Forskare från Skoltech och MIPT har utvecklat en anordning för att uppgradera masspektrometrar som används för att analysera den kemiska sammansättningen av okända ämnen. Den nya enheten analyserar ett ämne ur fyra olika perspektiv. Alternativt det gör att flera prover kan undersökas samtidigt. Däremot konventionella masspektrometrar analyserar ett ämne i taget. Forskningsdokumentet publicerades i tidskriften Analytisk kemi .

Masspektrometri är det mest effektiva sättet att bestämma den kemiska sammansättningen av en okänd blandning. Att göra detta, först joniseras provmolekylerna. Det är, några av deras elektroner slits av, förse dem med en elektrisk laddning. Dessa laddade molekyler, eller joner, reagera på elektriska och magnetiska fält genom att avböja banorna för deras rörelse. Ju större laddning och desto mindre massa av en jon, desto mer avböjs den. Denna effekt kan användas för att separera joner baserat på förhållandet mellan deras massa och laddning. En masspektrometer är en anordning som mäter mass-till-laddning-förhållandena för de joniserade molekylerna i en blandning. Således, dess kemiska sammansättning kan bestämmas.

En masspektrometer har tre grundläggande komponenter:Först är det jonkällan, där molekylerna joniseras — detta är den del som förfinades av författarna. Massanalysatorn separerar jonerna baserat på deras massa och laddning. Till sist, en detektor registrerar informationen om jonerna.

Masspektrometri är allestädes närvarande inom industrin och vetenskaperna. Det används för att identifiera sammansättningen av blandningar inom läkemedel och metallurgi, såväl som inom kärnkraften, olja och gas, och kosmetiska industrier. Det dominerar dopingkontrollen. Även om masspektrometern uppfanns för mer än 100 år sedan, forskare fortsätter att förfina metoden genom att göra den mer effektiv och universell, och mindre tidskrävande.

Ämnen kan joniseras på olika sätt, men varje joniseringsteknik fungerar bra med ett begränsat antal föreningar. En konventionell masspektrometer har en jonkälla med en teknik, minska antalet föreningar den kan hantera. För att lösa detta problem, professor Evgeny Nikolaev, en motsvarande medlem av Ryska vetenskapsakademin, och Yury Kostyukevich, en Ph.D. i fysik och matematik, föreslog en masspektrometer med fyra joniseringstekniker samtidigt. Deras enhet kombinerar regelbunden och inhemsk elektrosprayjonisering med fotojonisering vid atmosfäriskt tryck och elektronstötjonisering. (Teknikerna kommer att förklaras nedan.)

"Masspektrometri är en kraftfull analytisk teknik. I grund och botten, det fungerar genom att jonisera molekyler och sedan mäta deras massa. Det första steget, jonisering, är när ämnet övergår i ett gasformigt tillstånd. Detta skede är ganska problematiskt, eftersom en blandning kan innehålla ämnen som kräver olika tekniker för att joniseras, " förklarar professor Evgeny Nikolaev från Skoltech och MIPT. "För första gången, vi har kombinerat fem tekniker i en masspektrometer. Detta gör det möjligt för oss att analysera blandningar i oöverträffad detalj." Den femte tekniken som Nikolaev nämnde hänvisar till termisk nedbrytning.

Vid elektrosprayjonisering, en vätska joniseras i ett starkt elektriskt fält och förvandlas sedan till en gas. Först, ett ämne i form av en lösning elektrifieras i en kapillär vid två till fem kilovolt. En laddad droppe lämnar kapillären och rör sig i ett elektriskt fält, sönderfaller till många mindre laddade droppar. När lösningsmedlet förångas, ämnet som undersöks övergår också till gasformigt tillstånd. Denna metod fungerar bäst med proteiner och petroleumprodukter. Dessutom, det finns en mer delikat variant av samma teknik som kallas naturlig elektrosprayjonisering, som används för att analysera proteiner utan att ändra deras naturliga 3D-struktur.

Atmosfäriskt tryck fotojonisering använder högenergifotoner. En foton som bär 10 till 40 elektronvolt energi kan orsaka jonisering på två sätt:Antingen absorberar en molekyl en foton och skjuter sedan ut en elektron, eller så händer det med en kemikalie som införs i blandningen. När joniserad, den kemikalien joniserar i sin tur molekylen genom att reagera med den. Denna teknik är potent för att analysera hormoner och råolja.

Elektronstötjonisering fungerar genom att bombardera provet med elektroner som härrör från ett beta-sönderfall. Denna metod joniserar först molekylerna i den omgivande luften. De resulterande jonerna interagerar med provsubstansen, joniserar den.

Den nyligen föreslagna enheten använder sig av alla fyra teknikerna, ändå sker de associerade processerna oberoende i separata utrymmen, för att inte påverka varandra. En ytterligare fördel med denna modulära design är att enheten kan rymma ännu fler jonisatorer. Enligt författarna, deras masspektrometer växlar mellan lägen på bara en sekund. Den kan alltså användas för att utföra separata experiment samtidigt. Alternativt enheten kan analysera ett ämne i detalj genom att använda alla jonisatorer. I denna inställning, blandningen i en joniseringskanal kan användas som ett referensprov, medan de återstående kanalerna rymmer molekylära reaktioner såsom deuteration eller ozonering. (Den första hänvisar till att ersätta väteatomer i vattenmolekyler med deuterium, och det andra betyder oxidation via exponering för ozonmolekyler.) Dessutom, forskarna byggde in ett alternativ för att kontrollera temperaturen på provet, som också kan användas för att termiskt sönderdela den.

"I framtiden, denna enhet kommer att möjliggöra parallellisering av analytiska kemioperationer, vilket skulle vara helt analogt med hur beräkningar parallelliserades inom datavetenskap för länge sedan, säger Yury Kostyukevich, en forskare vid Skoltech och MIPT. "I denna analogi, varje joniseringskälla som verkar på en viss del av provet är som en individuell bearbetningsenhet som utför beräkningar. Masspektrometern kombinerar data från alla källor och skickar ut dem till forskaren."

Författarna har redan visat att deras enhet samtidigt kan analysera olja och biologiska molekyler i sina hemländer, samt stödja deuteration. Denna nya masspektrometrilösning har potential för omfattande vetenskaplig och industriell tillämpning.