил из штрихов. В составе всех паст установлено наличие триарилметановых красителей (рис в частности 6), Кристаллвиолета с m/z=372, Метилвиолета с m/z=358 и его деметилированного аналога – тетраметил-р-розанилина с m/z=344.

Триметил-р-розанилин (m/z=330) был определен во всех образцах, причем в большинстве чернил он содержится в следовых количествах. В 23 синих и 6 черных образцах чернил идентифицирован Виктория голубой B с m/z=470 (tR=16.5) и его деметилированный гомолог с m/z=456 (tR=15.9) в форме [M CH3+H]+, который отличается от этилвиолета c m/z=456 (tR=19.3) по времени удерживания. Предположение структуры, аналогичной Виктория голубой B, обусловлено тем, что на хроматограммах всех образцов, содержащих пик вещества с m/z=456 (tR=15.9), присутствует пик с m/z=470 (tR=16.5) (рис.6б и 6в). Но в образце синих чернил Zebra Rubber 80 R-8000 (рис.6г) детектируется еще один компонент с m/z=470 (tR=17.2), который соответствует [M CH3+H]+-форме красителя Виктория голубой 4R c m/z= (tR=17.9), идентифицированного с использованием литературных данных.

Рисунок 6 – МС-хроматограммы чернил шариковых ручек (масштаб слабых сигналов увеличен, а сильных уменьшен);

а- Tukzar TZ-1156, б- EcoPen, в Corvina 51, г- Zebra Rubber 80 R-8000, д- Pilot BPS-GP-F-B, е- Pensan My-Pen Vision Color. Условия: Luna C18, 2502.1 мм, 5 мкм;

А – 0.1% муравьиной кислоты в ацетонитриле;

В – 0.1% муравьиной кислоты в воде;

Градиент А 0.0-2.0 мин 20%, 2.01 4.0 мин 20-55%, 4.01-10.0 мин 55%, 10.01-10.1 мин 55-70%, 10.1-17.0 мин 70%, 17.01- мин 20%;

0,4 мл/мин, электрораспылительная ионизация (+4,5кВ), 100-600 m/z (скан) Различие во времени удерживания между [M+H]+ Виктория голубой B с m/z=470 (tR=16.5) и деметилированный формой [M CH3+H]+ Виктория голубой 4R c m/z=470 (tR=17.2) обусловлено тем, что в молекуле Виктория голубой B метильная группа замещена водородом в положении N-фенил-N-метиламиногруппы, а в его деметилированном гомологе Виктория голубой 4R – у N,N диметилиминогруппы.

В 5 образцах синих чернил найден Виктория голубой BO с m/z=478 (tR=18.6) и его деэтилированные аналоги (m/z=450) с tR=16.3 и tR=18.1. Наличие двух пиков объясняется существованием структурных изомеров, в молекулах которых замещение этильной группы водородом происходит в различных положениях.

Из ксантеновых красителей идентифицированы Родамин 6G (рис.6д) в черных чернилах Pilot BPS-GP-F-B с m/z=429 (tR=13.6) и Родамин B (рис.6е) в фиолетовых чернилах Pensan My-Pen Vision Color с m/z=443 (tR=14.0). На рис.6е соединение с m/z=415 (tR=12.6), исходя из хроматографических параметров удерживания, характерных для рядов гомологов, может быть идентифицировано как деэтилированный аналог Родамин B [M-C2H5+H]+.

Исследования 42 образцов чернил синего, фиолетового и черного цветов различных марок методом ВЭЖХ–МС с положительной ионизацией электроспреем показали, что важным признаком дифференциации объектов служит не только относительное содержание основных компонентов в их составе, но и наличие других, менее значимых по содержанию соединений. Во всех образцах, помимо идентифицированных соединений, присутствует множество различных минорных компонентов.

Наиболее распространнными среди них являются соединения с m/z=269 (в 11 чернилах), m/z=415 (10), m/z=455 (6), m/z=520 (13).

