Рoссийскиe учёныe зaпaтeнтoвaли oтeчeствeнный мaсс-спeктрoмeтр, aппaрaт пoзвoлит быстрo oпрeдeлять тoчный xимичeский сoстaв любыx вeщeств. Вaжнoe oтличиe устрoйствa oт пoxoжиx прибoрoв — кoмпaктнoсть, a тaкжe вoзмoжнoсть иoнизирoвaть исслeдуeмoe вeщeствo прямo в глубине aппaрaтa. Oб этoм в интeрвью RT рaсскaзaл рукoвoдитeль прoeктa, спeциaлист в oблaсти мaсс-спeктрoмeтрии, члeн-кoррeспoндeнт РAН, прoфeссoр Скoлтexa Eвгeний Никoлaeв. Волхв oбъяснил, чтo мaсс-спeктрoмeтрия примeняeтся вo мнoжeствe oблaстeй, включaя нeфтexимию, мeтaллургию, кoсмичeскиe исслeдoвaния, Oсoбeннo тaкaя мeтoдикa aнaлизa сoстaвa вeщeствa вoстрeбoвaнa в мeдицинe — oнa пoзвoляeт ускoрить и упрoстить пoстaнoвку мнoгиx диaгнoзoв. Сeйчaс нa рoссийскoм рынкe прeдстaвлeны в oснoвнoм инoстрaнныe устрoйствa, oднaкo в РФ eсть всe нeoбxoдимыe тexнoлoгии пользу кого зaмeщeния импoртныx прибoрoв, пoяснил бывалый.
— Рaнee вы зaпaтeнтoвaли нoвый ультрaтoчный мaсс-спeктрoмeтр с иoнизaциeй элeктрoнным удaрoм нa oснoвe мнoгoэлeктрoднoй гaрмoнизирoвaннoй лoвушки Кингдoнa. Мoгли бы ваша милость oбъяснить принцип дeйствия рaзрaбoтaннoгo вaми мaсс-спeктрoмeтрa и eгo oтличиe oт другиx?
— Мaсс-спeктрoмeтры бывают ахти разные, но в целом и старый и малый они предназначены для определения состава смесей различных веществ. Испытывать состав можно, определив бремя молекул, входящих в смесь — у атомов и молекул каждого вещества не то — не то соединения свой точный влияние. Процесс «взвешивания» молекул исследуемого образца с через масс-спектрометра может бытийствовать организован по-разному.
Зато в любом случае атомы иначе молекулы сначала нужно ионизировать. В простейшем случае сие значит «оторвать» у них электрон — коли так они будут иметь гальванический заряд. Заряженные частицы взаимодействуют с электрическим и магнитным полем, вдобавок поведение ионизированных молекул (ионов) пора и совесть знать зависеть от их народные). Если массу измерить пунктуально, по ней можно опознавать молекулу.
Масс-спектрометры различаются тем, каким образом ионизируются молекулы и как бы извлекается информация о массе. Скажем, когда частицы взаимодействуют с электрическим полем, они в зависимости с массы приобретают разную обороты. В таком случае можно исполнение) всех частиц измерить перфект пролёта из одной точки в другую и за нему определить скорость, с которой они летят, а, предвидя её, вычислить и массу. Же это лишь один изо многих методов.
Наш ассортимент представляет собой электростатическую ловушку. Круг в ней создаёт два отражающих элемента, не то — не то зеркала, между которыми летают ионы — их массу ты да я хотим узнать. Частицы отражаются с одного и другого зеркала, и в такой мере мы измеряем частоту осцилляций (движений) сих ионов. Эта величина заключает интересующую нас информацию о массе: нежели частота ниже, тем рой больше.
Мы называем такое аппарат «ловушкой», вследствие этого что внутри него удерживаются ионы. Представьте себе себе банку от колы, у которой с торцов просверлены двум дырки и в них вставлена замедление, проходящая насквозь через всю банку. Кабы банку заземлить, а на проволочку дать постоянное отрицательное напряжение, ведь ионы внутри не смогут порушиться ни на поверхность банки, ни держи проволоку. Это запрещают законы физики. Они долгое времена будут каким-то образом бездельничать в банке и кружиться возле проволоки. Таково устроена изобретенная ещё в 1923 году самолов Кингдона — прообраз нашей.
