Большинство хромато-масс-спектрометров продаются уже будучи оборудованы компьютером и системой обработки данных. Для приборов, не имеющих компьютера, существуют компьютерные системы обработки данных, которые можно приобрести отдельно и стыковать с магнитным секторным или квадрупольным масс-спектрометром. Для иллюстрации возможностей компьютера при решении многих задач приведем более подробный пример.
Пробу частиц, выбрасываемых из дизельного двигателя, собирают для анализа на органические вещества. После экстрагирования образца подходящим растворителем и концентрирования экстракта в 1000 раз пробу анализируют газохроматографически. Обнаружено, что проба представляет собой сложную смесь, состоящую более чем из 200 компонентов, концентрации которых изменяются в широком интервале. Желательно идентифицировать максимально возможное число компонентов и оценить содержание зарегистрированных канцерогенных и мутагенных веществ. Хроматографическое разделение проводили на капиллярной колонке в течение 90 мин в режиме программирования температуры.
Перед началом проведения ХМС анализа необходимо провести калибровку масс-анализатора. Для этого регистрируют масс-спектр калибровочного вещества, для которого пики образующихся ионов заранее известны. Калибровочная таблица создается и записывается компьютером, который использует ее при определении величин т/z во время операции сканирования масс-спектра. В некоторых приборах весь процесс настройки проводится под управлением компьютера, включая выдачу диагностического сообщения, которое дает информацию о том, работает ли система в заданном режиме. В других приборах настройка проводится вручную, хотя создание калибровочной таблицы контролируется компьютером.
После проведения калибровки в компьютер можно ввести файл, содержащий условия анализа. Он задает начальную температуру термостата, температуру испарителя, скорость программирования температуры, конечную температуру и условия регистрации масс-спектра. Большинство систем обработки данных может хранить в памяти несколько файлов с условиями анализа и задавать эти условия для конкретных типов анализируемых образцов, просто указывая имя нужного файла. Когда все параметры принимают заданные исходные значения, оператору дается указание, разрешающее ввод пробы. На рис. 3 дана упрощенная блок-схема этих начальных процедур.
В момент ввода пробы под управлением компьютера выполняется несколько операций. Контроль температуры термостата хроматографа проводится путем сравнения измеренной и заданной величины. Управление масс-спектрометром включает запуск записи масс-спектра, преобразование цифровых сигналов детектора в данные по массам и интенсивностям и пересылку этих данных в запоминающее устройство, например, на диск. Для регистрации узких пиков, получаемых на капиллярных колонках, необходимы высокие скорости развертки (0,5-2 с). Типичная последовательность управляющих команд может быть такой, как на рис. 3. Операции по диагностике масс-спектрометра могут включать проверку работоспособности катода источника ионов и наличие достаточно высокого вакуума в анализаторе. Контроль температуры термостата колонки проводится постоянно для поддержания ее на заданном уровне. Если температура слишком низка, включается нагреватель, а если температура выше заданной, для охлаждения термостата открывается специальная заслонка или подается хладоагент. Перед записью данных запоминающее устройство проверяют, чтобы убедиться, достаточно ли свободного места для запоминания всего объема новых данных. В любой момент анализа оператор может обращаться к программе для изменения отдельных параметров, таких, как скорость программирования температуры или суммарное время анализа.
Операции, показанные на рис. 3, повторяются со скоростью, достаточной для запоминания полного масс-спектра, каждые 2 с. По окончании 90-минутного анализа дизельного экстракта на капиллярной колонке будет записано 2700 масс-спектров. Каждый пик в отдельном масс-спектре описывается двумя числами – значениями массы и интенсивности пика, т. е. для записи обычного масс-спектра, содержащего порядка 150 пиков, требуется запомнить 300 чисел. Для полного анализа необходим объем памяти, в котором можно записать 300 х 2700 = 810 000 чисел. В действительности требуется больше места, так как необходимо запоминание и других данных, таких как времена удерживания. Хотя некоторую часть этой информации можно отбросить, например спектры, полученные в интервалах между хроматографическими пиками компонентов, задача обработки такого огромного массива данных слишком трудоемка, чтобы ее производить вручную, даже в случае единичного анализа.
Значимость компьютера оценивалась нами даже без учета обработки громадного количества хранимых данных. Большинство задач, описанных выше, понятны пользователю. Большая часть задач, решаемых компьютером, не требуют каких-либо взаимодействий с оператором. После проведения инструментального анализа выполняется большое число операций по обработке данных.
Для нашего случая хранящихся в памяти 2700 масс-спектров, полученных при анализе выхлопа дизельного двигателя, типичные процедуры сокращения данных представлены схемой на рис. 4. Если какие-либо идентифицированные соединения окажутся канцерогенными или мутагенными, то на основе зарегистрированных данных можно рассчитать площади их пиков. Анализируя известные количества этих соединений в тех же условиях, можно количественно определить эти компоненты. Конечное сообщение может включать такую информацию, как вероятные идентифицированные соединения, площадь пика и индекс удерживания для каждого идентифицированного вещества. Для компонентов, не идентифицированных простым библиотечным поиском, может потребоваться интерпретация масс-спектров вручную, хотя разработан ряд комьютерных способов решения этой задачи.
Поскольку приборы для проведения анализа методами газовой хроматографии усложняются с каждым годом, то использование компьютерных технологий в данной области становится не просто желательным, а просто необходимым. Объекты анализа постоянно усложняются, а число определяемых компонентов увеличивается, поэтому обработка результатов даже одного анализа становится слишком трудоемкой для выполнения её вручную. В результате этого компьютеризация систем анализа и автоматизация процесса обработки результатов в последнее время стала наиболее актуальным направлением развития в области хроматографии.
1. Карасек Ф., Клемент Р., Введение в хромато-масс-спектрометрию: Пер. с англ. – М., “Мир”, 1993.
2. Руководство по газовой хроматографии//Под ред. Э. Лейбница, Х.Г. Штруппе, М.,“Мир”, 1988.
3. Сб.”Количественный газохроматографический анализ” ст.“Обработка результатов анализа” М., Мир, 1986 г., стр. 56-61.
4. Сб.”Количественный газохроматографический анализ” ст.“Сигнал детектора” М.,Мир, 1986 г., стр. 410-413.
А
анализ............................................................................................................................................ 6
К
колонка....................................................................................................................................... 10
М
масс-спектр...................................................................................................................... 9, 10, 11
масс-спектрометр.................................................................................................................. 8, 9
П
пик................................................................................................................................................ 11
Х
хроматограф............................................................................................................................ 6, 8
1. http://www.chemnetbase.com/
Большая он-лайн база данных, содержащая описание большого числа химических соединений.
2. http://www.cambridgesoft.com/
Официальный сайт компании СambridgeSoft, производителя многочисленного специализированного програмного обеспечения для химиков.
3. http://themerckindex.cambridgesoft.com/TheMerckIndex/index.asp
Он-лайн версия справочника The Merck Index, одного из наиболее полных справочников содержащих физико-химические свойства веществ.
4. http://www.chemport.ru/
Большой специализированный ресурс посвященный химической тематике.
5. http://www.xumuk.ru/
Специализированный сайт посвященный химической тематике, содержит большое количество статей научного, научно-популярного и справочного характера посвященных проблемам химии, а так же электронную библиотеку химической литературы.