«Можно померить массу вируса»: российский физик — о новом отечественном ультраточном масс-спектрометре

Российские учёные запатентовали отечественный масс-спектрометр, аппарат позволит быстро определять точный химический состав любых веществ. Важное отличие устройства от похожих приборов — компактность, а также возможность ионизировать исследуемое вещество прямо внутри аппарата. Об этом в интервью RT рассказал руководитель проекта, специалист в области масс-спектрометрии, член-корреспондент РАН, профессор Сколтеха Евгений Николаев. Учёный объяснил, что масс-спектрометрия применяется во множестве областей, включая нефтехимию, металлургию, космические исследования, Особенно такая методика анализа состава вещества востребована в медицине — она позволяет ускорить и упростить постановку многих диагнозов. Сейчас на российском рынке представлены в основном иностранные устройства, однако в РФ есть все необходимые технологии для замещения импортных приборов, пояснил учёный.

— Ранее вы запатентовали новый ультраточный масс-спектрометр с ионизацией электронным ударом на основе многоэлектродной гармонизированной ловушки Кингдона. Могли бы вы объяснить принцип действия разработанного вами масс-спектрометра и его отличие от других?

— Масс-спектрометры бывают очень разные, но в целом все они предназначены для определения состава смесей различных веществ. Узнать состав можно, определив вес молекул, входящих в смесь — у атомов и молекул каждого вещества или соединения свой точный вес. Процесс «взвешивания» молекул исследуемого образца с помощью масс-спектрометра может быть организован по-разному.

Однако в любом случае атомы или молекулы сначала нужно ионизировать. В простейшем случае это значит «оторвать» у них электрон — тогда они будут иметь электрический заряд. Заряженные частицы взаимодействуют с электрическим и магнитным полем, причём поведение ионизированных молекул (ионов) будет зависеть от их массы. Если массу измерить точно, по ней можно идентифицировать молекулу.

Масс-спектрометры различаются тем, каким образом ионизируются молекулы и как извлекается информация о массе. Например, когда частицы взаимодействуют с электрическим полем, они в зависимости от массы приобретают разную скорость. В таком случае можно для всех частиц измерить время пролёта из одной точки в другую и по нему определить скорость, с которой они летят, а, зная её, вычислить и массу. Но это лишь один из многих методов.

Наш прибор представляет собой электростатическую ловушку. Поле в ней создаёт два отражающих элемента, или зеркала, между которыми летают ионы — их массу мы хотим узнать. Частицы отражаются от одного и другого зеркала, и так мы измеряем частоту осцилляций (движений) этих ионов. Эта величина содержит интересующую нас информацию о массе: чем частота ниже, тем масса больше.

Мы называем такое устройство «ловушкой», потому что внутри него удерживаются ионы. Представьте себе банку от колы, у которой с торцов просверлены две дырки и в них вставлена проволочка, проходящая насквозь через всю банку. Если банку заземлить, а на проволочку подать постоянное отрицательное напряжение, то ионы внутри не смогут упасть ни на поверхность банки, ни на проволоку. Это запрещают законы физики. Они долгое время будут каким-то образом болтаться в банке и кружиться возле проволоки. Так устроена изобретенная ещё в 1923 году ловушка Кингдона — прообраз нашей.

Американский физик Рэнделл Найт предложил изменить форму банки таким образом, что по частоте осцилляций ионов вдоль проволоки оказалось возможным определять их массу. Позже российский физик Александр Макаров воплотил эту идею в масс-спектрометре под названием «Орбитрэп». А профессор СПбГПУ Юрий Голиков дополнительно модернизировал метод удержания ионов Кингдона и предложил использовать не один электрод, а несколько. В нашем масс-спектрометре электродов четыре.

