Специалисты из Сколтеха и МФТИ разработали приспособление для масс-спектрометра — прибора для анализа молекул и состава смесей.

Новое устройство позволяет одновременно проводить исследование одного вещества «с четырех точек зрения», а также работать сразу с несколькими веществами на одном масс-спектрометре (классический масс-спектрометр предполагает последовательные исследования с различными веществами). Работа опубликована в журнале Analytical Chemistry.

Самый эффективный способ определить состав неизвестной смеси — взвесить ионы молекул (заряженные молекулы), входящие в ее состав. С помощью электрических и магнитных полей можно управлять движением заряженных молекул, а также разделять их по величине массы и заряда. Прибор, который использует такой подход для определения массы молекулы, а точнее — для определения отношения массы к заряду (что в свою очередь позволяет установить состав вещества), называется масс-спектрометром. Его конструкция включает три основных элемента: ионный источник, где нейтральные молекулы исследуемого вещества превращаются в ионы, масс-анализатор, где происходит «сортировка» ионов по массе и заряду, и детектор — там осуществляется «запись» информации об отсортированных ионах.

Масс-спектрометрия применяется для определения составов смесей в фармацевтике, металлургии, нефтегазовой, ядерной и пищевой промышленности, косметологии. Весь допинг-контроль производится на масс-спектрометрах. Этот список можно долго продолжать, поскольку в настоящее время масс-спектрометрия — основной способ определения составов химических и биохимических смесей. С момента изобретения первого масс-спектрометра прошло более ста лет, однако ученые продолжают совершенствовать метод, делать его быстрее, эффективнее и универсальнее.

Масс-спектрометр

Существует несколько методов ионизации, которые могут быть применены ко множеству различных веществ, однако область действия каждого из них ограничена: они «работают хорошо» только с определенными веществами. Классический масс-спектрометр предполагает работу с одним источником ионов, что уменьшает выбор исследуемых молекул. Чтобы решить эту проблему, российские ученые, член-корреспондент РАН профессор Евгений Николаев и к. ф.-м. н. Юрий Костюкевич, предложили в одном масс-спектрометре совместить четыре способа ионизации: обычный и нативный электроспреи (ESI), радиоактивную ионизацию и фотоионизацию при атмосферном давлении (APPI).

«Масс-спектрометрия — мощный метод исследования вещества, основанный на ионизации с последующим измерением массы молекул. Стадия ионизации является одной из наиболее проблемных, поскольку именно на ней вещество переходит из своего естественного состояния в газовую фазу. Различные методы ионизации позволяют анализировать различные фракции образца. Нам впервые удалось соединить пять различных способов (четыре метода ионизации и метод термической диссоциации. — Прим. ред.) на одном масс-спектрометре. Это позволит проводить наиболее полный анализ исследуемого вещества», — комментирует профессор Сколтеха и МФТИ Евгений Николаев.

Расскажем о каждом способе по порядку. Электроспрей (ESI) — метод ионизации жидкости в сильном электрическом поле с последующим переходом в газообразную фазу. Исследуемое вещество в жидком состоянии электризуется в капилляре, к которому приложено высокое напряжение (два-пять киловольт). Заряженная капля выходит из капилляра и движется в электрическом поле, распадаясь на множество маленьких заряженных капель. По мере испарения растворителя вещество переходит в газообразное состояние. Метод ионизации электроспреем хорошо подходит для ионизации нефтепродуктов и белков. Нативный ESI — способ ионизации белков с сохранением их естественной пространственной структуры, предполагает более мягкие условия ионизации.

Фотоионизация при атмосферном давлении (APPI) — ионизация высокоэнергетическими фотонами (10–40 электронвольт). В данном случае ионизация молекул может происходить за счет поглощения фотонов с испусканием молекулами электронов, а также посредством химических реакций с фотоионизирующимся реагентом. APPI подходит для изучения гормонов и нефти.

Радиоактивная ионизация — ионизация электронами, образовавшимися в результате β-распадa. Сначала ионизируются молекулы окружающего воздуха. Ионизация исследуемого вещества происходит в результате взаимодействия с ионами воздуха.

Авторам удалось соединить в одном масс-спектрометре четыре способа ионизации и разнести их пространственно, чтобы они не могли оказывать влияние друг на друга. Также конструкция прибора позволяет легко его модифицировать, добавляя в систему новые ионизаторы. Как утверждают разработчики, переключение между режимами занимает меньше секунды, поэтому масс-спектрометр можно использовать для проведения независимых экспериментов одновременно. Кроме того, можно проводить детальный анализ одного вещества с применением всех ионизаторов, один канал можно использовать как эталон, а в остальных проводить молекулярные реакции, такие как дейтерирование (введение дейтерия в молекулы) или озонирование (реакции окисления молекулами озона). Авторы также добавили возможность регулирования температуры исследуемого вещества и его термической диссоциации.

«Наша разработка в перспективе позволит реализовать в аналитической химии концепцию параллелизации анализа в полной аналогии с давно известными в компьютерных науках параллельными вычислениями. В нашем случае каждый источник ионизации выступает как независимый процессор, производящий вычисления (ионизацию определенной фракции вещества), а масс-спектрометр собирает данные от всех источников и передает их исследователю», — говорит научный сотрудник Сколтеха и лаборатории ионной и молекулярной физики МФТИ Юрий Костюкевич.

Ученые продемонстрировали на своем приборе возможность одновременного анализа нефти и биологических молекул в нативном состоянии, а также проведения дейтерирования. Эффективное решение для масс-спектрометрии, предложенное авторами, в будущем может стать распространенным в науке и индустрии.