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.
