|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Разработка методологии высокочувствительного многомерного молекулярного анализа природного органического вещества с использованием химического фракционированияНИР
Development of methodology for highly sensitive multidimensional molecular analysis of natural organic matter using chemical fractionation
- Руководитель НИР: Проскурнин М.А.
- Ответственный исполнитель: Волков Д.С.
- Участники НИР: Бывшева С.М., Владимирова А.О., Карпухина Е.А., Михеев И.В., Потемкин А.А., Рогова О.Б., Рыкова В.О.
- Подразделение: НИЛ спектроскопических методов анализа
- Срок исполнения: 28 мая 2025 г. - 31 декабря 2027 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 25-13-00088
- Номер ЦИТИС: 125071708735-2
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Экология и рациональное природопользование
- Приоритеты и перспективы НТР Российской Федерации согласно Стратегии НТР РФ: переход к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству
- ПН России: Рациональное природопользование
- Критическая технология России: Технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения
-
Рубрики ГРНТИ:
- 31.19.15 Анализ неорганических веществ
- 31.19.29 Анализ органических веществ
- Классификатор OECD: Аналитическая химия
-
Ключевые слова:
торф, растворенное органическое вещество, препаративная жидкостная хроматография, химическое фракционирование по полярности, химическое фракционирование по кислотности, мультиспектральный молекулярный анализ
chemical acidity fractionation, chemical polarity fractionation, multispectral molecular analysis, peat, preparative liquid chromatography, dissolved organic matter -
Описание:
Задача в рамках проблемы, на решение которой направлен проект — разработка новых подходов к фракционированию природного органического вещества, представленного в основном гумусовыми или гумусоподобными веществами по полярности и кислотности с использованием сорбционных процессов в статических и динамических условиях для увеличения чувствительности и идентификации соединений, входящих в состав природного органического вещества и методов молекулярной спектроскопии и молекулярной масс-спектрометрии.
-
Abstract:
In the current century, the Russian Federation has faced unprecedented challenges related to the intensification of technological development, on the one hand, as well as climate change, the decline in the stability of ecosystems, the destruction of forests, the lack of productive agricultural land, the increasing degradation of natural organic matter and the possibility of related food and energy shortages. These processes always, in one way or another, are related to the imbalance of the biogeochemical cycles of carbon and nitrogen and the processes of dehumification. They are accompanied by changes not only in the quantitative content of carbon and nitrogen in natural organic matter, but also in its material composition and molecular structure. Obtaining information about chemical structures is necessary to formulate the concept of natural organic matter on a qualitatively new, non-empirical basis — the data of modern instrumental methods of analysis and chemical structure — and, ultimately, to solve the problem of distinguishing them into a separate class of compounds, which is one of the main challenges in chemistry. The solution of this fundamental problem is impossible without the development of analytical chemistry of the specific organic matter of soils and peats. The scientific problem within the framework of which the project is proposed is the development of new principles and methodology for the analysis of natural organic matter to establish its structure, qualitative and quantitative composition, and transformation A specific task within the framework of the problem that the project is aimed is the development of new approaches to the fractionation of natural organic matter by polarity and acidity using sorption processes under static and dynamic conditions to increase the sensitivity and identification of compounds that are part of natural organic matter and methods of photonic and mass spectrometry. The project proposes to develop three fundamentally new, previously unimplemented chemical-analytical approaches: (1) Separation of dissolved organic matter, fulvic acids and pH fractions of soil and peat by preparative HPLC (2) Separation of soil and peat humic acids by fractional deposition by gradient pH. (3) Separation of pH fractions of soil and peat humic acids by precipitation with organic solvents (alcohols and ketones). The scientific novelty of the problem lies in the fact that for the study of organic matter of soils, natural waters and peats, it is proposed to develop and use a fundamentally new concept of analytical separation and concentration of natural organic matter using preparative fractionation, as well as chemical analysis of this organic matter by wide-range methods of molecular EMR and mass spectrometry and new methods of mathematical processing spectral data (multispectral analysis). The novelty of the work will be as follows: 1. Deep fractionation of natural organic matter by separating humic-substance fractions by preparative liquid chromatography and chemical methods of fractional precipitation by pH gradient and organic solvents. 2. Combination of a set of spectroscopic methods in the chemical analysis of humic-substance fractions of different analytical information obtained, which make it possible to obtain an array of data both on the structure and composition of the molecular components of the natural organic matter, and on the quantitative and spatial distribution of natural organic matter. Such an integrated approach to solving one of the most difficult analytical problems, the determination of the composition of natural organic matter, will be applied for the first time and will provide new important information about the properties of natural organic matter.
-
Планируемые результаты:
В результате выполнения Проекта будут разработаны новые принципы и методология анализа природного органического вещества почв, природных вод и торфов для установления его структуры, качественного и количественного анализа и трансформации в результате антропогенных (в том числе агрогенных и техногенных) воздействий. Все полученные данные будут соответствовать и, возможно, превосходить мировой уровень исследований в рассматриваемой области в части методов разделения природного органического вещества и их методического обеспечения, в части объема и достоверности информации о составе фракций природного органического вещества, в части значимости, как научной так и практической выбранных объектов, а также в области способов обработки спектральной и другой аналитической информации. Достижение мирового уровня исследований будет обеспечено: (1) опытом коллектива проекта и полученным к началу проекта научным и публикационным заделом, включая ряд приоритетных публикаций непосредственно по теме проекта, (2) использованием полного комплекса современного приборного, аппаратного и программного обеспечения, (3) уникальным набором баз образцов исследуемого природного органического вещества. Будут получены и обобщены: (1) Данные о структурно-групповом составе узких химических фракций природного органического вещества природных вод, торфов и почв. (2) Условия, методологическое обеспечение и методики разделения и концентрирования гуминовых веществ природного органического вещества при помощи дробного осаждения градиентом pH и осаждением органическими растворителями. (3) Условия, методологическое обеспечение и методики препаративного хроматографического разделения фракций фульвокислот и pH-фракций гуминовых веществ природного органического вещества на компоненты или более простые по составу фракции, позволяющие получать образцы с воспроизводимыми характеристиками для использования в методах молекулярного спектрального и молекулярного масс-спектрометрического анализа. (4) Подходы к качественной и количественной оценке структурно-группового и функционального состава различных химически выделенных фракций природного органического вещества, выделенного из природных вод, торфов и почв разных типов. (5) Разработанные на основе предложенных подходов методологическое обеспечение и методики анализа природного органического вещества с использованием комплекса методов хроматографического, молекулярного спектрального и молекулярного масс-спектрометрического анализа.
-
Научный задел:
Авторы предлагаемого проекта обладают большим теоретическим и практическим опытом в области мультиспектрального анализа, (руководитель проекта, проф. д.х.н. Проскурнин М.А.) и их сочетания, в том числе и с другими методами аналитической спектроскопии (молодые специалисты, основные исполнители проекта Волков Д.С., Михеев И.В.). В число основных исполнителей проекта также входят профессиональный специалист в области почвоведения, работающий в области химии и физической химии почв и определения состава и структуры почв и физико-химических характеристик тонких фракций почв (Рогова О.Б.). Исследования в научной области проекта этим междисциплинарным коллективом проводятся с 1996 года, в том числе с 2010 года совместно всеми основными исполнителями, в том числе с 2019 года непосредственно по тематике проекта. Всего у коллектива исполнителей проекта более 25 совместных рецензируемых публикаций, в том числе 14 в рамках проектов РНФ. Подавляющее большинство описанных ниже работ 2018-2023 гг. опубликовано в журналах Q1 и активно цитируется.
- Добавил в систему: Проскурнин Михаил Алексеевич
Источник финансирования НИР
| грант РНФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 28 мая 2025 г.-31 декабря 2025 г. | Разработка методологии высокочувствительного многомерного молекулярного анализа природного органического вещества с использованием химического фракционирования |
| Результаты этапа: Задача первого года работы над Проектом состояла в (1) разработке и оптимизации условий фракционирования гуминовых веществ при помощи дробного осаждения градиентом pH и (2) сорбции фульвокислот. Работа проведена с использованием торфов, а также черноземов и каштановых почв (расширение работы по сравнению с исходным планом) как почв с высоким содержанием органического углерода и характеристическим составом природного органического вещества. Проведена подготовка образцов чернозема типичного, каштановой почвы (перевыполнение исходного плана работы) и торфа, массы исходного образца 5 кг. Получены образцы и разработаны протоколы получения образцов ГВ торфов, чернозема и каштановой почвы (перевыполнение плана): осадки ГВ и растворы ФК. Проведена сорбция ФК и РОВ различными сорбентами. Предложены оптимальные условия сорбции ФК. Подобраны оптимальные условия предварительной обработки угля, методика сорбции и десорбции апробирована на коммерчески доступном препарате ФК «Fulvagra» c помощью промывки сорбента раствором соляной кислоты. В ходе работы разработан метод предварительной обработки активированного угля с использованием раствора соляной кислоты, хорошо подходящим для дальнейшего анализа с помощью метода ИК-НПВО-спектроскопии. Данные, полученные методами УФ/видимой спектрофотометрии, ИК-спектроскопии НПВО, синхронной флуоресцентной спектроскопии позволяют заключить, что элюенты десорбируют разные группы соединений фульвокислот. Также наблюдается различие аммиачных фракций (первой и промывочной) в пределах одной схемы десорбции в обоих методах десорбции. В целом фульвокислоты чернозема и торфа, и водные фульвокислоты Fulvagra существенно отличаются по составу. Синтетические сорбенты Copure® C18 и LPS-500-H показали значительно лучшую робастность методики, простоту и практическую применимость для выделения ФК. Эти сорбенты позволяют визуальный контроль за сорбцией за счет окрашивания сорбировавшего нужные молекулы слоя (что невозможно при использовании активированного угля и затруднительно в случае BondElut PPL, т.