Как работает масс-спектрометрия

Казалось бы, миры аналитической химии и высшей лиги бейсбола находятся на расстоянии миллиона километров друг от друга. Но в современную эпоху спорта атомы и молекулы стали почти столь же важны, как двойные игры и попадания в цель. Почему? – Именно химия позволяет лиге выявлять игроков, виновных в «спортивном допинге» - приеме анаболических стероидов для роста мышц и получения конкурентного преимущества. Фактически, формула каждого заметного скандала последних лет - Марка МакГвайра, Барри Бондса, Алекса Родригеса – выглядит примерно так:

• Спортсмен принимает препарат для повышения производительности, такой как метенолон (торговая марка Примоболан). Препарат либо вводится, либо принимается перорально.
• Во время случайного теста на наркотики спортсмену предлагается пожертвовать часть своей мочи для науки.
• Моча попадает в испытательный центр.
• Химики в учреждении вводят образец мочи в прибор, который выглядит как три фотокопировальных устройства, соединенных вместе. Прибор представляет собой аналитический инструмент, известный как масс-спектрометр. Он проверяет мочу на наличие стероидов или химикатов, которые вырабатываются в процессе обработки стероида организмом, которые могут быть обнаружены в течение нескольких дней или недель после последней дозы, в зависимости от препарата и принятого количества.
• Лаборатория информирует лигу о положительных результатах.

Когда появляются заголовки, они фокусируются на игроке: когда он начал принимать препарат? Как долго это продолжалось? Нарушал ли он законы во время приема? Никто не обращает большого внимания на химию, которая часто вообще не рассматривается. Исправляем этот досадный недосмотр. Эта статья проведет вас через скромную область химии, известную как масс-спектрометрия. В ней будут рассмотрены основные научные принципы работе, а также некоторые передовые методы, которые позволяют анализировать все – от солнечного ветра до выдохов пациента под общим наркозом до продуктов выделения профессиональных спортсменов. Прежде всего, давайте заложим надлежащую основу кратким уроком истории и небольшой теорией.

Принципы масс-спектрометрии несколько абстрактны, поэтому давайте начнем с конкретного умственного упражнения.¹⁾ Предположим, вы хотите взвесить полностью загруженный тракторный прицеп. Самым простым способом было бы подвести буровую установку к большому грузовому весу. Теперь предположим, что вы хотели взвесить одно из колес прицепа. Обычные весы для ванной могут предоставить эту информацию. Затем вы решаете взвесить гайку с одного из колес, что потребует всего лишь кухонных или лабораторных весов. Наконец, представьте, что вы хотите взвесить один атом, соскобленный с поверхности зажимной гайки. Как бы вы измерили это? Даже самые чувствительные лабораторные весы не регистрируют вес чего-то столь маленького.²⁾ Такова была ситуация, с которой столкнулись химики в начале 20-го века. Благодаря атомной теории Джона Далтона, они знали, что вещество состоит из атомов, и что атомы одного элемента одинаковы. Но как выглядит атом, и сколько он весит? В 1897 году Дж.Дж. Томсон открыл электрон, изучив поведение катодных лучей, потока отрицательно заряженных частиц, возникающих на катоде или отрицательном электроде в заполненной газом вакуумной трубке. Год спустя Вильгельм Вин начал работать с «положительными лучами» - потоком положительно заряженных частиц, которые исходят от анода и движутся к катоду. Вин заметил, что магнитное поле может отклонять положительные лучи. Затем, в 1907 году, Томсон начал отклонять положительные лучи с помощью электрического и магнитного полей. Он обнаружил, что может определить массу частиц, измерив, насколько они отклонены. В 1919 году Фрэнсис Астон усовершенствовал методы и аппаратуру Томсона, что привело к появлению первого масс-спектрометра – машины, которая буквально взвешивает атомы и молекулы. Астон использовал свой спектрометр для изучения сотен естественных изотопов. Сегодня химики все еще используют масс-спектрометр для измерения молекулярной массы элементов, изотопов и соединений. Но они также используют его для идентификации химических веществ в образце, определения количества каждого химического вещества в образце и анализа структуры сложных молекул. Далее мы подробнее рассмотрим, что происходит внутри масс-спектрометра.

Масс-спектрометрия является одним из важнейших методов химика-аналитика. К сожалению, существует нескольких связанных терминов, которые могут вызвать путаницу. Давайте попробуем разобраться в этих терминах:

• Масс-спектрометрия: аналитическая методика, используемая для определения химических компонентов или аналитов в химическом образце.
• Масс-спектрометр: фактическое устройство, используемое для проведения масс-спектрометрии. Некоторые масс-спектрометры могут помещаться на столе. Другие заполняют всю комнату.
• Масс-спектр: выход масс-спектрометра. Масс-спектр выглядит как линейный график с шипами или пиками разной высоты.
• Масс-спектрометрист: ученый, который специализируется на масс-спектрометрии.