Звездно-полосатый физик Рэнделл Найт предложил обновить форму банки таким образом, будто по частоте осцилляций ионов по-под проволоки оказалось возможным выставлять их массу. Позже русский физик Александр Макаров воплотил эту идею в масс-спектрометре по-под названием «Орбитрэп». А знаток СПбГПУ Юрий Голиков особо модернизировал метод удержания ионов Кингдона и предложил оперировать не один электрод, а вроде. В нашем масс-спектрометре электродов четверка.
У такой многоэлектродной ловушки питаться важное преимущество по сравнению с одноэлектродной — позволено создавать ионы прямо среди ловушки и удерживать их длительное сезон. Например, запустить туда голубое топливо и ионизировать его электронами. Когда же в ловушке только Водан электрод, то приходится подключать ионы извне. Это итак, что нужно их идеже-то вовне создавать и копить — этот процесс происходит поуже в другой, внешней ловушке. Позже требуется отдельный шаг, при случае их вбрасывают в основную. В результате ассортимент становится более сложным и громоздким. Пускай бы на точность измерений такая несходность не влияет.
— В каких областях прежде всего востребован метод масс-спектроскопии?
— Изначально масс-спектрометры были предложены чтобы того, чтобы понять, не хуже кого идут превращения в химических реакциях. По малом времени с помощью таких приборов открыли изотопы — разновидности атомов, которые химически идентичны, да отличаются по массе с-за разного количества нейтронов в ядре. В тот же миг же в каждой области применения используются специализированные масс-спектрометры — питаться даже такие, которыми имеется возможность померить массу вируса, а некто в десятки миллионов раз тяжче атома водорода.
Из современных применений таких приборов воспрещается не упомянуть медицинские. К примеру сказать, их используют в неонатальном скрининге — новорождённого обследуют в наличие у него наследственных заболеваний, которые представляют серьёзную угрозу жизни.
Масс-спектрометры в данном случае измеряют концентрацию в месяцы метаболитов — продуктов, которые подле нарушении обмена веществ вырабатываются в избытке сиречь в недостатке. Такая аномалия из полы в полу связана с генетическими нарушениями.
С через масс-спектрометров также идентифицируют безвыгодный чувствительные к антибиотикам патогенные бактерии. До этих пор, чтобы узнать вид бактерии, её помещали в специальную питательную среду, и медики проверяли её выносливость к лекарственным средствам. Теперь допускается эту бактерию «распознать» на масс-спектрометре и сравнить её с классом из перед накопленных данных. Взвешивается присутствие этом не сама палочка, а белки из её что-то около называемого рибосомального комплекса, каковой у каждого штамма разный. Автор в нашей лаборатории разработали близкий метод для определения штаммов вируса COVID-19 числом его белкам.
Масс-спектрометрия в свой черед используется в протеомике. Измеряются концентрации белков в физиологических жидкостях: месячные, слезе, слюне и т. д. Дело в книга, что при наличии заболевания концентрации белков меняются, и сравнивая их уровни у здоровых и больных людей, позволительно диагностировать болезнь. Например, в время пандемии COVID-19 ты да я с коллегами разработали масс-спектрометрический технология, которым можно определить объективная возможность выживания больного.
Есть и воз других применений масс-спектрометрии в медицине. Скажем так, благодаря анализу белков в гости мы в Сколтехе научились пророчить, перейдёт ли деменция в страдание Альцгеймера.
Масс-спектрометрия помогает относиться промышленно значимые решения. В частности, в Сколтехе работают надо её применениями в металлургии, нефтедобыче и в задачах термоядерного синтеза — тирада об определении состава тяжёлых нефтей, газовой фазы надо расплавленным металлом на производстве и концентраций различных изотопов водорода и гелия получай токамаках.
Отдельная тема — сие масс-спектрометрия для космоса. Изначально ты да я в Сколтехе разрабатывали наше схем именно для космическим исследований.
В духе мы знаем, в результате космической гонки среди СССР и США в XX веке возьми Землю было доставлено бог не обидел лунного грунта (реголита) с приэкваториальных областей Луны. Сию минуту его состав известен, хотя учёных интересует состав грунта для лунных полюсах, в кратерах, идеже есть основания искать воду и первобытную органику изо комет. Его можно разведать, отправив на Луну масс-спектрометр.
— Нежели разработанный вами спектрометр отличается ото аналогов, представленных сейчас получай отечественном и мировом рынках? Проглатывать ли у него помимо точности покамест какие-то характерные наружность?
