Первый российский тандемный масс-спектрометр для жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии

В рамках федерального проекта «Развитие отечественного приборостроения гражданского назначения для научных исследований» в НИЯУ МИФИ разрабатывается первый российский тандемный масс-спектрометр для жидкостной хроматографии/масс-спектрометрии. В апреле 2024 года прототип прибора был представлен на выставке «Аналитика Экспо 2024».

Руководитель проекта, доктор физико-математических наук, профессор НИЯУ МИФИ Алексей Сысоев и директор ИФХЭ РАН, член-корреспондент РАН Алексей Буряк рассказали «Ъ-Науке» о значении нового масс-спектрометра для отечественного научного приборостроения.

— Расскажите, пожалуйста, о том, как готовился проект.

— Алексей Сысоев: Школа масс-спектрометрического приборостроения существует на кафедре молекулярной физики НИЯУ МИФИ уже более 60 лет. Первые работы в этой области датируются концом 50-х годов, когда кафедра находилась еще на улице Малая Пионерская. За последние 30 лет, которые я работаю на кафедре, мы разработали целый ряд времяпролетных масс-спектрометров, спектрометров ионной подвижности, гибридных приборов на основе спектрометрии ионной подвижности и масс-спектрометрии.

Однако до недавнего времени у нас в стране просто не было программ, условия и масштабы которых позволили бы университетским командам довести разработки в области масс-спектрометрии до серийного выпуска. В 2022 году была объявлена федеральная программа научного приборостроения, и мы предложили в нее свой проект тандемного масс-спектрометра. Мы ставили цель: сделать масс-спектрометр, который, с одной стороны, мог бы решать большинство задач аналитической химии для приборов такого типа, а с другой, выбирали такой прибор, для которого мы бы располагали необходимыми наработками и могли бы его выпустить в кратчайшие сроки. Мы остановились на технических параметрах масс-спектрометров Sciex 4500, Shimadzu 8040 и Agilent 6460. Это хорошо себя зарекомендовавшие и популярные «рабочие лошадки» в области количественного анализа.

Два года спустя на выставке «Аналитика Экспо 2024» мы представили прототип тандемного трехквадрупольного масс-спектрометра с ионизацией электрораспылением. В рамках федерального проекта наша лаборатория «Прикладная ионная физика и масс-спектрометрия» разрабатывает масс-спектрометр, а жидкостной хроматограф для него выпускает российский производитель — ИП А. В. Севко.

— Для чего используется масс-спектрометр?

— Алексей Сысоев: Масс-спектрометр — это прибор для количественного анализа в научных исследованиях, медицине, фармацевтике, мониторинге животноводческой и растениеводческой продукции. Он позволяет идентифицировать вещество и определять его содержание в пробе.

Когда хроматограф с масс-спектрометром работают вместе, сначала в хроматографической колонке анализируемая смесь веществ разделяется на компоненты, в идеальном случае состоящие из «чистых» веществ. Дальше их можно по отдельности идентифицировать с помощью нашего масс-спектрометра.

— Расскажите, пожалуйста, как он устроен.

— Алексей Сысоев: Аналитическая система масс-спектрометра состоит из интерфейса связи с хроматографом, источника электрораспыления ионов, интерфейса дифференциальной откачки, ионной оптики и устройства сбора данных.

Чтобы приступить к анализу вещества с помощью масс-спектрометра, нужно перенести пробу из жидкостного хроматографа в масс-спектрометр, предварительно ее ионизировав. Это сложная техническая задача, потому что для прокачки жидкости в хроматографической колонке к ней прилагается высокое давление до 650 атмосфер, тогда как рабочее давление внутри масс-спектрометра — 10**-9 атмосферы. Таким образом, молекулы пробы доставляются из области высокого давления в глубокий вакуум. По пути они должны приобрести положительный либо отрицательный заряд, поскольку нейтральные молекулы неразличимы для масс-спектрометра.

В источнике электрораспыления ионов поток жидкости из хроматографа при атмосферном давлении пропускается через капилляр, находящийся под высоким напряжением. На выходе из капилляра формируются заряженные капли, которые оказываются в зоне разогрева до 300 градусов в условиях сильного электростатического поля. Растворитель начинает испаряться, объем заряженных капель уменьшается. В какой-то момент кулоновское отталкивание между фрагментами разрывает каплю. В идеальном случае должны получаться чистые заряженные молекулы анализируемого вещества без связанного с ними растворителя.

Дальше расположен модуль дифференциальной откачки — система камер с транспортирующим ионы электрическим полем. Молекулярные ионы проходят из камеры в камеру через отверстия, а вакуумные насосы поддерживают в каждой камере нужное давление. Давление поэтапно понижается. Таким путем молекулярные ионы поступают в масс-анализатор, который находится уже в высоком вакууме.

Квадрупольный масс-анализатор, или «квадруполь», состоит из четырех цилиндров-электродов. К каждому из цилиндров подводится свое напряжение. Меняя параметры напряжения, подаваемого на цилиндры, можно задать траекторию движения ионов так, что все ненужные ионы будут разлетаться в стороны, и только ион с определенным соотношением масса/заряд пройдет через квадруполь и попадет на детектор. Так что первый квадруполь работает как фильтр масс, поскольку отфильтровывает ионы с интересующим нас отношением масса/заряд.

— Вы еще говорили об ионной оптике. Это такие же линзы, как в фотоаппаратах?

— Алексей Сысоев: Ионная оптика не имеет ничего общего с теми стеклянными линзами, которые используются в фотоаппаратах. Ионная оптика — это та самая система разнообразных электродов, о которых я начал говорить. Роль линз играют электрические поля. Как линзы фокусируют лучи света, так и электрические поля фокусируют ионы и направляют нужные на детектор, а остальные рассеивают в пространстве.

В данном случае мы используем три квадруполя. Первый выступает как фильтр масс и выделяет ион с определенной массой. Камера второго квадруполя заполняется инертным газом. В ней ион разгоняется, сталкивается с молекулами газа и фрагментируется. От него отрываются функциональные группы, энергия связи которых меньше, чем энергия, накопленная в результате столкновений. Третий квадруполь работает так же, как и первый, но он фильтрует по массам заряженные фрагменты, на которые разбился исходный молекулярный ион.

Дальше нужно посчитать, сколько фрагментов с определенным соотношением масса/заряд попало на детектор, поскольку именно эта информация дает понимание структуры исходной молекулы.

— Какие сложности возникали у вас в ходе разработки?

— Алексей Сысоев: Нам пришлось сполна вкусить прелести импортных ограничений. Мы обнаружили, что многие комплектующие, на которые мы рассчитывали и в качестве которых были уверены, мы приобрести не можем и многое придется делать самостоятельно. В частности, нам пришлось создавать собственные технологии механической обработки и сборки макроскопических изделий с допусками в 1 микрон.

Существенным вызовом оказались ограничения на импорт детекторов. В итоге компания «Баспик» специально для наших задач переработала ранее выпускавшиеся вторично-электронные умножители, обеспечив необходимый для современных приборов динамический диапазон.

Отдельного упоминания заслуживают средства вакуумной откачки. В первом прототипе был установлен двухступенчатый турбомолекулярный насос, существенно переработанный по нашей спецификации компанией Pfeiffer. В 2023 году у нас уже не было возможности ввезти в Россию такие насосы. Мы испытали турбомолекулярные насосы, которые производит ООО ВЦМО во Владимире. Мы высказали свои требования и через некоторое время получили насос, который нас устраивает.

Модули системы управления и наиболее прецизионные компоненты ионной оптики мы изготавливаем совместно с нашими партнерами и собираем самостоятельно. Основную часть механических узлов изготавливает наш партнер — Экспериментальный завод Академии наук в городе Черноголовка. Финальная сборка и запуск осуществляются на нашей экспериментальной базе в НИЯУ МИФИ.

Сейчас в качестве жидкостного хроматографа используется производимый в Московской области хроматограф серии 1000 ИП А. В. Севко. Мы планируем сделать интерфейс и для ряда других жидкостных хроматографов. Масс-спектрометр — самодостаточный прибор, но без жидкостного хроматографа большинству потребителей он не слишком интересен.

— Сколько будет стоить масс-спектрометр и как вы оцениваете рынок для него?

— Алексей Сысоев: Стоимость серийного прибора сейчас оценить очень сложно, но в настоящий момент мы предполагаем, что при достаточно большой серии прибор мог бы стоить порядка 30 млн руб. Цена продукта должна быть приемлемой для потребителей, но в то же время обеспечивать инвестиционную привлекательность проекта и оставлять средства на дальнейшее развитие прибора.

В доковидные времена в Россию поставлялось примерно 50 тандемных трехквадрупольных масс-спектрометров в год. Мы рассчитываем закрыть эту потребность. Наши зарубежные партнеры также заинтересованы в приобретении тандемных масс-спектрометров, в частности для предлагаемых ими решений в области персонализированной медицины.

— Что же дальше?

— Алексей Сысоев: Сейчас мы находимся примерно в середине пути. В 2025 году должны пройти государственные приемочные испытания опытного образца. Контракт с Минобрнауки мы должны завершить разработкой конструкторской и технологической документации для серийного производства. Далее мы планируем выпуск установочной серии приборов. Мы бы очень хотели, чтобы один из приборов установочной серии был передан в ИФХЭ РАН для дальнейших испытаний при решении научных задач института.

— Как будет проходить испытание прибора на реальных научных задачах?