Чтобы понять основные принципы масс-спектрометрии, рассмотрим человека, стоящего на вершине башни в ветреный день. Человек поднимает различные шары и бросает их один за другим с башни. Когда каждый шар падает, ветер отклоняет его по кривой. Массы шаров влияют на то, как они падают. Например, шар для боулинга намного тяжелее, чем баскетбольный мяч, и поэтому его сложнее передвигать. В результате, шар для боулинга следует по другому пути, нежели баскетбольный мяч. В масс-спектрометре происходит то же самое, за исключением того, что атомы и молекулы отклоняются, а электрические или магнитные поля вызывают отклонение. Это происходит в шкафу, размер которого варьируется от размеры микроволновки до размера морозильника. Шкаф состоит из трех основных частей: ионизационной камеры, масс-анализатора и детектора. Вот как это все работает.³⁾ Чтобы отклониться под воздействием электрического или магнитного поля, атомы сначала должны быть ионизированы или превращены в заряженные частицы. Это достигается путем выбивания одного или нескольких электронов, что приводит к созданию частицы с чистым положительным зарядом. Спектрометристы иногда бомбардируют образец пучком электронов, чтобы ионизировать молекулы. Поступающие электроны действуют как бильярдные шары, отбрасывая электроны в образце. Также используется техника, известная как электрораспылительная ионизация, при которой образец через заряженную иглу выводит электроны. В любом случае, этот первый шаг масс-спектрометрии дает положительные ионы. Далее положительные ионы должны покинуть ионизационную камеру. Сила, необходимая для их перемещения, исходит от электрического поля, создаваемого двумя металлическими сетками. Одна сетка заряжена положительно и отталкивает ионы; другая заряжена отрицательно и притягивает их. Поскольку отталкивание и притяжение действуют в одном и том же направлении, ионы быстро движутся к отрицательно заряженной решетке, которая перфорирована множеством крошечных отверстий. Ионы проходят через отверстия с различной скоростью. Легкие ионы движутся быстрее, чем тяжелые.⁴⁾ В соответствии с законами электромагнетизма, движущийся поток электрически заряженных частиц будет генерировать магнитное поле. Ионы в масс-спектрометре не являются исключением. Они создают собственное магнитное поле, и именно это магнитное поле используется учеными на самом важном этапе спектрометрии. Мы вернемся к этому в следующем разделе.

Создание и ускорение ионов являются, по сути, подготовительными шагами к реальной работе масс-спектрометрии – масс-анализу. Основная задача масс-анализатора – приложить внешнее магнитное поле к ионам, выходящим из ионизационной камеры. Это внешнее поле взаимодействует с магнитным полем, создаваемым быстро движущимися частицами, в результате чего путь каждой частицы слегка изгибается. То, как сильно путь иона искривится, зависит от двух факторов: массы иона и его заряда. Более легкие ионы и ионы с большим зарядом отклоняются сильнее, чем более тяжелые ионы и ионы с меньшим зарядом. Химики объединяют эти две переменные в значение, называемое отношением массы к заряду, которое математически представляется как m / z (или m / e). Например, если ион имеет массу 18 единиц и заряд 1+, его значение m / z равно 18. Если ион имеет массу 36 единиц и заряд 2+, его значение m / z также равно 18. Большинство ионов, перемещающихся из ионизационной камеры в масс-анализатор, потеряли один электрон, поэтому они имеют заряд 1+. Это означает, что значение m / z большинства ионов, проходящих через масс-спектрометр, будет равно массе иона. Конечным результатом является то, что каждый ион идет по пути, зависящем от его массы (рисунок 1). Ионный поток А имеет самые легкие частицы и отклоняется больше всего. Поток ионов C имеет самые тяжелые частицы и отклоняется меньше всего. Масса частиц в потоке ионов B находится где-то посередине. Обратите внимание, что только один из ионных потоков фактически проходит через масс-анализатор и достигает блока детектирования на задней панели устройства. Два других потока попадают на сторону спектрометра и нейтрализуются. Чтобы проанализировать все ионы, химики просто регулируют интенсивность магнитного поля, пока каждый поток не попадет на детектор. Компьютер используется для анализа данных, собранных на детекторе, и для отображения результатов в виде графика, известного как масс-спектр. На большинстве графиков масса, измеренная в атомных единицах массы (amu), нанесена на ось Х. Относительная интенсивность, которая измеряет, сколько ионов данной массы обнаружено, нанесена на ось Y. Далее мы вернемся в высшую лигу и рассмотрим, как масс-спектрометрия используется для выявления злоупотребления стероидами у спортсменов.