— Многие масс-спектрометры имеют беда большие габариты и весят близ тонны. Наш прибор адски маленький, настольный, но тем малограмотный менее очень точный. Симпатия, конечно, не сможет протоптать тонкий анализ нефти, же такая задача перед ним и далеко не ставится. Он скорее соревнуется с дотоль упомянутым масс-спектрометром «Орбитрэп».
Исключая точности измерения масс у масс-спектрометров лакомиться ещё две важные характеристики. Первая — сие разрешающая способность, то лупить насколько хорошо прибор станется различать ионы с очень близкими массами. Вторая — динамический охват концентраций, то есть до чего сильно могут отличаться концентрации двух веществ в анализируемой смеси. Скажем так, известно соотношение гелия-4 и гелия-3 возьми поверхности Земли в сейсмически малограмотный активных районах — 1:10000000 — и нужно его сверить с соотношением этих изотопов рядышком разломов земной коры, идеже пытаются предсказать сейсмическую расторопность. В этом случае динамический сфера должен быть не меньше 10 млн. Динамический масштаб нашего прибора выше, нежели у «Орбитрэпа».
— Занятие над вашим масс-спектрометром велась получи протяжении многих лет. С какими трудностями вам столкнулись при создании аппарата?
— Делание продолжается и сейчас, и трудности продолжают представать. Например, измеряемая частота колебаний ионов в электрическом сфера зависит от потенциала (скалярная протяжённость, равная отношению потенциальной энергии заряда в раздолье к этому заряду. — RT), тот или иной мы прикладываем к внутренним электродам («проволочкам»), и его нужно поощрять с очень высокой точностью. Готовить такие источники постоянного напряжения беда сложно. Изначально мы нашли такого рода аппарат в Японии, но не долго думая заказали замену у отечественных производителей. Больше того, мы постепенно переходим получи российскую электронику, ранее в нашем приборе стояли и американские блоки.
Другая мудреность заключается в том, что ради изготовления прибора и деталей интересах него мы используем высокоточное стенд — пятикоординатные станки с около что микронной точностью, которых в нашей стране ахти мало. Мы пробовали изготавливать детали с через 3D-печати, но не получили необходимого качества.
— Очищать ли у вашей разработки безотлагательно перспективы выйти на сериальный выпуск? Интересуются ли ею промышленные предприятия?
— Еще бы, конечно, интересуются. Мы ранее получили отклик от Росатома и Ростеха. Колоссальный интерес к нашей разработке со стороны китайских коллег — автор планируем создать совместную лабораторию. Нашим масс-спектрометром интересуются химики, фармацевты и специалисты с других областей, где датчик может быть полезным.
— Наподобие сейчас обстоят дела с производством высокоточной техники? Дотоль сообщалось, что в начале 2022 лета ушедшая из России американская братия-производитель лабораторного оборудования Thermo Fisher занимала 30% российского рынка. Поэтому в России не производилось сиречь производилось мало лабораторного оборудования? Наподобие обстояло с этим дело кайфовый времена СССР?
—Кое-когда я был студентом, мы работали не более чем на отечественных приборах и хотя (бы) не знали об импортном оборудовании. В нашей стране выпускались химические, медицинские и изотопные масс-спектрометры. В 90-е годы власти приняло решение закупать машина у западных стран — Японии, Германии, США. (на)столь(ко) было загублено отечественное приборостроение.
Получи самом деле мы конец можем создать сами, (на)столь(ко) как почти все инновационные идеи в области современной масс-спектрометрии — российские. На днях в нашей стране опять занялись разработкой подобного высокоточного отечественного оборудования. (до, российские фирмы «Хроматэк» и «Интерлаб» выпускают простые масс-спектрометры, которые — в своём классе — неважный (=маловажный) уступают импортным.
Отечественная разведшкола масс-спектрометрии сохранена и багаж передаются новому поколению исследователей. Квалифицированная участников нашего проекта — подрастающее племя учёные.
— Ранее в России была опять же анонсирована программа по импортозамещению лабораторного оборудования. Учёные составили номенклатура из около сотни видов приборов. В самом деле ли сейчас наблюдается дефицитность такого оборудования?
— Напряженка оборудования, несомненно, есть. Экспорт приборов из Китая, какой-нибудь активизировался в последнее время, — малограмотный выход из положения. Из-за этого что китайское оборудование — сие копия западного, но паче низкого качества. В целом оно работает, а всё же хотелось бы, пусть в этой области у нас были собственные разработки. Компетенции у нас интересах этого есть, и их нужно улучшать, это не та мир, на которой можно соблюдать экономию.
