Новости

Масс-спектрометр: как устроен один из самых востребованных исследовательских приборов

Масс-спектрометрия занимает уникальное положение в современной аналитической химии.

Возможности этих приборов простираются от простого определения молекулярного состава до сложнейших структурных исследований, что делает их незаменимыми в самых различных областях науки, от сельского хозяйства до персонализированной медицины.

Одна из самых востребованных, но оттого не менее сложных в разработке и производстве моделей - это тандемный трехквадрупольный масс-спектрометр.

Нашему корреспонденту удалось поговорить с разработчиком первого отечественного прибора такого типа - профессором кафедры «Молекулярная физика» Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ Алексеем Александровичем Сысоевым.

Ранее никогда не производившийся в России тандемный трехквадрупольный масс-спектрометр презентовали его разработчики во главе с руководителем работ Алексеем Александровичем Сысоевым 17 октября 2025 г.

Прибор, разработанный в рамках федерального проекта «Развитие научного приборостроения гражданского назначения для научных исследований», недавно прошел государственные приемочные испытания и вскоре уже будет готов к запуску производства.

Масс-спектрометр с тремя квадруполями - крайне востребованный на рынке прибор и при этом предельно сложный в разработке. На создание масс-спектрометра ушло несколько лет и сотни миллионов рублей.

Еще столько же необходимо для того, чтобы организовать серийное производство и вывести прибор на рынок, однако и эту проблему разработчики рассчитывают решить.

«Существует много типов масс-спектрометров, самых распространенных - около семи. Но все масс-спектрометрические методы объединяет одно: они основаны на разделении ионизированных компонентов пробы по отношению массы к заряду.

То есть ионы пробы разделяются в электрических и магнитных полях. Каждый прибор, как правило, решает конкретную задачу.

Масс-спектрометрию можно классифицировать по различным критериям, например по тому, в какой фазе находится проба: существуют масс-спектрометры для анализа твердых, газовых или жидких проб.

Или по решаемым задачам: выделяют элементную, молекулярную и изотопную масс-спектрометрию», - начал рассказ ученый.

Среди разнообразия масс-анализаторов особое место занимает квадрупольный, основанный на фильтрации ионов в радиочастотных электрических полях.

Первый прибор с квадрупольным анализатором был описан Вольфгангом Паулем в 1953 г., за что он получил в 1989 г. Нобелевскую премию по физике.

Конструктивно квадруполь представляет собой четыре параллельных электрода круглого сечения, расположенных симметрично. К этим электродам попарно подается определенная комбинация постоянного и высокочастотного напряжения.

Особенность создаваемого таким образом поля заключается в том, что можно подобрать условия, при которых оно будет селективно к узкому диапазону масс. Ионы в этом диапазоне будут стабильно проходить через систему электродов, тогда как остальные приобретут неустойчивые траектории и потеряются. 

Квадрупольные масс-спектрометры кардинально отличались от своих предшественников с магнитными анализаторами, которые требовали использования высоких напряжений (тысячи вольт) и имели громоздкие конструкции.

Благодаря относительной простоте конструкции, меньшим размерам и значительно более низкой стоимости квадрупольные масс-спектрометры открыли возможность использования масс-спектрометрического анализа тысячам лабораторий по всему миру.

История развития масс-спектрометрии в нашей стране имеет глубокие корни. Советский Союз имел сильные позиции в этой области, особенно в связи с потребностями атомного проекта, где изотопный анализ был ключевым методом контроля.

В НИЯУ МИФИ, одном из ведущих центров по этому направлению, основателем школы масс-спектрометрии был Александр Алексеевич Сысоев, отец Алексея Александровича. Ученики Александра Алексеевича сейчас работают в масс-спектрометрических компаниях по всему миру.

«Одна из ключевых инноваций в масс-спектрометрии, предложенная в начале 1970-х гг., - это тандемная масс-спектрометрия. Изначально использовались три квадруполя, поэтому исторически такие приборы стали называть тандемными трехквадрупольными масс-спектрометрами.

В такой схеме первый квадруполь - это фильтр масс, второй - ячейка столкновений, а третий - снова фильтр масс. Первый квадруполь используется для селекции молекулярных ионов пробы. Во втором квадруполе, где давление выше, происходят реакции столкновительной диссоциации.

Ионы с определенной энергией попадают в эту среду, и происходит фрагментация молекул. В зависимости от энергии разрываются наиболее слабые связи. Образовавшиеся фрагменты, так называемые дочерние ионы, детектируются в третьем квадруполе, представляющем собой второй квадрупольный фильтр масс.