У такой многоэлектродной ловушки есть важное преимущество по сравнению с одноэлектродной — можно создавать ионы прямо внутри ловушки и удерживать их длительное время. Например, запустить туда газ и ионизировать его электронами. Если же в ловушке только один электрод, то приходится вводить ионы извне. Это значит, что нужно их где-то вовне создавать и накапливать — этот процесс происходит уже в другой, внешней ловушке. Потом требуется отдельный шаг, когда их вбрасывают в основную. В результате прибор становится более сложным и громоздким. Хотя на точность измерений такая разница не влияет.

— В каких областях преимущественно востребован метод масс-спектроскопии?

— Изначально масс-спектрометры были предложены для того, чтобы понять, как идут превращения в химических реакциях. Вскоре с помощью таких приборов открыли изотопы — разновидности атомов, которые химически идентичны, но отличаются по массе из-за разного количества нейтронов в ядре. Сейчас же в каждой области применения используются специализированные масс-спектрометры — есть даже такие, которыми можно померить массу вируса, а он в десятки миллионов раз тяжелее атома водорода.

Из современных применений таких приборов нельзя не упомянуть медицинские. Например, их используют в неонатальном скрининге — новорождённого обследуют на наличие у него наследственных заболеваний, которые представляют серьёзную угрозу жизни.

Масс-спектрометры в данном случае измеряют концентрацию в крови метаболитов — продуктов, которые при нарушении обмена веществ вырабатываются в избытке или в недостатке. Такая аномалия непосредственно связана с генетическими нарушениями.

С помощью масс-спектрометров также идентифицируют не чувствительные к антибиотикам патогенные бактерии. Раньше, чтобы узнать вид бактерии, её помещали в специальную питательную среду, и медики проверяли её устойчивость к лекарственным средствам. Теперь можно эту бактерию «опознать» на масс-спектрометре и соотнести её с классом из ранее накопленных данных. Взвешивается при этом не сама бактерия, а белки из её так называемого рибосомального комплекса, который у каждого штамма разный. Мы в нашей лаборатории разработали подобный метод для определения штаммов вируса COVID-19 по его белкам.

Масс-спектрометрия также используется в протеомике. Измеряются концентрации белков в физиологических жидкостях: крови, слезе, слюне и т. д. Дело в том, что при наличии заболевания концентрации белков меняются, и сравнивая их уровни у здоровых и больных людей, можно диагностировать болезнь. Например, во время пандемии COVID-19 мы с коллегами разработали масс-спектрометрический метод, которым можно определить вероятность выживания больного.

Есть и множество других применений масс-спектрометрии в медицине. Например, благодаря анализу белков в крови мы в Сколтехе научились предсказывать, перейдёт ли деменция в болезнь Альцгеймера.

Масс-спектрометрия помогает принимать промышленно значимые решения. В частности, в Сколтехе работают над её применениями в металлургии, нефтедобыче и в задачах термоядерного синтеза — речь об определении состава тяжёлых нефтей, газовой фазы над расплавленным металлом на производстве и концентраций различных изотопов водорода и гелия на токамаках.

Отдельная тема — это масс-спектрометрия для космоса. Изначально мы в Сколтехе разрабатывали наше устройство именно для космическим исследований.

Как мы знаем, в результате космической гонки между СССР и США в XX веке на Землю было доставлено много лунного грунта (реголита) из приэкваториальных областей Луны. Теперь его состав известен, но учёных интересует состав грунта на лунных полюсах, в кратерах, где есть основания искать воду и первобытную органику из комет. Его можно узнать, отправив на Луну масс-спектрометр.

— Чем разработанный вами спектрометр отличается от аналогов, представленных сейчас на отечественном и мировом рынках? Есть ли у него помимо точности ещё какие-то характерные черты?

— Многие масс-спектрометры имеют очень большие габариты и весят около тонны. Наш прибор очень маленький, настольный, но тем не менее очень точный. Он, конечно, не сможет провести тонкий анализ нефти, но такая задача перед ним и не ставится. Он скорее соревнуется с ранее упомянутым масс-спектрометром «Орбитрэп».

