Как работает масс-спектрометрия, позволяющая узнать состав чего угодно

Шерлок Холмс и другие детективы всегда пристально изучали состав улики, будь то пятно или краска на одежде, кровь или следы яда в молоке. Каким образом мы узнаем о наличии интересующей нас субстанции? Ведь речь идет о молекулах, которых не видно даже в микроскоп!

Рассказывает гость программы «Вопрос науки», кандидат физико-математических наук, старший преподаватель Центра «Сколтеха» по научным и инженерным вычислительным технологиям для задач с большими массивами данных Юрий Костюкевич.

Радуга для молекул

Все антидопинговые исследования, скрининги на пестициды, антибиотики, идентификации химического оружия — все это основано исключительно на масс-спектрометрии. Масс-спектрометры даже в космос летают: и на марсоходах, и на зондах. Например, на миссии «Кассини — Гюйгенс», которая отправилась на Титан, было четыре масс-спектрометра. Когда мы слышим по телевизору о том, что где-то нашли органику, внеземную жизнь или воду, надо понимать, что измерение сделано на масс-спектрометре.

Что это такое? Всем известно, что капли дождя разлагают солнечный свет на спектр, вычленяют из него красный, оранжевый, синий и т. д. Масс-спектрометрия работает на очень похожем принципе — это такая радуга для молекул. Если у вас на «входе» что угодно: кровь, пятно краски, мясо или молоко — масс-спектр дает вам эту радугу, и, смотря на каждый цвет спектра, вы можете определить, из чего она состоит. Если вы нашли в этой радуге цвет, который соответствует чему-то, чего там быть не должно, будь то антибиотик, лекарство или допинг у спортсмена, вы можете сделать вывод, что данное вещество в вашей смеси присутствует.

Цвет в нашем описании — это, конечно, аналогия, на самом деле это отдельные молекулы. Молекулярный спектр можно представить себе как табличку из двух колонок. По одной колонке идут массы молекул, которые есть в вашей смеси. А во второй колонке — их интенсивность, то есть сколько таких молекул там есть.

Массу самого легкого атома водорода мы берем за единичку. Масса молекулы аспирина или парацетамола — это где-то между 100 и 200. В первой колонке у нас будут пробегать значения от 0 до 1000. А во второй мы регистрируем их интенсивность: сколько молекул такой массы есть в вашей смеси. Это и называется масс-спектр. Его можно нарисовать как график: тогда это будет двумерная картинка, на которой по горизонтальной оси откладываются массы, а по вертикальной оси стоят палочки, высотой равные интенсивности.

В действительности у молекул гигантское количество других параметров: это и дипольные моменты, и квадрупольные, и много чего еще. Но это практически невозможно померить для сложной системы. А массу можно померить для всех молекул одновременно и параллельно. Все мы знаем, что в компьютерных технологиях есть идея параллельных вычислений, когда мы разделяем задачи. Масс-спектрометр работает по похожему принципу: он измеряет массу для всех молекул одновременно, и ему неважно, насколько сложна исходная смесь. Это может быть чистое вещество — аскорбинка или аспирин из аптеки, а может быть кровь, в которой 100 000 соединений, и масс-спектрометр все равно сработает и разложит ее на эту «радугу».

Масс-спектрометр измеряет молекулы в вакууме. Не в жидкости, где они обычно находятся, и не в газе при атмосферном давлении, а в вакууме. Более того, он измеряет не нейтральные молекулы, а заряженные. Почему заряженные? Потому что единственный способ у человечества воздействовать чем-то на материю — это электрическое поле, ничего другого просто нет. Сначала нужно посадить заряд на молекулу, протащить ее из естественной среды обитания (например, из мочи пропихнуть в вакуум), заряженную, и только потом с ней можно что-то делать.

За изобретение способов, как договориться с молекулой, в 2002 году дали две Нобелевские премии. Ведь это на самом деле проблема. Люди придумали несколько способов, как с разными молекулами договариваться, но молекула может «не хотеть». И, к сожалению, остаются классы молекул, с которыми договариваться не получается. Но люди над этим работают.

«Отпечаток пальца» у молекул

Масс-спектрометр никогда не работает сам по себе, он всегда работает в комбинации с хроматографом. Это такое изделие, которое тоже работает как молекулярная радуга, тоже растягивает молекулы на спектр. Представьте себе, что вы испачкали штаны какой-то краской, и, сколько бы вы ее ни терли обычной водой, вы эту краску никогда не смоете. А если вы ее польете бензином, то у вас эта краска мгновенно сойдет. Хроматограф работает по такому же принципу: вы вашу смесь наносите на специальный сорбент и сначала начинаете поливать его водой, и тогда выходят только молекулы, которые смываются водой, а потом начинаете поливать, скажем, бензином. Да просят меня мои коллеги-специалисты за эту грубую аналогию!

Масс-спектрометр измеряет массу для каждого слоя. Таким образом, у нас есть два параметра: это соотношение растворителя и масса. Под эти параметры подпадает уже гораздо меньше молекул. Но это тоже далеко не все. Если обращаться к регулирующим документам, то должны быть измерены дополнительные параметры: время выхода из хроматографа, точная масса, которую измеряет масс-спектрометр, спектр фрагментных ионов.

Что такое спектр фрагментных ионов? Масс-спектрометр разлагает смесь молекул на радугу, он может захватить в этой радуге отдельный цвет, выделить и что-нибудь с ним сделать. Что именно? Просто сломать. Представьте: из жуткой смеси вы вычленяете какую-то отдельную молекулу и ломаете, рвете ее на кусочки. И вы на том же масс-спектрометре измеряете вес фрагментов. То есть вы знаете, на что развалится молекула в эксперименте: каждая молекула разваливается на свои фрагменты.

Все параметры, которые мы перечислили (время выхода, точная масса и спектр фрагментации) формируют уникальный «отпечаток пальца», по которому молекулы можно отличать друг от друга. Мы знаем, что людей с одинаковыми отпечатками пальцев не бывает, не так ли? Но почему не бывает? Нас сейчас на Земле 7 млрд, и из 7 млрд не бывает. А если бы нас было 7 трлн? Возможно, в таком случае совпадения могли бы быть.

С молекулами все обстоит ровно так же. Человечество за всю свою историю столкнулось со 100 млн различных молекул. Эти молекулы записаны в большой американской базе данных — PubChem. Так вот, «отпечатки пальцев» измерены для 20 000 молекул из этой базы. То есть достоверно мы можем определять только 20 000 соединений. Это скользкий момент: остальные 99 980 000 мы идентифицировать не можем.

Ученые и регулирующие органы полагают, что, скорее всего, все остальные из этих 100 млн вряд ли будут в базе. Если появляется что-то новое и действительно важное, например новые наркотики (а это гигантская проблема: каждый год появляется несколько десятков новых синтетических, дизайнерских наркотиков), их нужно изъять, промерить, внести в базу данных и распространить по всем лабораториям, чтобы люди могли их определять. Пока оно не попало в базу данных, вы его не сможете идентифицировать.

Когда идет речь об идентификации какого-то вещества в арбитражных вопросах и люди в лаборатории отвечают за результат, который может повлечь последствия (например, человека могут посадить в тюрьму, если у него найдут наркотик, или наложить санкции на спортсмена за допинг), — для этого существуют правила идентификации. У вас должен быть официальный стандарт вещества — его привозят к вам с завода, и завод должен поручиться на 100%, что он изготовил настоящий стандарт: образец с паспортом. В России это называется «государственный стандартный образец».

Вещество должно приехать в лабораторию под контролем, чтобы его никто не подменил в дороге. И в лаборатории на том же самом оборудовании, в тех же экспериментальных условиях должен быть произведен аналогичный анализ реального объекта и образца, и результаты должны совпасть. Только в таком случае это принимается как доказательство.

