Весы для молекул: Масс-спектрометрия

По сути, масс-спектрометр — это прецизионные электромагнитные весы, на которых можно «взвешивать» атомы с точностью до 10−31 грамма. Именно благодаря этому изобретению в двадцатых годах прошлого века были изучены изотопы всех известных химических элементов, а когда любопытство ученых было в достаточной мере удовлетворено, наступила очередь прикладных задач. В сороковые годы в лабораториях Окриджа масс-спектрометр применялся при разделении изотопов урана для первой атомной бомбы, и тогда же появились первые гражданские потребители этих приборов — нефтяные концерны. Они использовали масс-спектрометры для количественного анализа смеси органических газов.

Современные масс-спектрометры несомненно точнее и совершеннее своих предшественников столетней давности, но основной принцип их работы остается неизменным, а конструкция, как и сто лет назад, включает три основных элемента: ионизатор, анализатор и детектор.

Сначала молекулы надо ионизовать, то есть лишить их хотя бы одного электрона. Поскольку электрон в тысячи (а иногда и в десятки тысяч) раз легче молекулы, ионизация практически не влияет на ее массу. После ионизатора частицы попадают в анализатор, который представляет собой вакуумную камеру с электрическими и магнитными полями. Ионы разгоняют электрическим полем, а затем направляют в магнитное поле, где траектория заряженной частицы искривляется. Все частицы движутся в одном и том же поле, а между собой они различаются электрическим зарядом и массой. Чем больше заряд, тем сильнее можно разогнать ион и тем легче повернуть его магнитом, но чем больше его масса, тем труднее это сделать из-за инерции. Какую энергию приобретет частица, какова будет ее скорость и степень искривления траектории, зависит от величины поля и отношения массы частицы к ее заряду.

Если предположить, что при ионизации с каждой молекулы удалось сорвать только по одному электрону (как чаще всего и происходит), все ионы будут однозарядными и характер их движения будет зависеть только от массы. Чем тяжелее ион, тем труднее его «повернуть» и тем меньше будет кривизна его траектории. Получится, что частицы с разными массами будут в буквальном смысле разлетаться в разные стороны.

На последнем этапе нужно зарегистрировать эти ионы каким-нибудь детектором заряженных частиц, например фотопластинкой или вторично-электронным умножителем. Поставив в подходящем месте ряд детекторов, мы увидим, что частицы с разной массой (но с одинаковым зарядом) попадут в разные детекторы. Теперь построим график: по горизонтали отложим координату детектора, зарегистрировавшего ион, а по вертикали — количество этих ионов. У нас получится масс-спектр — картинка, похожая на спектр излучения: чем больше разница в массах, тем дальше точки попадания отстоят друг от друга, а чем больше в данное место прилетает частиц, тем больше сигнал и выше соответствующий пик.

На самом деле в современных системах используется только один детектор. На него при конкретном значении поля фокусируются ионы определенной массы. Постепенно меняя величину поля, можно направлять в детектор по очереди разные ионы и регистрировать их. Компьютер вычисляет по значениям поля соответствующие массы, сравнивает с базой данных и строит масс-спектр.

В ряду основателей масс-спектрометрии первым стоит имя открывателя электрона сэра Джозефа Джона Томсона. В то время, в конце позапрошлого века, многие физики активно изучали электрические разряды в газах. В первую очередь их интересовали возникавшие при этом заряженные частицы. Поставив ряд остроумных опытов, Томсон смог определить параметры отрицательно заряженных частиц (которые мы теперь знаем как электроны), а потом занялся положительно заряженными — ионами. Для изучения ионов ему пришлось собрать отдельную установку. Томсон разместил катод с отверстиями в середине стеклянной трубки, за ним — магнит, а еще дальше за трубкой — фотопластинку. Положительно заряженные ионы разных химических соединений, находившихся в трубке, летели к катоду, через отверстия попадали в магнитное поле и в итоге оставляли следы в разных местах фотопластинки. По координатам частиц на фотопластинке и известным значениям поля Томсон вычислил отношение масс ионов к их зарядам и отметил на фотографиях траектории ионов водорода, атомарного и молекулярного кислорода, углекислого и угарного газа, ртути и неона. Так началась эпоха масс-спектрометрии.