Помимо точности измерения масс у масс-спектрометров есть ещё две важные характеристики. Первая — это разрешающая способность, то есть насколько хорошо прибор способен различать ионы с очень близкими массами. Вторая — динамический диапазон концентраций, то есть насколько сильно могут отличаться концентрации двух веществ в анализируемой смеси. Например, известно соотношение гелия-4 и гелия-3 на поверхности Земли в сейсмически не активных районах — 1:10000000 — и нужно его сравнить с соотношением этих изотопов вблизи разломов земной коры, где пытаются предсказать сейсмическую активность. В этом случае динамический диапазон должен быть не менее 10 млн. Динамический диапазон нашего прибора выше, чем у «Орбитрэпа».

— Работа над вашим масс-спектрометром велась на протяжении многих лет. С какими трудностями вы столкнулись при создании аппарата?

— Работа продолжается и сейчас, и трудности продолжают возникать. Например, измеряемая частота колебаний ионов в электрическом поле зависит от потенциала (скалярная величина, равная отношению потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду. — RT), который мы прикладываем к внутренним электродам («проволочкам»), и его нужно поддерживать с очень высокой точностью. Изготовить такие источники постоянного напряжения очень сложно. Изначально мы нашли такой аппарат в Японии, но сейчас заказали замену у отечественных производителей. Более того, мы постепенно переходим на российскую электронику, ранее в нашем приборе стояли и американские блоки.

Другая сложность заключается в том, что для изготовления прибора и деталей для него мы используем высокоточное оборудование — пятикоординатные станки с почти что микронной точностью, которых в нашей стране очень мало. Мы пробовали изготавливать детали с помощью 3D-печати, но не получили необходимого качества.

— Есть ли у вашей разработки сейчас перспективы выйти на серийный выпуск? Интересуются ли ею промышленные предприятия?

— Да, конечно, интересуются. Мы уже получили отклик от Росатома и Ростеха. Большой интерес к нашей разработке со стороны китайских коллег — мы планируем создать совместную лабораторию. Нашим масс-спектрометром интересуются химики, фармацевты и специалисты из других областей, где прибор может быть полезным.

— Как сейчас обстоят дела с производством высокоточной техники? Ранее сообщалось, что в начале 2022 года ушедшая из России американская компания-производитель лабораторного оборудования Thermo Fisher занимала 30% российского рынка. Почему в России не производилось или производилось мало лабораторного оборудования? Как обстояло с этим дело во времена СССР?

— Когда я был студентом, мы работали только на отечественных приборах и даже не знали об импортном оборудовании. В нашей стране выпускались химические, медицинские и изотопные масс-спектрометры. В 90-е годы правительство приняло решение закупать оборудование у западных стран — Японии, Германии, США. Так было загублено отечественное приборостроение.

На самом деле мы всё можем создать сами, так как почти все инновационные идеи в области современной масс-спектрометрии — российские. Сейчас в нашей стране опять занялись разработкой подобного высокоточного отечественного оборудования. Так, российские фирмы «Хроматэк» и «Интерлаб» выпускают простые масс-спектрометры, которые — в своём классе — не уступают импортным.

Отечественная школа масс-спектрометрии сохранена и знания передаются новому поколению исследователей. Большинство участников нашего проекта — молодые учёные.

— Ранее в России была также анонсирована программа по импортозамещению лабораторного оборудования. Учёные составили перечень из около сотни видов приборов. Действительно ли сейчас наблюдается дефицит такого оборудования?

— Дефицит оборудования, несомненно, есть. Импорт приборов из Китая, который активизировался в последнее время, — не выход из положения. Потому что китайское оборудование — это копия западного, но более низкого качества. В целом оно работает, но всё же хотелось бы, чтобы в этой области у нас были собственные разработки. Компетенции у нас для этого есть, и их нужно развивать, это не та сфера, на которой можно экономить.