ИСТИНА

Предлагаемый проект посвящен определению и сравнению молекулярного состава и структуры индивидуальных компонентов гуминовых веществ (ГВ) из различных источников. ГВ представляют собой природные супрамолекулярные системы, которые являются своеобразными маркерами процесса эволюции неживого органического углерода. Поэтому в рамках предлагаемого проекта будут исследованы гуминовые вещества различного генезиса, включая многолетнемерзлые породы Арктики, ископаемое твердое топливо, почвы и воды. Основная научная новизна проекта состоит в том, что впервые для целей молекулярного картирования системы ГВ будет использовано селективное введение различных изотопных меток в комплексе с последующим анализом масс-спектрометрией ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье (МС ЦИРПФ). Уникальной особенностью метода является его сверхвысокая разрешающая способность. Особое внимание будет уделено разработке способов селективного обмена скелетных протонов: именно данный вид обмена может дать информацию для определения структурной изомерии индивидуальных компонентов сложных молекулярных ансамблей, а так же способам обработки полученных данных. Информация о конкретных структурах идентифицированным молекул позволит перейти к решению прогностических и классификационных задач, которые лягут в основу молекулярной систематики неживого органического вещества.

The proposed project focuses on the identification and comparison of the molecular composition and structure of the individual components of humic substances (HS) from various sources. HS are natural supramolecular systems, which are considered as markers of the evolution of natural organic carbon. Therefore, during the project, humic substances of various origins will be studied, including the Arctic permafrost, fossil solid fuel, soil and water. The main novelty of research project is in selective introduction of different isotopic labels in combination with analysis by Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FTICR MS) in order to map the molecular components of HS system. A unique feature of this method is ultra-high resolution. Particular attention will be paid to the development of processes for the selective exchange of skeletal protons as well as the data processing methods. Only this kind of exchange can provide information to identify structural isomers of the individual components of complex molecular assemblies. Information on the specific structures of the identified molecules will help in solutions of prognostic and classification tasks, which will form the basis of molecular systematics of natural organic matter.

В ходе выполнения проекта планируется получить следующие результаты: 1) получить и охарактеризовать представительную выборку ГВ из 10 уникальных источников: многолетнемерзлые породы Арктики, торфа, уголь, воды и почвы 2) разработать и применить методику 18О/16О обмена всех подвижных кислородов в молекулах ГВ 3) разработать и применить методику селективного H/D обмена скелетных протонов, катализируемого основанием и кислотой. 4) провести анализ исходных и меченых образцов ГВ методом МС ИЦР ПФ и определить количества разных типов скелетных протонов и кислородов в молекулах исследуемых образцов 5) получить зависимости глубины реакции дейтеро -водородного обмена в источнике ионизации от растворителя и температуры десольвирующего капилляра (тонкой трубки через которую газофазные ионы попадают из области атмосферного давления в область пониженного давления) и идентифицировать количество подвижных протонов в каждом индивидуальном соединении гуминовых веществ 5) разработать программное обеспечение для визуализации данных изотопного обмена 6) разработать метод генерации наборов молекулярных структур для исследованных образцов и сравнить их между собой

Авторы предлагаемого проекта активно занимаются исследованием структуры и химических свойств гумусовых веществ. В научных группах, в которых авторы данного проекта состоят, имеется серьезный опыт исследования гумусовых веществ методами масс-спектрометрии ИЦР ПФ и ЯМР спектроскопии, в том числе были разработаны уникальные программные обеспечения FIRAN и Transhumus для автоматизированного анализа сложных органических субстанций природного происхождения ( Kunenkov, E.V. , A.S. Kononikhin, I.V. Perminova, N. Hertkorn, A. Gaspar, Ph. Schmitt-Kopplin, I.A. Popov, A.V. Garmash, E.N. Nikolaev // Anal. Chem. 2009. 81(24), 10106-10115). Данное ПО было успешно применено при исследовании растворенного органического вещества. За последнее время авторами проведен большой объем работ по определению оптимальных условий регистрации МС-спектров. В последних работах коллектив показал возможность простого и удобного определения подвижных водородов и эфирных кислородов во всех соединениях молекулярного ансамбля гуминовых веществ с помощью дейтероводородного и кислородного изотопного обмена. Коллектив первым показал возможность H/D обмена скелетных протонов молекул синтетических гуминоподобных веществ. В этой работе авторы опирались на результаты МС ИЦР ПФ для подсчета длин серий H/D обмена и нахождения конкретных химических структур отдельных компонентов в сложных смесях.

В рамках выполнения проекта были достигнуты следующие результаты: 1) Метод твердофазной экстракции ни гидрофобном сорбенте был адаптирован под гиматомелановые кислоты и почвенные фульвоксилоты. В результате были выделены гиматомелановые кислоты 3 углей, 2 торфов, фульвоксилоты из 6 почвенных кернов вечной мерзлоты бассейна реки Колыма. 2) Разработан метод определения изомеров с составе гуминовых веществ, выделенных из различных источников. Метод заключается в проведении селективного H/D обмена скелетных протонов, выделением и очисткой меченного образца и последующим анализом методом масс-спектрометрией сверхвысокого разрешения. Использование данного подхода показало, что лигниновые компоненты гуминовых веществ отличаются различным вкладом паракумарилового, кониферилового и синапового спиртов, что указывает на источник их происхождения. 3) Проведено картирование карбоновых кислот в составе гуминовых веществ по диаграмме Ван Кревелена. Для этого был разработан метод детерометилирования в сочетании с масс-спектрометрией, который позволяет определить количество карбоксильных групп в составе индивидуальных компонентов гуминовых веществ. Было показано, что молекул, попадающие в одну область на диаграмме Ван Кревелена характеризуются одинаковым количеством карбоксильных групп независимо от источника происхождения. Количество СООН-групп находится в полном соответствии с модельными структурами, предложенными для разных областей на диаграмме Ван Кревелена. Результаты подсчета относительного вклада компонентов с различным количеством карбоксильных групп подтверждаются спектроскопией ПМР: вклад карбоксильных групп падает в ряду река-уголь-торф. 4) Однозначное распределение кислотных групп по компонентам гуминовых веществ позволило разработать метод фракционирования образцов на твердофазном сорбенте за счет различий в кислотно-основных свойствах. Последовательное понижение рН для экстракции от 7 до 2 позволило разделить компоненты гуминовых веществ по их pKa: липиды и полифенолы экстрагируются при рН = 7, алифатические кислоты при рН=5, ароматические при 3 и поликарбоновые кислоты исключительно при рН = 2. Структурные изменения подтверждены одномерной и двумерной спектроскопией ЯМР. 5) Впервые было показана возможность быстрого определения структурных изомеров, с применением H/D обмена в источнике ионизации масс-спектрометра. Повышение температуры капилляра приводило к обмену скелетных протонов, причем количество обменов зависит от структуры соединения и взаимного расположения функциональных групп. Данный подход позволяет сократить процедуру пробоподготовки. Однако время реакции недостаточно для достижения значительной степени мечения, поэтому метод применим для простых смесей и индивидуальных соединений, но малоинформативен для исследования гуминовых веществ. 6) Разработаны несколько версий программного обеспечения для обнаружения серий H/D обмена, дейтерометилирования и кислородного обмена. 7) Для повышения надежности данных масс-спектрометрии, был синтезирован калибровочный стандарт на основе карбоксилированного полистирола. Применение стандарта позволило уменьшить ошибку определения молекулярных масс для всего диапазона значений m/z.