Ученые упростили применение масс-спектрометрии в сельском хозяйстве, промышленности и науке

Научная статья опубликована в журнале Environmental Science and Technology. Природное органическое вещество — ключевой компонент экосистемы любой реки, моря, почвы. Содержащаяся в воде и грунте органика влияет на их свойства, значимые с точки зрения сельского хозяйства, рыбоводства, водоснабжения, фиксации атмосферного углерода и научных исследований. Единственный метод анализа природной органики, который может описать образец как набор формул всех химических соединений в его составе, — масс-спектрометрия высокого разрешения. На специальной установке смесь подвергается ионизации, и ученые распознают входящие в ее состав ионы по соотношению массы и заряда, которое можно определить по частоте вращения в магнитном поле.

«В теории у вас должна быть возможность исследовать свой образец на масс-спектрометре и по полученным результатам найти свойства органики почвы или воды, которые вас интересуют, в базе данных. Вы находите информацию по ранее изученному в любой другой лаборатории образцу, и, если он достаточно похож на ваш, то и их характеристики будут похожи», — объясняет руководитель исследования, старший научный сотрудник Александр Жеребкер из Лаборатории масс-спектрометрии Центра молекулярной и клеточной биологии Сколтеха.

«Но с этим есть две проблемы, — продолжает ученый. — Во-первых, такой сводной базы данных нет, вернее не было. Во-вторых, раз за разом мы видим, что из-за сложного устройства образцов и индивидуальных особенностей инструментов результаты анализа состава значительно варьируются в зависимости от того, кто, где и на каком оборудовании их получил».

Жеребкер и его коллеги предлагают решить эту проблему за счет описания образцов не с точки зрения молекулярного состава, а при помощи другой метрики, которая, согласно новому исследованию, намного более устойчива к различиям между процедурами анализа и инструментами, используемыми в разных лабораториях. Кроме того, авторы исследования собрали и выложили в открытый доступ первую в своем роде базу данных для сбора результатов масс-спектрометрического анализа образцов природного органического вещества с использованием нового подхода к описанию.

Вместо точного молекулярного состава предложенная учеными метрика характеризует образец с точки зрения протекания в нем большого набора химических реакций. Для этого рассматриваются различия в концентрациях соединений, которые являются исходными веществами и продуктами той или иной реакции. Конечно, при таком подходе не получится, скажем, исследовать отдельные побочные продукты, образующиеся при дезинфекции воды.

«Но такие задачи вполне решаемы в рамках одной лаборатории, поэтому здесь бы сработала и традиционная метрика, — говорит Жеребкер. — Там же, где точный состав не требуется, наш подход наконец позволяет сопоставить два образца, независимо от того, где и какой научной группой получены данные. Таким образом, появляется возможность применить столь мощный инструмент, как масс-спектрометрия высокого разрешения, к другим задачам в сельском хозяйстве и науке».

В первую обнародованную версию базы данных вошли сведения лишь по 14 образцам. По словам ее создателей, этот список необходимо последовательно расширять, но в нем уже представлены разные типы почв и реки мира; есть даже одно антарктическое озеро. Эти образцы являются продуктами весьма разных биогеохимических процессов. Антарктическая органика, например, лишена растительных компонентов.

Помимо того, что базой данных можно пользоваться для предсказания свойств почв или вод путем соотнесения новых образцов природной органики с хорошо изученными ранее, есть второй вариант применения — оценка качества измерений. «Если лаборатория проводит масс-спектрометрический анализ досконально изученного образца и получает неожиданные результаты, значит, что-то пошло не так и нужно внести коррективы, иначе нельзя полагаться на полученные в тех же условиях результаты анализа новых образцов», — пояснил Жеребкер. 

Сколтех

438 статей

Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.

Показать больше