— Алексей Буряк: Научное приборостроение развивается по такой схеме: сначала создается полнофункциональный макет. Потом выпускается опытная партия из трех-четырех приборов, которые распределяются между специализированными научными учреждениями, работающими в разных областях. Решая свои специфические задачи, они тестируют новый прибор в интенсивном режиме и формируют для разработчика список пожеланий и требований, которые он может внести в окончательный вариант устройства для серийного производства.

В НИЯУ МИФИ разработан вполне современный прибор, который может быть использован для решения многих фундаментальных и прикладных задач. Он позволяет изучать фрагментацию молекул и получать МС/МС масс-спектры. Этот прибор очень ценен как для анализа лекарственных препаратов, так и для наших задач — анализа продуктов трансформации несимметричного диметилгидразина, в которые входят атомы азота. Для нас эти методики анализа очень хороши, и нам этот прибор нужен, чтобы в дальнейшем мы могли на нем разрабатывать методики и передавать их в «Роскосмос» для использования.

— Какие задачи решает ИФХЭ РАН для «Роскосмоса»?

— Алексей Буряк: При отделении ступеней ракет в них остается некоторое количество топлива, которое выливается на землю (или в воду). Основной компонент ракетного горючего — несимметричный диметилгидразин — очень активное соединение. Он активно реагирует с кислородом воздуха. Эти реакции в зависимости от условий и состава окружающей среды порождают сотни различных продуктов, многие из которых ядовиты, канцерогенны, мутагенны и т. д. Трансформация несимметричного диметилгидразина изучается уже более 50 лет. Для некоторых продуктов определены предельно допустимые концентрации и разрабатываются способы их нейтрализации.

В нашей стране несимметричный диметилгидразин используется на трех территориях с различными климатическими условиями. Во-первых, это Алтайский край, где падает третья ступень запущенных на Байконуре ракет. Во-вторых, на Севере, на космодроме Плесецк, где в условиях тундры, в условиях низких температур и торфяных почв, несимметричный диметилгидразин сохраняется очень долго. В-третьих, возле нового космодрома Восточный. Вокруг космодрома Байконур, принадлежащего Казахстану, Россия тоже отвечает за рекультивацию земель.

При анализе водных объектов и таких сложных объектов, как почвы, в которых очень много биогенного материала, требуется извлечение и идентификация всех соединений. Там попадается огромное многообразие продуктов трансформации, которые надо разделить хроматографически, идентифицировать и дальше оценивать токсичность и возможности их нейтрализации. В анализ материала, собранного с торфяных почв, например, вмешиваются гуминовые и фульвокислоты, так как несимметричный диметилгидразин реагирует с альдегидными или кетонными группами. Задача получается сложная, но ее можно решать с помощью тандемного хромато-масс-спектрометра.

— После того как токсичные соединения обнаружены, ученые могут помочь в их нейтрализации?

— Алексей Буряк: ИФХЭ РАН многие годы занимается поиском путей борьбы с проливами НДМГ. Мы ищем материалы, которые способны сорбировать эту жидкость и разлагать ее на нетоксичные аммиак, метан, азот. Мы выяснили, например, что шунгит является каталитически активным материалом для нейтрализации несимметричного диметилгидразина. Особенность шунгита состоит в том, что в реакциях с его участием не образуется такой канцерогенный продукт, как нитрозодиметиламин. Нитрозопроизводные более стабильны, чем сам НДМГ, и долго сохраняются в окружающей среде. Чтобы будущие поколения получили чистую Землю, мы не имеем права оставлять им долгоживущие канцерогенные и токсичные соединения.

В 2023 году ИФХЭ РАН зарегистрировал патент на шунгитовый катализатор и способ его изготовления. Это сложный материал. Сейчас мы работаем над тем, чтобы добавить в него больше каталитически активных соединений и ускорить процесс разложения НДМГ. Это нужно, когда требуется сорбировать НДМГ при проливе на промышленной площадке. Наш материал работает при низких температурах, поэтому его можно использовать в Арктическом регионе.

— Как специалист в хромато-масс-спектрометрии, работавший с самыми разными приборами, как вы оцениваете параметры нового масс-спектрометра?

— Алексей Буряк: Предлагаемый ЖХ-МС — вполне современный прибор, предназначенный для решения многих научных и производственных задач в медицине, фармацевтике, экологии и т. д. Он найдет свое место там, где надо выделять маркеры из биологических жидкостей; в фармацевтике — для анализа качества лекарств, при анализе продуктов на токсичные примеси. Также он будет востребован в научных организациях для проведения нецелевого анализа. Ученые-хроматографисты уже воодушевились, узнав, что в России будет производиться свой масс-спектрометр. Тем более что предполагаемая цена — 30 млн руб.— очень невысокая. Зарубежные приборы стоят намного дороже.

Ольга Макарова, пресс-служба ИФХЭ РАН