к. он имеет собственную желтую окраску). С их помощью выделили РОВ из воды торфяника и ФК торфа (в инертной атмосфере и на воздухе), достаточно чистые для проведения измерений методом масс-спектрометрии высокого разрешения с орбитальной ионной ловушкой. ФК, полученные в инертной атмосфере, отличаются меньшим содержанием конденсированных танинов по сравнению с образцами, полученными на воздухе. Из масс-спектров видно, что химическое разнообразие молекул (определяется числом пиков, не относящихся к шуму) для ФК выше, чем для РОВ и также не идентично для образцов ФК, полученных в разных условиях. Общий выход ФК в инертной атмосфере оказался более, чем в 2 раза выше, чем на воздухе, что говорит о необходимости проводить выделение ФК из торфа в инертной атмосфере. Сорбенты Copure® C18 и LPS-500-H могут быть многократно использованы в предложенных условиях сорбции и элюирования. Разработаны условия и протоколы проведения разделения ГВ торфов и чернозема фракционированием при помощи дробного осаждения градиентом pH. В целом показано, что с уменьшением значения pH наблюдается увеличение ароматичности в выделенных структурах ГК. Разработан протокол и проведено фракционирование ГВ чернозема и торфа при помощи дробного осаждения градиентом pH. Показано, что с уменьшением значения pH наблюдается увеличение ароматичности в выделенных структурах ГК. Проведена регистрация абсорбционных спектров полученных образцов торфа, чернозема и каштановой почвы в УФ, видимом и ИК диапазонах, спектров и двумерных карт флуоресценции и молекулярных масс-спектров высокого разрешения всех выделенных фракций ГВ и ФК. Проведен элементный анализ этих фракций методом ИСП-АЭС. Проведено сравнение (методических особенностей и результатов фракционирования ГВ и ФК чернозема и торфа. На основе сравнительного анализа фракционированных каштановых почв при помощи ИК-спектроскопии и ИСП-АЭС показано, что несмотря на более разнообразный матричный состав по сравнению с силикатными почвами, число и разнообразие компонентов матрицы (карбонат, силикат и сульфат) оказываются преимуществами, являясь реперными соединениями для более сложного ИК-анализа ПОВ, чем для черноземных почв с чисто силикатной матрицей. Кроме того, использование двумерной корреляционной спектроскопии для АЭС и ИК-данных оказывается весьма ценным инструментом для идентификации компонентов матриц и ПОВ в таких сложных по составу почвах. Для детального анализа почв использовали ИК спектроскопия (варианты нарушенного полного внутреннего отражения и диффузного отражения, а также ИСП-АЭС спектроскопию и корреляционный анализ, включая двумерную корреляционную спектроскопию (2DCOS). Сочетание методов молекулярной и атомной спектроскопии в сочетании с корреляционным анализом позволило выявить прямые корреляции между анионами, формирующими матрицу, и органическим веществом (ПОВ) исследуемых фракций почвы. Показаны следующие закономерности: установлено, что катионы оказывают существенное влияние на ИК-спектры гуминовых веществ, проявляющееся в изменении и появлении характеристических полос поглощения. Влияние каждого катиона на спектры уникально, однако для всех гуматов характерны общие изменения, такие как переход карбоксильных групп в карбоксилаты. спектры калиевых гуматов содержат наименьшее количество характеристических полос, что снижает их информативность для НПВО ИК-спектрометрии гуминовых веществ. При этом спектры калиевых и натриевых гуматов имеют значительные различия, за исключением эффектов, связанных с карбоксилатными группами, что указывает на различия в их структуре и свойствах. Спектры гуматов аммония демонстрируют сходные полосы с натриевыми гуматами, однако интенсивность полос аммонийных гуматов значительно выше и сопоставима с пиками гуминовых кислот, что делает их спектры наиболее выраженными и информативными для дальнейшего анализа. Проведены исследования различий ИК-спектров гуматов натрия, калия и аммония, а также зависимости спектров от исходных гуминовых кислот. Получены результаты качественного и количественного сравнения результатов для различных фракций. Как расширение работ по сравнению с исходным планом показана возможность использования двумерной корреляционной спектроскопии не только для качественного анализа молекулярных спектров, но и для улучшения чувствительности количественного анализа. Разработаны (1) подход к увеличению чувствительности анализа при помощи молекулярной абсорбционной спектроскопии за счет улучшения отношения сигнал/шум с помощью математической обработки спектров и (2) алгоритм фильтрации шума, основанный на использовании закономерностей, наблюдаемых в значениях фазы колебаний ионов. | ||
| 2 | 1 января 2026 г.-31 декабря 2026 г. | Разработка методологии высокочувствительного многомерного молекулярного анализа природного органического вещества с использованием химического фракционирования |
| Результаты этапа: - | ||
| 3 | 1 января 2027 г.-31 декабря 2027 г. | Разработка методологии высокочувствительного многомерного молекулярного анализа природного органического вещества с использованием химического фракционирования |
| Результаты этапа: - | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".