Самый мощный масс-спектрометр за $20 млн

Лет десять назад масс-спектрометров в России было немного. Данная техника закупалась исключительно в научные институты, учреждения судебно-медицинской экспертизы, экспортного контроля. Сейчас даже коммерческие компании могут себе позволить масс-спектрометр. Несмотря на то что в последнее время техника получила огромное распространение, в России сейчас, наверное, около 1000 масс-спектрометров самых разных. Это дорогие приборы.

Сделать масс-спектрометр не так просто. Конечно, можно сделать некий лабораторный прототип, но разница между «работает как-то» и «это кто-то захочет купить» — очень большая. Я думаю, многие любители, наши современные Кулибины, могут в гараже собрать автомобиль, и он даже поедет. Но смогут ли они его продавать, будут ли у них покупать это люди? Обеспечат ли они техническую поддержку? Будет ли он удобен в использовании? И с масс-спектрометром все точно так же.

Да, можно сделать лабораторный прототип. Но лабораторный прототип — это не коммерческий продукт. Его не может купить человек, который в нем ничего не понимает, которому нужны удобные интерфейс и система и чтобы его можно было починить своими усилиями, если что-то выйдет из строя. Современный рынок масс-спектрометров фактически поделен между шестью компаниями-гигантами. Они заняли эту нишу, и войти в нее довольно сложно — просто потому, что они на таком высокотехнологичном уровне, что подтянуться сложно.

Есть группы, которые занимаются усовершенствованием качества измерений. В частности, две американские лаборатории. Национальная лаборатория высоких магнитных полей в Таллахасси во Флориде создала самый мощный в мире масс-спектрометр ценой $20 млн. Он показывает восхитительные результаты. В мире всего лишь две таких установки, обе в Соединенных Штатах, и результаты, которые они показывают, поражают, потому что они могут разложить молекулярную смесь на сотни тысяч различных молекул. Этого не может ни один другой современный масс-спектрометр. Если вспомнить нашу аналогию с радугой, то это подобно тому, как некий хитрый оптический прибор смог бы разложить солнечный свет на 7000 различных цветов.

Это так называемый масс-спектрометр ионного циклотронного резонанса, он работает по принципу вращения заряженных частиц в магнитном поле. Для того чтобы измерять ток, который эти молекулы, вращаясь, наводят на две железные пластинки, и для того, чтобы повышать характеристики масс-спектрометров, работающих на таком принципе, есть несколько путей. Один из них — это более высокие магнитные поля, и это как раз то, что было сделано в этом приборе. Если коммерческие приборы самые лучшие имеют 15 Тл (тесла — единица индукции магнитного поля), то тут 21 Тл.

Все мы ждем, что в будущем приборы подешевеют и уменьшатся в размере, потому что современные масс-спектрометры, к сожалению, весят несколько сотен килограмм. Пока это очень дорогая и неповоротливая вещь.

Антибиотики перестают помогать, но есть дурнопахнущая альтернатива

Ген, это ты во всем виноват!

«Идея "натуральной" еды — одна из самых вредных ошибок»

Читайте также
Бьет, как Мухаммед Али: эксперимент канала «Наука» показал силу удара подушки безопасности
Бьет, как Мухаммед Али: эксперимент канала «Наука» показал силу удара подушки безопасности
Вот почему так важно пристегиваться в машине.
«Кастрюлька», открывающая тайны Вселенной: что такое реактор ПИК
«Кастрюлька», открывающая тайны Вселенной: что такое реактор ПИК
Удои не повысятся, но тайны Вселенной приоткроются. Реактор ПИК открывает новые горизонты физики.
Выявлен фактор, который может помешать работе квантовых компьютеров
Выявлен фактор, который может помешать работе квантовых компьютеров
Он есть практически повсюду.