Таким образом, все чернила имеют индивидуальный компонентный профиль, обусловленный не только различными комбинациями основных компонентов, но и присутствием минорных веществ, зачастую характерных только для данного образца.

Оценка возможности ВЭЖХ-МС скрининга компонентов чернил различных цветов На основе разработанной хроматографической методики определения компонентов синих и черных чернил была оценена возможность идентификации красителей, характерных для чернил других цветов. В режиме положительной ионизации электроспреем анализировалась модельная смесь красителей, в которой, с достаточной надежностью и воспроизводимостью, удалось идентифицировать 28 соединений. Строение и аналитические параметры определенных соединений представлены на рис. 7.

H 3C CH 1 R1 R N R R а) б) в) N + N R R R H3C R N R6 R CH R + N 5 N N R O R5 R 4 R5 R R O 1 г) R R 6 R д) R + N S N 3 R R R R + N O N N 3 R R max m/z, № Название* Аббр.

(±2), нм аем 1(а) Pararosaniline, Basic Red 9 BR9 541 R1=R2=R3=R4= H, R5=NH2, R1=R2=R3=R4 =H 2(а) Fuchsine, rosaniline, Basic Violet 14 BV14 546 R1=R2=R3=R4=H, R5=NH2, R1=CH3, R2=R3=R4=H 3(а) Magenta II Mg2 550 R1=R2=R3=R4=H, R5=NH2, R1=R4=CH3, R2=R3=H 4(а) Magenta III, Basic Violet 2 BV2 550 R1=R2=R3=R4=H, R5=NH2, R1=R3=R4=CH3, R2=H 5(а) Malachite green, Basic Green 4 BG4 621 R1=R2=R3=R4=CH3, R5=H, R1=R2=R3=R4=H 6(а) Methyl violet 2B, Basic Violet 1 MV 582 R1=R2=R3=R4=CH3, R5=NH(CH3), R1=R2=R3=R4=H 7(а) Crystal violet, Basic Violet 3 CV 590 R1=R2=R3=R4=CH3, R5=N(CH3)2, R1=R2=R3=R4=H 8(а) Ethyl violet, Basic Violet 4 EtV 596 R1=R2=R3=R4=C2H5, R5=N(C2H5)2, R1=R2=R3=R4=H 9(а) Patent blue VF, Acid blue 1 PbVF 635 R1=R2=R3=R4=C2H5, R5=R4=SO3, R1=R2=R3=H 10(б) Auramine O, Basic yellow 2 AuO 437 R=NH 11(б) Michler's Ketone MK 368 R=O 12(в) Victoria blue R, Basic Blue 11 VbR 612 R1=C2H5, R2=H, R3=R4=R5=R6=CH 13(в) Victoria Blue B, Basic Blue 26 VbB 612 R1=C5H6, R2=H, R3=R4=R5=R6=CH 14(в) Victoria Blue 4R Vb4R 591 R1=C5H6, R2=R3=R4=R5=R6=CH 15(в) Victoria Blue BO, Basic Blue 7 VbBO 618 R1=R3=R4=R5=R6=C2H5, R2=H 16(г) Methylene blue MhB 664 R1=R2=R3=R4=CH 17(д) Rhodamine 6G Rh6G 528 R=R1=R3=CH2CH3, R2=R4=H, R5=R6=CH 18(д) Rhodamine B, Basic Violet 10 RhB 557 R=R5=R6=H, R1=R2=R3=R4=CH2CH Рисунок 7 – Структурные формулы и характеристичные параметры идентифицированных красителей При спектрофотометрическом детектировании веществ некоторые сигналы примесных компонентов не удается идентифицировать, что связано, по-видимому, с тем, что содержание минорных соединений мало и получаемые спектральные характеристики недостаточно информативны.

Данные о хроматографическом поведении компонентов, дополненные результатами масс-спектроскопического анализа, позволяют идентифицировать многие примеси, а также выявить неразделенные вещества (рис.8).

Рисунок 8 – ВЭЖХ-МС хроматограмма модельной смеси красителей;

1-н/д, 2 [MtB–2CH3], 3-[MtB–CH3], 4-BR9, 5-MtB, 6- BV14,7-[AuO–CH3], 8- Mg2,9 AuO, 10- BV2, 11-[MV–2CH3], 12- [MV-2CH3], 13-[MV–CH3], 14- BG4, 15 [MV–CH3], 16- MV, 17- Rh6G, 18- RhB, 19-CV, 20-VbR, 21-VbB, 22-[EtV– C2H5],23-н/д,24-VbBO,25-EtV,26-н/д,27-MK, 28-PbVF Условия: Luna C18, 2502.1 мм, 5 мкм;

А – 0.1% муравьиной кислоты в ацетонитриле;

В – 0.1% муравьиной кислоты в воде;

Градиент А 0.0-2.0 мин 20%, 2.01-4.0 мин 20-55%, 4.01-10.0 мин 55%, 10.01-10.1 мин 55-70%, 10.1-17.0 мин 70%, 17.01-24 мин 20%;

0, мл/мин, электрораспылительная ионизация (+4,5кВ), 100-600 m/z (4000 аем/сек) Воспроизводимость разработанной методики оценивали по величинам времен удерживания (tR) и площадей пиков (S). В качестве стандартов использовали Кристаллвиолет (max=592нм, m/z=372) и Виктория голубой B (max=620нм, m/z=470), как представители красителей двух типов наиболее широко представленных в составах чернил синего и черного цветов.

Таблица 2 – Метрологические характеристики определения красителей по величинам площади (S) и времени удерживания (tR) Повторяемость, % (n = 10) День 1 День 2 День Соединение ДМД МС ДМД МС ДМД МС tR S tR S tR S tR S tR S tR S Кристалл 0,27 2,49 0,26 5,93 0,16 0,92 0,18 6,70 0,60 3,71 0,58 5, виолет Виктория 0,23 2,87 0,22 7,04 0,14 1,66 0,13 6,02 0,49 3,35 0,48 9, Голубой В Воспроизводимость, % Соединение ДМД МС tR S tR S Кристалл 0,38 2,90 0,38 7, виолет Виктория 0,32 3,00 0,31 9, Голубой В Определение растворителей в чернилах Дифференциация чернил может быть осуществлена по наличию и содержанию в них растворителей, составляющих до 50 % от массы чернил. Определение растворителей в чернилах методом ВЭЖХ со спектрофотометрическим детектированием не обеспечивает достаточной чувствительности, а их масс спектрометрическое детектирование затруднено, так как при ионизации спиртов образуются аддукт-ионы с атомами щелочных металлов, соли которых необходимо вносить в элюент, что приводит к загрязнению системы ионизации.

В качестве растворителей в подавляющем числе чернил используются 2-феноксиэтанол и бензиловый спирт. Были проведены газо-хромато-масс-спектрометрические исследования образцов чернил, в которых 2-феноскиэтанол присутствовал в (95%) пастах, бензиловый спирт – 35 (83%). Для снижения пределов обнаружения растворителей при ВЭЖХ-определениях проводили оптимизацию условий детектирования по спектрам флуоресценции, при этом рассматривали возможность приближения условий получения спектров (в смеси вода ацетонитрил) к условиям их хроматографического определения.

Выбор оптимальных условий флуоресценции веществ проводили в диапазоне 200–900 нм при длинах волн возбуждения 200–350 нм, наибольшая интенсивность их эмиссии наблюдается при возбуждении при 255 нм. Профили спектров соединений похожи, максимум эмиссии для 2-феноксиэтанола составляет 297 нм, для бензилового спирта – 284 нм. Разделение растворителей проводили в условиях, аналогичных ВЭЖХ-МС определению красителей.