После Первой мировой войны исследования Томсона продолжил его ассистент Фрэнсис Уильям Астон. Усовершенствованный прибор, который Астон назвал масс-спектрографом, позволял не только увидеть линии, соответствующие частицам с разными массами, но и обладал достаточной точностью для определения количественных соотношений между ними. Больше всего Астона и его сотрудников поразило то, что атомные веса всех легких элементов, выраженные в относительных единицах, с удивительной точностью соответствовали целым числам. Приняв массу атома кислорода за 16 единиц, для углерода получили значение 12, для азота — 14 и т. д. Для тяжелых элементов, с атомным весом более 30, это «правило целого числа» начинало слегка нарушаться, но самым странным оказалось значение атомной массы водорода — не 1, а 1,008. Причем точность масс-спектрографа была такова, что эту, на первый взгляд незначительную, разницу нельзя было списать на ошибку измерений. Первым, кто понял важность, а главное — смысл этой аномалии, был сам Астон. По его мнению, этот экспериментальный факт подтверждал не что иное, как взаимный переход массы и энергии, предсказанный теорией относительности: когда несколько протонов (ядер водорода) соединяются, образуя другой элемент, часть их массы переходит в энергию, и в итоге масса, например, гелия оказывается несколько меньше суммы масс составляющих его частиц.

«Результаты, полученные с помощью масс-спектрографа, устранили всякие сомнения в этом вопросе... — сказал Астон в своей Нобелевской лекции в 1922 году. — Мы можем быть совершенно уверены в том, что при превращении водорода в гелий определенная часть массы должна исчезнуть... Возможно, будущие исследователи откроют какой-нибудь способ освобождения этой энергии, который позволит ее использовать. Тогда человечество получит в свое распоряжение такие возможности, которые превосходят любую фантазию». Астон подкрепил свои слова цифрами. По его расчетам, сделанным на основе масс-спектрометрических измерений и теории относительности, если весь водород, содержащийся всего в 9 граммах воды, превратить в гелий, выделится энергия в размере 200 000 кВт/час, чего по современным меркам достаточно для освещения обычной городской квартиры в течение нескольких лет. Теперь-то мы точно знаем, что именно такие ядерные реакции — источник солнечной энергии, но управлять ею люди умеют только в режиме термоядерной бомбы, иначе говоря, пока еще вовсе не умеют.

Так эксперименты с газоразрядными лампами позволили физикам сделать далеко идущие выводы о фундаментальных свойствах материи, а заодно создать замечательный прибор — масс-спектрометр.

С появлением новых способов детектирования вместе с фотопластинками постепенно ушло в прошлое и придуманное Астоном название — масс-спектрограф. На смену пришли современные масс-спектрометры, которые в большинстве своем сохранили в качестве основного элемента магнитное поле. Масс-спектрометры с магнитом остаются непревзойденными по чувствительности, и, несмотря на огромные размеры и высокие энергозатраты, им нет альтернативы там, где нужна высокая точность. Поиски более компактного и экономного решения привели в середине 50-х годов профессора Вольфганга Пола и его сотрудников из университета Бонна к созданию масс-спектрометра без магнитного поля — квадрупольного анализатора с переменным электрическим полем. Такой анализатор состоит из четырех стержней, на пары противоположных стержней подается радиочастотное переменное напряжение и дополнительно — постоянное напряжение между парами. В зависимости от величин напряжения и частоты к детектору между стержнями движутся только ионы с определенным отношением массы к заряду, а остальные вылетают наружу. Конструкция оказалась действительно компактной и очень практичной.

Миниатюрный квадрупольный масс-спектрометр был изготовлен специально для обеспечения безопасности астронавтов международной космической станции, в том числе и при работе в открытом космосе. Это устройство размером с коробку для обуви и весом 2,3 кг может непрерывно контролировать утечки аммиака, азота, ракетного топлива, кислорода, воды и разных других веществ.

Еще до квадруполя, в 1946 году, сотрудник университета Пенсильвании Уильям Стефенс придумал другой способ сортировки молекул по массе без магнита — времяпролетный масс-спектрометр. В нем остался только небольшой участок электрического поля для разгона ионов,

а основную часть занимало бесполевое пространство. Принцип действия этого прибора был замечательно прост: тяжелые ионы труднее разогнать из-за их инерции, а следовательно, они, имея меньшую скорость после разгона и двигаясь медленнее в дрейфовом пространстве без поля, прилетают к детектору позже легких. Если считать, что все ионы заряжены одинаково, время в пути будет прямо пропорционально квадратному корню из массы. Сначала в детектор прилетят легкие ионы, затем те, что потяжелее, и в последнюю очередь — самые тяжелые. Такой прибор оказался проще (хотя и имел меньшую точность, чем магнитный) и дешевле, а к тому же обладал огромным быстродействием, поскольку весь спектр ионов в широком диапазоне масс регистрировался за один проход и не нужно было тратить время на постепенное изменение поля.

