«Можно провести ваткой по лбу и сказать, что принимает человек»
Чем пахнет комета? Свежая публикация в журнале Nature отвечает: нафталином, благовониями и миндалем. Сложные ароматические молекулы найдены в разогретом хвосте кометы Чурюмова-Герасименко с помощью масс-спектрометрии. Как этот метод помогает разбираться в структуре вещества, какие предлагает способы выявления болезней и почему левое важнее правого, «Ъ-Науке» рассказал профессор Сколковского института наук и технологий, член-корреспондент Российской академии наук Евгений Николаев.
— Чем принципиально отличаются первые спектрометры от тех, что работают сейчас?
— В первых приборах ионы разделялись по массам в магнитном поле. Сегодня магнитные масс-спектрометры остались в двух нишах. Первая связана с точным измерением соотношения количества изотопов в атомной физике. Задача возникла при исследовании процесса деления урана, которым занимался, в частности, гениальный физик Энрико Ферми. Тогда было известно, что в уране есть 238 и 235 изотопы, но не было ясно, какой из них обладает радиоактивностью. Ферми узнал от друзей, что есть замечательный парень, аспирант в Миннеаполисе, который может разделить эти изотопы, и прислал ему природный уран по почте письмом. Аспиранта звали Альфред Карл Отто Нир, впоследствии он стал одним из известнейших и наиболее продуктивных масс-спектрометристов. Нир разделил присланный ему уран на изотопы, и Ферми определил, что радиоактивен уран-235. С этого началась атомная бомба. Первая урановая атомная бомба, сброшенная на Хиросиму, была сделана с помощью масс-спектрометра на так называемом калутроне (calutron).
— Сегодня, наверное, об этом методе чаще вспоминают, говоря датировках археологических объектов.
— Это другая ниша магнитных масс-спектрометров. Ускорительную масс-спектрометрию используют для определения возраста археологических находок, геологических пород, тканей живых организмов разных исторических периодов. Наиболее известный — радиоуглеродный. Можно с точностью до 15 лет определить возраст предметов не старше 50 тыс. лет. Датирование происходит с помощью определения концентрации в образце изотопа углерода-14, который образуется где-то на высотах 8–15 км, а потом усваивается через углекислый газ растениями. Если растение гибнет, углерод распадается и превращается в азот, и по отношению содержания оставшегося в образце 14-го углерода к содержанию 12-го и 13-го можно определить время с момента прекращения углеродного обмена образца. Самая известная в этой области работа связана с датировкой Туринской плащаницы: было установлено, что ее изготовили примерно в XII–XIII веке.
Российские приоритеты
— С конца ХХ века мы видим огромное количество применений масс-спектрометров для изучения живых систем. Почему их не могли изучать раньше?
— Биологические системы очень сложные, потому что состоят из огромного количества разных молекул, в основном очень большого размера с десятками тысяч атомов. Если ионизировать их электронным ударом, они распадаются на мелкие фрагменты и трудно понять, из какой молекулы летят «осколки». К тому же, чтобы ионизировать электронами, молекулы надо испарить и перетащить в вакуум, что в случае больших молекул невозможно. Прорыв произошел после того, как научились ионизировать большие молекулы, не разрушая их. Разные методы появлялись начиная с 1970-х годов, и я помню, как планировал применять метод вторичной ионной миссии для биологических систем. Но, к сожалению, тогда мои руководители не поняли и не увидели эту возможность.
Настоящую революцию произвел так называемый метод электроспрея, создание которого приписывают американцу Джону Фенну, за что он получил Нобелевскую премию. Хотя в России Лидия Николаевна Галль показала такую возможность раньше Фенна, но не была услышана мировой научной общественностью. В этом методе биологические молекулы обычно распыляются в водно-метанольном растворе на мелкие заряженные капельки. Капельки испаряются, заряды оседают на молекулы, не разрушая их, и можно измерять массы этих многозарядных ионов. Этот метод получил невероятное количество применений в самых разных областях. Например, сейчас я могу провести ватным тампоном у вас по лбу и по анализу этого мазка сказать, чай или кофе вы пили на завтрак, какие лекарства принимаете и так далее.
— В 2011 году вы открыли новый метод в рамках масс-спектрометрии, который позволил изучать ранее недоступные объекты. Что это такое?
— Да, мы предложили новые способы измерения масс-спектров в рамках масс-спектрометрии ионно-циклотронного резонанса, которую изобрели канадцы Комиссаров и Маршалл. В этом методе мы запираем ионы в ловушку, которая находится в сильном магнитном поле, раскручиваем их, и по частоте вращения очень точно измеряем массу. Я вместе с аспирантом придумал и затем реализовал новый тип ионной ловушки для этого метода, который позволил на порядок увеличить точность. Наша ловушка входит в состав самых точных масс-спектрометров, выпускаемых промышленностью.