Исследовав серию образцов записей известной давности из модельной коллекции мы установили, что в качестве маркера «старения» может быть выбран 2-феноксиэтанол, а в качестве параметра для нормировки содержания чернил в штрихе – значения сигналов красителей при их хроматографическом определении.

Рисунок 9 – Зависимость относительного содержания 2-феноксиэтанола от времени для черных чернил Tukzar 1145B При этом следует отметить, что зависимость относительного содержания растворителя от времени нанесения чернил на бумагу (рис. 9) описывается экспоненциальной функцией и хорошо согласуется с результатами ГХ-МС исследований при использовании темновой модели старения. Такая информация о содержании красителей и растворителей в составах исследуемых чернил позволяет проводить судебно-техническую экспертизу документов по установлению давности выполнения записей.

Аналитическая схема определения компонентного состава чернил Предложенные методики проведения скрининга и определения основных красителей, минорных компонентов и растворителей, входящих в составы паст шариковых ручек, обеспечивают экспрессную и высокоэффективную дифференциацию чернил. С учетом разработанных хроматографических методик определения компонентов, а также условий пробоподготовки испытуемых образцов предлагается следующая схема анализа чернил шариковых ручек:

Рисунок 10 – Схема анализа чернил шариковых ручек для определения их компонентного состава Такая схема позволяет получать комплексную информацию о составе чернил и проводить идентификацию компонентов в них с высокой достоверностью за единичный анализ, что делает предлагаемый подход эффективным и может стать надежным инструментом при решении широкого круга задач судебно технической экспертизы материалов документов.

ВЫВОДЫ 1. Проведены хроматографические (ТСХ и ВЭЖХ) исследования образцов чернил различных цветов (шариковых ручек с чернилами на спиртовой и масляной основах) и производителей для выявления их классификационных признаков.

Установлено, что в составе чернил синих и черных цветов основными окрашенными соединениями являются красители ксантенового (родамин B, родамин 6G и др.) и триарилметанового (Метилвиолет, Кристаллвиолет, Виктория голубой и др.) рядов.

2. Разработана схема пробоподготовки для идентификации компонентов чернил методом ВЭЖХ, обеспечивающая эффективное извлечение целевых соединений и воспроизводимость результатов. Изучено влияние различных условий (температура, объем и тип экстрагента, ультразвуковая обработка, продолжительность) на степень извлечения целевых соединений.

Обоснованы граничные требования к размеру испытуемой пробы из штриха.

3. Разработана методика идентификации красителей и растворителей в составах чернил шариковых ручек методом высокоэффективной жидкостной хроматографии со спектрофотометрическим детектированием. Подобраны оптимальные условия хроматографирования (сорбент, состав элюента, режим элюирования, влияние на разделение органических добавок, рН, температура). На основе данных о компонентном составе чернил методом главных компонент проведена дифференциация 17 произвольно выбранных образцов и показана возможность использования спектральной идентификации для групповой классификации и дифференциации.

4. Разработана методика разделения и идентификации триарилметановых, нафтилдифенилметановых, ксантеновых, тиазиновых красителей методом жидкостной хромато-масс спектрометрии. На примере исследования 32 образцов синих и черных чернил шариковых ручек показана эффективность получения информации об их составе методом ВЭЖХ-ДМД-МС, а комбинация масс-спектрометрии и спектрофотометрического детектирования обеспечивает надежную идентификацию компонентов и высокую чувствительность определения красителей.

5. Предложена методика флуориметрического определения растворителей, наиболее распространнными из которых являются 2-феноксиэтанол (в 95% образцов) и бензиловый спирт (в 83% образцов), в чернилах и экстрактах из штрихов. Подобраны оптимальные параметры их детектирования (длина волны возбуждения (255нм) и эмиссии для 2-феноксиэтанола – 297нм и бензилового спирта – 284 нм), обеспечивающие максимальную чувствительность их определения.

6. Предложена аналитическая схема идентификации и определения основных окрашенных (красители триарилметанового и ксантенового ряда) и минорных компонентов, а также растворителей, входящих в составы чернил для шариковых ручек.

