Pesquisadores da Skoltech e MIPT desenvolveram um dispositivo para atualizar espectrômetros de massa usado para analisar a composição química de substâncias desconhecidas. O novo dispositivo analisa uma substância de quatro perspectivas diferentes. Alternativamente, permite que várias amostras sejam examinadas simultaneamente. Por contraste, espectrômetros de massa convencionais analisam uma substância de cada vez. O artigo de pesquisa foi publicado na revista Química Analítica .

A espectrometria de massa é a maneira mais eficiente de determinar a composição química de uma mistura desconhecida. Para fazer isso, primeiro as moléculas da amostra são ionizadas. Isso é, alguns de seus elétrons são arrancados, transmitindo-os com uma carga elétrica. Essas moléculas carregadas, ou íons, respondem a campos elétricos e magnéticos desviando as trajetórias de seus movimentos. Quanto maior a carga e menor a massa de um íon, mais é desviada. Este efeito pode ser usado para separar íons com base na razão entre sua massa e carga. Um espectrômetro de massa é um dispositivo que mede as relações massa-carga das moléculas ionizadas em uma mistura. Assim, sua composição química pode ser determinada.

Um espectrômetro de massa tem três componentes básicos:primeiro, há a fonte de íons, onde as moléculas são ionizadas - esta é a parte que foi refinada pelos autores. O analisador de massa separa os íons com base em sua massa e carga. Finalmente, um detector registra as informações sobre os íons.

A espectrometria de massa é onipresente nas indústrias e nas ciências. É usado para identificar a composição de misturas na indústria farmacêutica e metalúrgica, bem como no nuclear, óleo e gás, e indústrias cosméticas. Ele domina o controle de doping. Embora o espectrômetro de massa tenha sido inventado há mais de 100 anos, os pesquisadores continuam a refinar o método, tornando-o mais eficaz e universal, e menos demorado.

As substâncias podem ser ionizadas de várias maneiras, mas cada técnica de ionização funciona bem com um número limitado de compostos. Um espectrômetro de massa convencional tem uma fonte de íons usando uma técnica, reduzindo o número de compostos com os quais pode lidar. Abordar esta questão, professor Evgeny Nikolaev, um membro correspondente da Academia Russa de Ciências, e Yury Kostyukevich, um Ph.D. em física e matemática, propôs um espectrômetro de massa usando quatro técnicas de ionização de uma vez. Seu dispositivo combina ionização por electrospray regular e nativa com fotoionização por pressão atmosférica e ionização por impacto de elétrons. (As técnicas serão explicadas abaixo.)

"A espectrometria de massa é uma técnica analítica poderosa. Basicamente, ele funciona ionizando moléculas e medindo sua massa. O primeiro passo, ionizacao, é quando a substância muda para um estado gasoso. Este estágio é bastante problemático, porque uma mistura pode conter substâncias que requerem técnicas diferentes para serem ionizadas, "explica o professor Evgeny Nikolaev da Skoltech e MIPT." Pela primeira vez, combinamos cinco técnicas em um espectrômetro de massa. Isso nos permite analisar as misturas com detalhes sem precedentes. ”A quinta técnica mencionada por Nikolaev refere-se à decomposição térmica.

Na ionização por electrospray, um líquido é ionizado em um forte campo elétrico e então se transforma em um gás. Primeiro, uma substância na forma de solução é eletrificada em um capilar de dois a cinco quilovolts. Uma gota carregada deixa o capilar e se move em um campo elétrico, desintegrando-se em muitas gotículas carregadas menores. À medida que o solvente vaporiza, a substância que está sendo examinada também muda para o estado gasoso. Este método funciona melhor com proteínas e produtos petrolíferos. Adicionalmente, há uma variação mais delicada na mesma técnica chamada ionização por electrospray nativo, que é usado para analisar proteínas sem alterar sua estrutura 3-D natural.

A fotoionização por pressão atmosférica usa fótons de alta energia. Um fóton carregando 10 a 40 eletronvolts de energia pode causar ionização de duas maneiras:ou uma molécula absorve um fóton e, em seguida, ejeta um elétron, ou isso acontece com um produto químico que é introduzido na mistura. Quando ionizado, esse produto químico, por sua vez, ioniza a molécula ao reagir com ela. Essa técnica é potente para analisar hormônios e petróleo bruto.

A ionização por impacto de elétrons funciona bombardeando a amostra com elétrons resultantes de um decaimento beta. Este método primeiro ioniza as moléculas do ar circundante. Os íons resultantes interagem com a substância da amostra, ionizando-o.

O dispositivo recém-proposto faz uso de todas as quatro técnicas, no entanto, os processos associados ocorrem de forma independente em espaços separados, para não afetar um ao outro. Um outro benefício desse design modular é que o dispositivo pode acomodar ainda mais ionizadores. De acordo com os autores, seu espectrômetro de massa alterna entre os modos em um mero segundo. Portanto, ele pode ser usado para conduzir experimentos separados simultaneamente. Alternativamente, o dispositivo pode analisar uma substância em grande detalhe usando todos os ionizadores. Nesta configuração, a mistura em um canal de ionização pode ser usada como uma amostra de referência, enquanto os canais restantes acomodam reações moleculares, como deuteração ou ozonização. (O primeiro se refere à substituição de átomos de hidrogênio em moléculas de água por deutério, e o segundo significa oxidação por exposição a moléculas de ozônio.) Além disso, os pesquisadores construíram uma opção para controlar a temperatura da amostra, que também pode ser usado para decompor termicamente.

"No futuro, este dispositivo permitirá que as operações de química analítica sejam paralelizadas, que seria completamente análogo ao modo como os cálculos eram paralelizados na ciência da computação há muito tempo, "diz Yury Kostyukevich, pesquisador da Skoltech e MIPT. "Nesta analogia, cada fonte de ionização atuando em uma determinada fração da amostra é como uma unidade de processamento individual realizando cálculos. O espectrômetro de massa combina os dados de todas as fontes e os envia para o pesquisador. "

Os autores já demonstraram que seu dispositivo pode analisar simultaneamente óleo e moléculas biológicas em seus estados nativos, bem como apoiar a deuteração. Esta nova solução de espectrometria de massa tem potencial para ampla aplicação científica e industrial.