Таким образом, мы получаем информацию не только о массе исходного иона, но и о том, на какие фрагменты он распадается. Это дает гораздо больше сведений о веществе в пробе, чем использование одного квадруполя», - объяснил А.А. Сысоев.

Область применения тандемных трехквадрупольных масс-спектрометров чрезвычайно широка. В здравоохранении они могут использоваться для диагностики редких генетических заболеваний новорожденных, которые можно скорректировать только в младенческом возрасте.

В фармацевтике - для аналитического сопровождения разработки лекарственных средств, а также их доклинических и клинических испытаний. В аграрной отрасли масс-спектрометры необходимы для контроля качества и безопасности продукции АПК.

Регистрация ветеринарных лекарственных средств, контроль кормов для животных, а также мониторинг безопасности животноводческой продукции в значительной мере основаны на применении методических указаний и ГОСТ, которые предусматривают использование тандемной масс-спектрометрии.

«Масс-спектрометры необходимы во многих отраслях, чтобы ответить на вопрос, что содержится в образце: будь то кровь, приведенная в необходимое для анализа состояние, или какой-либо продукт, состав которого нужно исследовать.

Если мы говорим о масс-спектрометрах для молекулярного анализа, а наш прибор создан как раз для этого, то стоит задача получить максимум информации. Прежде всего, нам нужны данные о массе молекулярного иона и о том, на какие фрагменты он распадается под воздействием энергии», - уточнил ученый. 

Можно сказать, что существуют три ключевых измерения такого анализа: масса иона-предшественника (материнского иона), массы ионов-продуктов (дочерних ионов) и энергия столкновений.

Но часто масс-спектрометры оснащают дополнительными устройствами, например жидкостными хроматографами.

Таким образом, результаты анализа сложных проб часто включает четыре набора данных: времена удерживания при хроматографическом разделении, массы материнских ионов, энергию воздействия и массы получаемых фрагментарных ионов.

«Приборы, удовлетворяющие современных потребителей, выпускают всего семь компаний в мире: шесть американских и одна японская. Тандемные трехквадрупольные масс-спектрометры требуют сложных технологий в производстве компонентов и объединяют знания из очень разных областей.

Одна из проблем - транспортировка ионов из области атмосферного давления в область высокого вакуума. Сложные пробы лучше ионизировать при атмосферном давлении, так как методы ионизации в вакууме часто дают много фрагментов и сложную картину.

Используются такие методы, как электрораспыление (кстати, впервые предложенный в нашей стране), химическая или фотоионизация при атмосферном давлении. Нужно не просто передать ионы, но и обеспечить высокую чувствительность.

Вторая проблема - создание эффективного электрораспылителя», - обозначил сложности в создании масс-спектрометра А.А. Сысоев.

Третья проблема, которую упомянул ученый, - изготовление самого квадрупольного фильтра масс. Это изделие требует микрометровой точности на макроскопических расстояниях, и чем тяжелее анализируемые ионы, тем выше требования к точности.

Четвертая проблема - построение ячейки столкновений. Она должна обеспечивать предсказуемую фрагментацию и эффективное извлечение фрагментов, минимизируя потери.

Наконец, детектирование - тоже нетривиальная задача, требующая применения высокотехнологичных вторично-электронных умножителей. К счастью, в России есть компании, производящие такие детекторы.

Эволюция аналитических методов часто проходит семь стадий:

от создания концепции, через теоретические и экспериментальные фундаментальные исследования, дальнейшие инструментальные и методические разработки, создание серийных изделий и разработку методик к расширению области применения до признания в качестве стандартного метода в различных областях приложений, а затем, наконец, «устаревания», когда метод начинает постепенно вытесняться из тех областей приложений, где появляются более эффективные альтернативы.

Тандемная масс-спектрометрия в настоящее время находится на стадиях расширения области применения и признания в качестве стандартного метода, особенно в области клинических исследований.

Потребность России в тандемных трехквадрупольных масс-спектрометрах составляет не менее 50 приборов в год, и это число будет только расти - особенно в связи с тенденцией замещения иммуноферментных методов анализа крови масс-спектрометрическими, что особенно актуально с ростом персонализированной медицины, где требуется максимум информации о метаболизме пациента.

Но разработка и организация серийного производства тандемного трехквадрупольного масс-спектрометра представляют собой не просто создание очередного аналитического прибора, а важный шаг в восстановлении отечественной школы научного приборостроения. 

Никита Ланской