Forskere designer opgraderingsenhed til massespektrometre

Forskere fra Skoltech og MIPT har udviklet en enhed til at opgradere massespektrometre, der bruges til at analysere den kemiske sammensætning af ukendte stoffer. Den nye enhed analyserer et stof fra fire forskellige perspektiver. Alternativt det gør det muligt at undersøge flere prøver samtidigt. Derimod konventionelle massespektrometre analyserer et stof ad gangen. Forskningspapiret blev offentliggjort i tidsskriftet Analytisk kemi .

Massespektrometri er den mest effektive måde at bestemme den kemiske sammensætning af en ukendt blanding. At gøre dette, først ioniseres prøvemolekylerne. Det er, nogle af deres elektroner bliver flået af, at give dem en elektrisk ladning. Disse ladede molekyler, eller ioner, reagere på elektriske og magnetiske felter ved at afbøje deres bevægelsesbaner. Jo større ladning og jo mindre masse af en ion, jo mere den afbøjes. Denne effekt kan bruges til at adskille ioner baseret på forholdet mellem deres masse og ladning. Et massespektrometer er en enhed, der måler masse-til-ladning-forholdet mellem de ioniserede molekyler i en blanding. Dermed, dets kemiske sammensætning kan bestemmes.

Et massespektrometer har tre grundlæggende komponenter:Først er der ionkilden, hvor molekylerne er ioniseret - dette er den del, der blev forfinet af forfatterne. Masseanalysatoren adskiller ionerne baseret på deres masse og ladning. Endelig, en detektor registrerer informationen om ionerne.

Massespektrometri er allestedsnærværende på tværs af industrier og videnskaber. Det bruges til at identificere sammensætningen af ​​blandinger inden for farmaceutisk og metallurgi, såvel som i det nukleare, olie og gas, og kosmetiske industrier. Det dominerer dopingkontrollen. Selvom massespektrometeret blev opfundet for mere end 100 år siden, forskere fortsætter med at forfine metoden ved at gøre den mere effektiv og universel, og mindre tidskrævende.

Stoffer kan ioniseres på forskellige måder, men hver ioniseringsteknik fungerer godt med et begrænset antal forbindelser. Et konventionelt massespektrometer har én ionkilde ved hjælp af én teknik, reducere antallet af forbindelser, det kan håndtere. For at løse dette problem, professor Evgeny Nikolaev, et tilsvarende medlem af det russiske videnskabsakademi, og Yury Kostyukevich, en ph.d. i fysik og matematik, foreslået et massespektrometer ved hjælp af fire ioniseringsteknikker på én gang. Deres enhed kombinerer almindelig og naturlig elektrosprayionisering med atmosfærisk trykfotoionisering og elektronpåvirkningsionisering. (Teknikkerne vil blive forklaret nedenfor.)

"Massespektrometri er en kraftfuld analytisk teknik. Dybest set, det virker ved at ionisere molekyler og derefter måle deres masse. Det første skridt, ionisering, er, når stoffet ændres til en gasformig tilstand. Denne fase er ret problematisk, fordi en blanding kan indeholde stoffer, der kræver forskellige teknikker for at blive ioniseret, " forklarer professor Evgeny Nikolaev fra Skoltech og MIPT. "For første gang, vi har kombineret fem teknikker i ét massespektrometer. Dette gør os i stand til at analysere blandinger i hidtil usete detaljer." Den femte teknik Nikolaev nævnte refererer til termisk nedbrydning.

Ved elektrospray-ionisering, en væske ioniseres i et stærkt elektrisk felt og bliver derefter til en gas. Først, et stof i form af en opløsning elektrificeres i et kapillar ved to til fem kilovolt. En ladet dråbe forlader kapillæren og bevæger sig i et elektrisk felt, opløses i mange mindre ladede dråber. Når opløsningsmidlet fordamper, stoffet, der undersøges, går også over i gasform. Denne metode fungerer bedst med proteiner og olieprodukter. Derudover der er en mere delikat variation af den samme teknik kaldet native electrospray ionization, som bruges til at analysere proteiner uden at ændre deres naturlige 3-D struktur.

Atmosfærisk trykfotoionisering bruger højenergifotoner. En foton, der bærer 10 til 40 elektronvolt energi, kan forårsage ionisering på to måder:Enten absorberer et molekyle en foton og udstøder derefter en elektron, eller det sker med et kemikalie, der indføres i blandingen. Når ioniseret, at kemikaliet igen ioniserer molekylet ved at reagere med det. Denne teknik er potent til at analysere hormoner og råolie.

Elektronstødionisering virker ved at bombardere prøven med elektroner som følge af et beta-henfald. Denne metode ioniserer først molekylerne i den omgivende luft. De resulterende ioner interagerer med prøvestoffet, ionisere det.

Den nyligt foreslåede enhed gør brug af alle fire teknikker, alligevel foregår de tilknyttede processer uafhængigt i separate rum, for ikke at påvirke hinanden. En yderligere fordel ved dette modulære design er, at enheden kan rumme endnu flere ionisatorer. Ifølge forfatterne, deres massespektrometer skifter mellem tilstande på blot et sekund. Det kan således bruges til at udføre separate eksperimenter samtidigt. Alternativt enheden kan analysere ét stof meget detaljeret ved at bruge alle ionisatorerne. I denne opsætning, blandingen i én ioniseringskanal kan bruges som referenceprøve, mens de resterende kanaler rummer molekylære reaktioner såsom deuteration eller ozonering. (Den første henviser til at substituere brintatomer i vandmolekyler med deuterium, og det andet betyder oxidation via eksponering for ozonmolekyler.) Derudover forskerne indbyggede en mulighed for at kontrollere temperaturen på prøven, som også kan bruges til at nedbryde det termisk.

"I fremtiden, denne enhed vil gøre det muligt at parallelisere analytiske kemioperationer, hvilket ville være fuldstændig analogt med den måde, beregninger blev paralleliseret inden for datalogi for længe siden, " siger Yury Kostyukevich, en forsker ved Skoltech og MIPT. "I denne analogi, hver ioniseringskilde, der virker på en bestemt brøkdel af prøven, er som en individuel behandlingsenhed, der udfører beregninger. Massespektrometeret kombinerer data fra alle kilder og sender dem til forskeren."

Forfatterne har allerede demonstreret, at deres enhed samtidigt kan analysere olie og biologiske molekyler i deres oprindelige stater, samt understøtte deuteration. Denne nye massespektrometriløsning har potentiale til udbredt videnskabelig og industriel anvendelse.