I ricercatori di Skoltech e MIPT hanno sviluppato un dispositivo per aggiornare gli spettrometri di massa utilizzati per analizzare la composizione chimica di sostanze sconosciute. Il nuovo dispositivo analizza una sostanza da quattro diverse prospettive. In alternativa, consente di esaminare più campioni contemporaneamente. Al contrario, gli spettrometri di massa convenzionali analizzano una sostanza alla volta. Il documento di ricerca è stato pubblicato sulla rivista Chimica analitica .

La spettrometria di massa è il modo più efficiente per determinare la composizione chimica di una miscela sconosciuta. Per fare questo, prima le molecole del campione vengono ionizzate. Questo è, alcuni dei loro elettroni vengono strappati via, impartendo loro una carica elettrica. Queste molecole cariche, o ioni, rispondono ai campi elettrici e magnetici deviando le traiettorie del loro moto. Maggiore è la carica e minore è la massa di uno ione, più è deviato. Questo effetto può essere utilizzato per separare gli ioni in base al rapporto tra la loro massa e la loro carica. Uno spettrometro di massa è un dispositivo che misura i rapporti massa-carica delle molecole ionizzate in una miscela. Così, la sua composizione chimica può essere determinata.

Uno spettrometro di massa ha tre componenti fondamentali:in primo luogo c'è la sorgente ionica, dove le molecole sono ionizzate:questa è la parte che è stata raffinata dagli autori. L'analizzatore di massa separa gli ioni in base alla loro massa e carica. Finalmente, un rivelatore registra le informazioni sugli ioni.

La spettrometria di massa è onnipresente nelle industrie e nelle scienze. Viene utilizzato per identificare la composizione di miscele in farmacia e metallurgia, così come nel nucleare, olio e gas, e industrie cosmetiche. Domina il controllo antidoping. Sebbene lo spettrometro di massa sia stato inventato più di 100 anni fa, i ricercatori continuano a perfezionare il metodo rendendolo più efficace e universale, e meno tempo.

Le sostanze possono essere ionizzate in vari modi, ma ogni tecnica di ionizzazione funziona bene con un numero limitato di composti. Uno spettrometro di massa convenzionale ha una sorgente ionica che utilizza una tecnica, riducendo il numero di composti che può trattare. Per affrontare questo problema, professore Evgenij Nikolaev, un membro corrispondente dell'Accademia Russa delle Scienze, e Yury Kostyukevich, un dottorato di ricerca in fisica e matematica, proposto uno spettrometro di massa utilizzando quattro tecniche di ionizzazione contemporaneamente. Il loro dispositivo combina la ionizzazione elettrospray regolare e nativa con la fotoionizzazione a pressione atmosferica e la ionizzazione a impatto elettronico. (Le tecniche saranno spiegate di seguito.)

"La spettrometria di massa è una potente tecnica analitica. Fondamentalmente, funziona ionizzando le molecole e quindi misurandone la massa. Il primo passo, ionizzazione, è quando la sostanza si trasforma in uno stato gassoso. Questa fase è abbastanza problematica, perché una miscela può contenere sostanze che richiedono tecniche diverse per essere ionizzate, " spiega il professor Evgeny Nikolaev di Skoltech e MIPT. "Per la prima volta, abbiamo combinato cinque tecniche in uno spettrometro di massa. Questo ci consente di analizzare le miscele con dettagli senza precedenti." La quinta tecnica menzionata da Nikolaev si riferisce alla decomposizione termica.

Nella ionizzazione elettrospray, un liquido viene ionizzato in un forte campo elettrico e poi si trasforma in un gas. Primo, una sostanza sotto forma di soluzione viene elettrificata in un capillare a due-cinque kilovolt. Una goccia carica lascia il capillare e si muove in un campo elettrico, disintegrandosi in molte goccioline cariche più piccole. Quando il solvente evapora, anche la sostanza in esame passa allo stato gassoso. Questo metodo funziona meglio con proteine ​​e prodotti petroliferi. Inoltre, esiste una variazione più delicata sulla stessa tecnica chiamata ionizzazione elettrospray nativa, che viene utilizzato per analizzare le proteine ​​senza modificare la loro struttura tridimensionale naturale.

La fotoionizzazione a pressione atmosferica utilizza fotoni ad alta energia. Un fotone che trasporta da 10 a 40 elettronvolt di energia può causare ionizzazione in due modi:o una molecola assorbe un fotone e poi espelle un elettrone, oppure questo accade a una sostanza chimica che viene introdotta nella miscela. Quando ionizzato, quella sostanza chimica a sua volta ionizza la molecola reagendo con essa. Questa tecnica è potente per analizzare gli ormoni e il petrolio greggio.

La ionizzazione a impatto elettronico funziona bombardando il campione con elettroni derivanti da un decadimento beta. Questo metodo ionizza prima le molecole nell'aria circostante. Gli ioni risultanti interagiscono con la sostanza del campione, ionizzandolo.

Il dispositivo appena proposto utilizza tutte e quattro le tecniche, eppure i processi associati avvengono indipendentemente in spazi separati, per non influenzarsi a vicenda. Un ulteriore vantaggio di questo design modulare è che il dispositivo può ospitare ancora più ionizzatori. Secondo gli autori, il loro spettrometro di massa passa da una modalità all'altra in un solo secondo. Può quindi essere utilizzato per condurre esperimenti separati contemporaneamente. In alternativa, il dispositivo può analizzare una sostanza in modo molto dettagliato utilizzando tutti gli ionizzatori. In questa configurazione, la miscela in un canale di ionizzazione può essere utilizzata come campione di riferimento, mentre i canali rimanenti ospitano reazioni molecolari come la deuterazione o l'ozonizzazione. (Il primo si riferisce alla sostituzione degli atomi di idrogeno nelle molecole d'acqua con il deuterio, e il secondo significa ossidazione tramite esposizione a molecole di ozono.) Inoltre, i ricercatori hanno integrato un'opzione per il controllo della temperatura del campione, che può essere utilizzato anche per scomponerlo termicamente.

"Nel futuro, questo dispositivo consentirà di parallelizzare le operazioni di chimica analitica, che sarebbe del tutto analogo al modo in cui i calcoli venivano parallelizzati nell'informatica molto tempo fa, " dice Yury Kostyukevich, un ricercatore presso Skoltech e MIPT. "In questa analogia, ogni sorgente di ionizzazione che agisce su una certa frazione del campione è come una singola unità di elaborazione che esegue calcoli. Lo spettrometro di massa combina i dati di tutte le fonti e li invia al ricercatore".

Gli autori hanno già dimostrato che il loro dispositivo può analizzare contemporaneamente olio e molecole biologiche nei loro stati nativi, oltre a supportare la deuterazione. Questa nuova soluzione di spettrometria di massa ha il potenziale per un'applicazione scientifica e industriale diffusa.