Учёные 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 четырёх точек зрения», а также работать одновременно с несколькими веществами на одном масс-спектрометре. Классический же масс-спектрометр предполагает последовательную работу с различными веществами. Работа опубликована в журнале Analytical Chemistry.

Коротко о масс-спектрометрии

Самый эффективный способ определить состав неизвестной смеси — взвесить ионы молекул (заряженные молекулы), входящие в её 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-спектрометр. Конструкция масс-спектрометра 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, где происходит «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 продолжать ещё долго, поскольку в настоящее время масс-спектрометрия — это основной способ определения составов химических и биохимических смесей. С момента изобретения первого масс-спектрометра прошло более 100 лет, однако учёные продолжают совершенствовать метод, делать его быстрее, эффективнее и универсальнее.

Различные методы ионизации

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

«Масс-спектрометрия — это 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 методов 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 (2–5 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 — метод ионизации белков с сохранением их естественной пространственной структуры, он предполагает более мягкие условия ионизации.

Фотоионизация при атмосферном давлении (APPI) — ионизация высокоэнергетическими фотонами (10–40 электронвольт). В данном случае ионизация молекул может происходить за счёт поглощения фотонов с испусканием молекулами электронов, а также за счёт 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.

Четыре в одном

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 использованием 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 (в нашем случае ионизацию определённой фракции вещества), а масс-спектрометр собирает данные от всех источников и передаёт их исследователю», — говорит научный сотрудник Сколтеха и лаборатории ионной и молекулярной физики МФТИ Юрий Костюкевич.

Учёные продемонстрировали на своём приборе возможность одновременного анализа нефти и биологических молекул в нативном состоянии, а также проведения дейтерирования. Предложенное авторами эффективное решение для масс-спектрометрии может стать в будущем распространённым в науке и индустрии.