Масс-спектрометры широко используются в науке для анализа сверхсложных химических и биологических смесей. Ученые из Сколтеха разработали модификацию масс-спектрометра, измеряющего массы по частотам вращения ионизированных молекул в сильных магнитных полях, позволяющую повысить точность измерений масс молекул. Они научились делать электромагнитную измерительную «ионную ловушку», которая позволяет добиться максимальной точности в случае ультравысоких магнитных полей. Результаты работы опубликованы в журнале Analytical Сhemistry.

“Ионная ловушка” представляет собой цилиндр из электродов, внутри которого создаются электрические и магнитные поля, в которых вращаются ионы исследуемого вещества. По частотам вращения ионов можно определить их точную массу. В этом процессе важно, чтобы ионы вращались предсказуемо. А для этого электрическое поле, которое создаёт ловушка своими электродами, должно быть специальной формы. Такое поле называют гармонизированным, а ловушки — ловушками с динамической гармонизацией.

Первая динамически гармонизованная ловушка (DHC) была изобретена в 2011 году профессором Центра Сколтеха по научным и инженерным вычислительным технологиям для задач с большими массивами данных (CDISE) Евгением Николаевым. Она так называется, потому что в реальности поле в ней негармонично, но ионам кажется, что оно такое — из-за их быстрого вращения. Ловушка DHC — лучшая ловушка на данный момент по точности определения спектра, поэтому она активно используется в масс-спектрометрах, применяемых в исследованиях, так как там особенно важна большая точность. Она установлена в масс-спектрометре с самым сильным магнитным полем в Национальной лаборатории сильных магнитных полей, в Таллахасси, США.

Точность измерения масс должна линейно расти с ростом магнитного поля. Магниты со сверхсильным магнитным полем стоят десятки миллионов долларов. В реальности оказалось, что точность при увеличении величины магнитного поля, к сожалению, растет не линейно, а намного медленнее ожидаемого.

Ученые предположили, что это связано с недостатком вакуума в ловушке даже при использовании самых совершенных насосов. И разработали ловушку открытого типа, открытую с обоих концов, что позволяет беспрепятственно откачивать остаточные газы из нее для поддержания необходимого вакуума. Ловушку назвали Zig-Zag Cell.

«Сейчас в нашей лаборатории создаётся этот прибор «в железе». На нём мы проведём эксперименты и проверим, были ли верны наши предположения. Но если они верны — тогда созданная ловушка снова вернёт линейную зависимость точности измерения масс-спектра от магнитного поля, что даст лучшую точность при очень больших магнитных полях. А поскольку точность и так растёт с ростом поля, это означает, что ловушка потенциально позволит создать самый точный из всех существующих масс-спектрометров», – рассказывает аспирант Сколтеха Антон Лиознов.

По словам руководителя исследования профессора Евгения Николаева, масс-спектрометры с новым типом ловушки позволят повысить точность анализа биологических образцов и таких сложных смесей, как нефть, где уже удается обнаружить до 400 тысяч различных соединений.