С помощью времяпролетного масс-спектрометра в 1985 году был открыт целый класс новых веществ — фуллерены. К тому времени уже было известно, что в парах углерода присутствуют кластеры — молекулы, состоящие из разного числа атомов углерода (до 24). Благодаря масс-спектрометрам удалось различить эти кластеры и определить их массы. Когда от паров перешли к изучению углеродной плазмы, направляемой в поток гелия, на масс-спектрах стали видны молекулы из большего числа атомов, в том числе С60 и С70. А при определенных режимах создания плазмы пик, соответствующий С60, стал в несколько раз выше всех остальных, что свидетельствовало об устойчивости этого соединения. Так были обнаружены необычные молекулы в форме футбольного мяча, состоящие из 60 атомов углерода, за что первооткрывателям фуллеренов в 1996 году была присуждена Нобелевская премия по химии.

Поистине безграничная сфера применения масс-спектрометрии — анализ сложных органических веществ, без которого немыслима современная медицина и биология. Однако это стало возможным только после появления новых методов ионизации. Ведь для масс-спектрометрического анализа нужно получить свободные ионы, а значит, испарить вещество. Большинство биологических молекул не выносит такого насилия над собой и распадается под действием высоких температур, сопровождающих процесс испарения. Поэтому для них изобрели более деликатные способы превращения в свободные ионы. Один из них — ионизация электрораспылением. Раствор вещества под давлением поступает в металлический капилляр, на который подано высокое напряжение (3−4 кВ). Из узкого носика капилляра выдавливаются капли, которые, будучи сильно заряженными, распадаются, теряя по пути молекулы растворителя, а напряжение подбирается таким образом, что в масс-спектрометр попадают в основном ионы биомолекул. Второй метод, под названием «матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация», еще более хитрый. Изучаемый образец наносится на матрицу из специально подобранного вещества, способного эффективно поглощать лазерное излучение. При стремительном нагреве этого «бутерброда» лазерным импульсом молекулы образца ионизуются, не успевая распасться на части.

Благодаря новым способам ионизации масс-спектрометрия биомолекул с использованием сравнительно простых и дешевых квадрупольных и времяпролетных масс-спектрометров стала широко применяться на практике — при разработке новых лекарственных препаратов, определении следов психотропных и наркотических веществ, исследованиях ДНК, белков и прочих субстанций. Существуют целые банки данных, с помощью которых можно идентифицировать органическое вещество по его составляющим, обнаруженным в масс-спектрометре.

Очень плодотворным оказалось сочетание масс-спектрометрии и другого физико-химического метода, предназначенного для разделения и анализа смесей — хроматографии. Сначала с помощью хроматографа выделяют компоненты смеси и затем по отдельности направляют их на вход масс-спектрометра. Подобными устройствами оснащены лаборатории допинг-контроля. С помощью хромато-масс-спектрометров определяют содержание анаболических стероидов, анальгетиков, диуретиков, стимуляторов и кортикостероидов. Как бы ни старался спортсмен, для которого медаль дороже собственного здоровья, скрыть употребление анаболиков, ему это не удастся сделать — современный масс-спектрометр способен найти в крови или моче даже миллиардную долю этих запрещенных препаратов. Правда, здесь идет своеобразная борьба: кто-то синтезирует новые средства для допинга, а кто-то пытается их обнаружить, и без такого инструмента, как масс-спектрометр, последними, скорее всего, эта гонка была бы проиграна.

В наше время различные применения масс-спектрометрии вышли далеко за рамки уникальных проектов, а чтобы описать многочисленные конструкции масс-анализаторов и способы ионизации, не хватило бы и целого номера журнала. Портативные хромато-масс-спектрометры есть на вооружении американской армии в Ираке. Они позволяют обнаружить незначительные следы реагентов химического оружия и используются для предварительного анализа окружающей обстановки. Высокоточные приборы для масс-спектрального анализа приобретают таможенные службы — это способ тщательно контролировать состав нефтепродуктов и определять происхождение нефти буквально с точностью до скважины, поскольку изотопный состав уникален для каждого месторождения.

Современный масс-спектрометр может занимать экспериментальный зал или помещаться в небольшой коробке на столе, содержать сверхпроводящий магнит или обходиться вовсе без магнитного поля. Чувствительность этих приборов поражает воображение. Достаточно миллиграмма органического загрязнителя на тонну воды, чтобы масс-спектрометр усомнился в ее качестве, а неорганической примеси — и того меньше. Парадоксально, но высокая чувствительность может сама стать источником проблем: например, при проверке пассажиров ничтожные следы наркотиков, случайно попавшие на денежные купюры, могут быть обнаружены на руках совершенно добропорядочного гражданина! Впрочем, это задача уже другого сорта, и, имея в своем распоряжении такой замечательный инструмент, как масс-спектрометр, человек наверняка сможет ее решить.