Давайте вернемся к моче бейсболиста, которую мы обсуждали во введении. В масс-спектрометрии моча будет называться пробой. Когда-то масс-спектрометры были способны анализировать только образцы в виде газов, но современные модели могут обрабатывать твердые и жидкие вещества. Спектрометристы, обычно аналитики-химики, вставляют образец непосредственно в ионизационную камеру или, если это сложная смесь, в другое устройство, которое выполняет первичное разделение составных частей образца. Хроматография является наиболее распространенным способом проведения этого начального разделения и может происходить в виде газовой хроматографии (ГХ) или жидкостной хроматографии (ЖХ). Хроматография разделяет образец на ряд компонентов, сначала растворяя вещество в газе или жидкости, а затем проталкивая его через вторичный материал. Компонент, который растворим в первой фазе, будет двигаться медленнее, чем компонент, который не растворим в первой фазе, но очень растворим во второй фазе. В результате, различные компоненты становятся разделенными. Каждый из них затем входит масс-спектрометр для анализа. Тестирование мочи на препарат обычно проводится методом газовой хроматографии / масс-спектрометрии (ГХ / МС). Иногда в методе, называемой тандемной масс-спектрометрией, используется более одного масс-спектрометра, который, в основном, действует для разделения больших ионов на более мелкие ионы для более детального анализа. Все это необходимо, потому что моча содержит большое количество компонентов, включая природные стероиды. Использование ГХ / МС или ГХ / МС / МС обнаруживает больше химикатов и дает более надежные результаты. Как химики используют масс-спектрометрию для проверки на нелегальные стероиды? Во-первых, они анализируют несколько известных стероидов, чтобы получить их масс-спектры для целей сравнения. Они также могут опираться на таблицы массовых значений, если они доступны для справки. Затем они анализируют нормальную незагрязненную мочу. Затем они проверяют мочу игрока, используя либо ГХ / МС, либо ГХ / МС / МС. Наконец, они сравнивают масс-спектр, полученный из мочи игрока, со спектрами нормальной мочи и известных стероидов. Сравнивая пики на спектрах, которые представляют собой ионы различной массы, химики могут точно определить, какие лекарства, если таковые имеются, присутствуют в моче. Типичные результаты могут выглядеть так, как показано на рисунке 2. Обратите внимание, что тестируемый образец имеет пики, которые соответствуют стандарту стероидов. Пики представляют собой ионы, содержащие определенные элементы. Например, ион C2H3 будет иметь другой пик, чем ион ОН. Таким образом, масс-спектры используются как «отпечатки пальцев» для идентификации соединений. Далее мы увидим, что эти соединения не должны быть в моче игрока с мячом. Они могут быть практически в любом образце.⁵⁾

Тестирование на вещества – это всего лишь одно из применений масс-спектрометрии. Почти каждая научная дисциплина опирается на аналитическую технику для чистых или прикладных исследований. Рассмотрим эти примеры: Астрономы используют масс-спектрометрию для определения элементов и изотопов, найденных в солнечном ветре. Например, масс-спектр солнечного ветра показывает, что распространены следующие элементы: углерод (12 ед.), кислород (16 ед.), неон (20 ед.), магний (24 ед.), кремний (28 ед.) и железо (56 ед.). Ученые-экологи используют масс-спектрометрию для обнаружения токсинов в зараженной рыбе. Они также могут использовать технику для измерения количества и природы частиц в воздухе в атмосфере, данные, которые могут быть использованы для мониторинга изменения климата. Биологи используют масс-спектрометрию для определения структур сложных биологических молекул, таких как углеводы, белки и нуклеиновые кислоты. Например, вирусологи использовали спектрометр, чтобы глубже понять, как вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) собирается в клетке-хозяине. Анестезиологи используют масс-спектрометрию во время операции для измерения метаболического газообмена своих пациентов. Методика позволяет им определить частоту дыхания или объем произведенного углекислого газа, деленный на объем потребляемого кислорода, что указывает на то, что клетки пациента получают достаточно кислорода и удаляют достаточное количество углекислого газа, чтобы оставаться здоровыми. Геологи используют масс-спектрометрию для обнаружения нефтяных месторождений путем измерения предшественников нефти в породе. А палеонтологи полагаются на спектрометры для датирования углерода, что требует определения изотопов углерода-12 и углерода-14 в образце для определения возраста образца. Конечно, эти применения не привлекают столько внимания прессы, в отличие от результатов спортивной звезды при тестировании на использование стероидов. Такие заголовки могут стать еще более распространенными, поскольку методы масс-спектрометрии улучшаются. Ученые из Университета Пердью и Университета Цинхуа в Пекине недавно разработали более быстрый и чувствительный тест на анаболические стероиды. Испытание объединяет тандемную масс-спектрометрию с техникой ионизации, известной как реактивная десорбционная электрораспылительная ионизация. Используя эти методы, ученые могут идентифицировать семь типов анаболических стероидов в одной капле мочи и делать это со скоростью один образец в секунду. Возможно, это, наконец, вобьёт гвоздь в гроб стероидной эры бейсбола.

:Tags