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. Корреспонденту «Научной России» 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. Опытный образец прибора в данный момент проходит государственные приемочные испытания и вскоре уже будет готов к старту 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 удалось 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.
Масс-спектрометр НИЯУ МИФИ
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 квадрупольном фильтре. 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.
Масс-спектрометр НИЯУ МИФИ
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, анализ сложных проб часто включает четыре набора данных: хроматографическое разделение, массу материнского иона, энергию воздействия и массу фрагментов.
«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 методы вроде электрораспыления (кстати, впервые предложенного в нашей стране), химической или фотоионизации 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 высокотехнологичная задача. К счастью, в России есть компании, производящие такие детекторы.
Эволюция аналитических методов проходит семь стадий: от концепции, фундаментальных принципов через эксперименты, инструментальные разработки к расширению области применения до признания в качестве стандартного метода, а затем, наконец, «старости», когда метод сменяется более новыми разработками. Тандемная масс-спектрометрия в настоящее время находится на стадии 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.
Источник фото на главной и на странице: Никита Ланской / Научная Россия
Материал подготовлен при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