Схема апробирована при анализе экстрактов черных и синих чернил различных производителей.

Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в следующих работах:

1. Темердашев З.А., Колычев И.А., Шевченко Т.Н., Киселева Н.В.

ВЭЖХ исследование состава паст шариковых ручек // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2011. – Т.77, №5. – С. 17-20.

2. Темердашев З.А., Шевченко Т.Н., Киселева Н.В., Колычев И.А Дифференциация состава чернил шариковых ручек по результатам их ВЭЖХ исследований // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2011. – Т.77, №12. – С. 16-20.

3. Шевченко Т.Н.,Темердашев З.А., Киселева Н.В. Идентификация и определение ароматических красителей в составе чернил шариковых ручек методом ВЭЖХ со спектрофотометрическим и масс спектральным детектированием // Аналитика и контроль,2012. – Т.16, №3.– С. 232-239.

4. Шевченко Т.Н., Темердашев З.А. ВЭЖХ-МС идентификация и определение ароматических красителей в составе чернил шариковых ручек // Материалы Всерос. конф. по аналитической спектроскопии с междунар. участием, г. Краснодар, 2012 г. – С. 210.

5. Шевченко Т.Н. Спектроскопические и ВЭЖХ-исследования чернил для целей криминалистики // Материалы Всерос. науч. школы по аналитической спектроскопии, г. Краснодар, 2012 г. – С. 146.

6. Шевченко Т.Н., Темердашев З.А. Определение ароматических растворителей в чернилах шариковых ручек методом ВЭЖХ с флуориметрическим детектированием // Менделеев-2012, Аналитическая химия: Материалы VI Всерос. конф. по химии молодых учных, аспирантов и студентов, г. Санкт-Петербург, 2012 г. – С. 303.

7. Шевченко Т.Н., Темердашев З.А. Некоторые особенности определения компонентного состава чернил шариковых ручек методом ВЭЖХ-МС// Химические проблемы современности: VI Всеукр. научная конф. с междунар. участием, тез. докл., г. Донецк, 2012 г. – С. 38.

8. Шевченко Т.Н., Темердашев З.А., Киселева Н.В.

Концентрирование компонентов чернил для целей судебно технической экспертизы документов //Разделение и концентрирование:

Матер. III Всерос. симп. с междун. участием, г. Краснодар, 2011 г. – С.

148.

9. Темердашев З.А., Шевченко Т.Н., Колычев И.А. Определение трифенилметановых красителей в чернилах шариковых ручек методом ВЭЖХ // XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, тез. докл., Волгоград, 2011 г. – Т.4, С. 502.

10. Шевченко Т.Н., Киселева Н.В., Фролова Н.А. Хемометрический подход при дифференциации паст шариковых ручек на основе анализа методом ВЭЖХ // Химические проблемы современности: V Всеукр.

конф. с междунар. участием, тез. докл., г. Донецк, 2011 г. – С. 37.

11. Темердашев З.А., Киселева Н.В., Шевченко Т.Н., Колычев И.А.

ВЭЖХ-исследование компонентного состава паст шариковых ручек // Аналитическая хроматография и капиллярный электрофорез: I Всерос.

конф. с междунар. участием, г. Краснодар, 2010 г. – С. 208.

12. Шевченко Т.Н., Колычев И.А., Киселева Н.В. Особенности определения красителей ароматического ряда в пастах шариковых ручек // Экстракция органических соединений: Материалы IV Междунар. конф., г. Воронеж, 2010 г. – С. 410-411.

Автор выражает глубокую признательность Колычеву И.А.

(Краснодарская ЛСЭ МЮ), Киселевой Н.В. (КубГУ), Цымбалу А.В.

(Киевский НИИ судебных экспертиз МЮ Украины) и Масленикову В.Г. (Южный РЦСЭ МЮ) за оказанную научно методическую помощь.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.