Ученые усовершенствовали прибор для быстрого анализа неизвестных веществ

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

2 303

Выбор редакции

Ученые усовершенствовали прибор для быстрого анализа неизвестных веществ

Ученые усовершенствовали прибор для быстрого анализа неизвестных веществ

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.

 

Коротко о масс-спектрометрии

 

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.

 

Ученые усовершенствовали прибор для быстрого анализа неизвестных веществМасс-спектрометр

 

Различные методы ионизации

 

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.

 

Ученые усовершенствовали прибор для быстрого анализа неизвестных веществ

 

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.

 

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 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.

Naked Science Facebook VK Twitter
Физтех
91Статья
Московский физико-технический институт (МФТИ). Блог о последних научных открытиях ученых МФТИ и других российских вузов и исследовательских центров в различных областях науки, от астрофизики до генной инженерии.
2 303

Комментарии
Аватар пользователя Дмитрий Жуков
33 мин
Не надо скромничать. Темпест - разработка не 4++, а...
Аватар пользователя Айрат Кафман
2 ч
А какой в этом смысл, если и так ребята в погонах...
Аватар пользователя count Zero
Вчера
2012 год. До событий на площади (майдане) в Киеве еще...

Колумнисты

Физтех
91Статья
Сколтех
34Статьи
Discovery Channel
26Статей
СО РАН
6Статей
Комментарии

Быстрый вход

или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку