Massespektrometri til generel brug

Toldmyndighederne ønsker at opdage smuglergods. Læger vil gerne vide, hvor hurtigt en patient metaboliserer et terapeutisk lægemiddel. Og leverandører af økologiske produkter, fra kosttilskud til honning, ønsker at vide, at deres råvarer er rene. Hvert tilfælde kræver massespektrometri - en teknik, der identificerer molekyler baseret på deres masse - men nuværende instrumenter er omfangsrige, dyrt, og typisk specialiseret i en klasse af kemikalier, afskrække udbredt brug uden for en specialiseret laboratorieindstilling.

Massespektrometri er op til udfordringen, men der er brug for bedre teknologi for at lave mere fleksible instrumenter. Et lovende forskningsområde bruger et atmosfærisk tryk glødeudladningsplasma - en delvist ioniseret gas, der kan gøres stabil ved stuetemperatur og -tryk - til at sondere prøver for elementære og molekylære arter, og kunne føre til brugervenlige massespektrometriske analyser med brede muligheder.

"Ideelt set ønsker vi et system, der kan registrere alt, og vi ønsker at være i stand til at tage det system med i marken for at teste materialer på stedet, " sagde Jacob Shelley, en ekspert i plasma-baserede ambient massespektrometri instrumenter, som for nylig sluttede sig til fakultetet på Rensselaer Polytechnic Institute. "Vi forsøger at lave et mere fleksibelt instrument, der vil give os mulighed for at opdage mange ting på samme tid. Det er vores mål."

Massespektrometri udnytter den simple sandhed, at atomer af hvert element, samt ioner og isotoper af disse grundstoffer, har en unik masse. Derfor molekyler – opbygget af atomer, ioner, og isotoper – har også en unik masse. Et massespektrometer bruger et elektrisk eller magnetisk felt til at måle massen af ​​et molekyle, producerer et signal, der kan oversættes til identiteten af ​​den kemiske art:koffein er 195; dipheylamin, et kemikalie sprøjtet på æbler, er 170; kokain er 304.

Problemet er, at nuværende instrumenter kun kan behandle molekyler, der er i gastilstand og ioniseret (besidder en positiv eller negativ ladning), hvilket betyder, at de fleste prøver skal behandles, før de indføres i massespektrometeret til analyse. For nu, massespektrometri er afhængig af en række tidskrævende behandlingsmetoder, der adskiller og ioniserer molekyler før analyse. Og alt efter metoden, prøver som fødevarer, lægemidler, eller væv kan blive ødelagt under behandlingen.

Den største udfordring for en generaliseret procesmetode er den kemi, der er nødvendig for at ionisere molekylet, sagde Shelley. De fleste af de metoder, der er blevet udviklet, er afhængige af specifikke kemier, der favoriserer ionisering af en klasse af molekyler frem for en anden. Shelley er ved at udvikle en metode, der udnytter de usædvanlige egenskaber og kemi ved plasmaer, som er rige på frit bevægende ioner og elektroner, og derfor meget interaktive. Selvom de mest almindeligt kendte plasmaer er ekstremt varme - ved næsten 10, 000 grader Kelvin, nogle plasmaer konkurrerer med solens temperatur - Shelley arbejder med mere nyligt udviklede glødeudladningsplasmaer, som er stabile ved stuetemperatur og atmosfærisk tryk.

I sit laboratorium, Shelley demonstrerer et eksperimentelt instrument så godartet at det kan teste prøver ioniseret fra en fingerspids, og så alsidig, kan den detektere arter fra relativt små spormængder af metaller til store labile biomolekyler som peptider og proteiner. Ved udviklingen af ​​teknologien, Shelleys forskningsgruppe har brugt instrumentet til at opdage forfalsket honning, at kvantificere skadelige toksiner i ferskvandsalgeopblomstring, og screene de råvarer, der bruges i kosttilskud.

"Plasmaet er nyttigt som en ioniseringskilde, fordi det stiller en række forskellige kemikalier til rådighed, " sagde Shelley. "Det kan gøre det muligt at ionisere en bred klasse af molekyler, hvilket kunne føre til mere generaliserede instrumenter."