В рамках федерального проекта «Развитие отечественного приборостроения гражданского назначения для научных исследований» в НИЯУ МИФИ при участии ИФХЭ РАН разрабатывается первый российский тандемный масс-спектрометр для жидкостной хроматографии/масс-спектрометрии.
Руководитель проекта, доктор физико- математических наук, профессор НИЯУ МИФИ Алексей Александрович Сысоев и директор ИФХЭ РАН, член-корреспондент РАН Алексей Константинович Буряк рассказали о значении нового масс-спектрометра для отечественного научного приборостроения.
Школа масс-спектрометрического приборостроения существует на кафедре молекулярной физики НИЯУ МИФИ уже более 60 лет. Первые работы в этой области датируются концом 50-ых годов. За последние 30 лет был разработан 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 неё свой проект тандемного масс-спектрометра. Была поставлена 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» был представлен 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.
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.
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 о ионной оптике. Это такие же линзы, как в фотоаппаратах?
Как отмечает Александр 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.
При достаточно большой серии прибор мог бы стоить порядка 30 миллионов рублей. Цена продукта должна быть приемлемой для потребителей, но в то же время обеспечивать инвестиционную привлекательность проекта и оставлять средства на дальнейшее развитие прибора. В 2025 году должны пройти государственные приемочные испытания опытного образца. .