Новая технология масс-спектрометрии может изменить анализ микроскопических образцов

Масс-спектрометрия — мощный метод, позволяющий учёным идентифицировать составные части практически любого вещества, измеряя массу его мельчайших частиц. Однако у неё есть серьёзное ограничение: около 99% анализируемого образца обычно теряется ещё до начала анализа.

Такие потери снижают точность и чувствительность метода, приводят к растрате ресурсов и усложняют подготовку проб, что может вызывать дополнительные ошибки. Но, возможно, вскоре ситуация изменится.

Исследовательская группа из Брауновского университета разработала новый метод переноса ионов для анализа в масс-спектрометре, который резко сокращает потери образца, сохраняя его почти полностью.

"Обычная техника получения ионов для масс-спектрометрии, называемая электрораспылительной ионизацией, по сути, заключается в том, что очень острая игла помещается прямо перед масс-спектрометром, на неё подаётся электрическое поле, которое вытягивает облако заряженных капель. Они высыхают, образуя "голые" ионы, которые из открытого воздуха попадают в масс-спектрометр", — объяснил Николас Драхман, аспирант по физике в Брауне, руководивший работой.

"По сути, это процесс, при котором вы буквально распыляете свой образец повсюду, чтобы получить эти ионы, и лишь крошечная их часть попадает в вакуум масс-спектрометра для анализа. Наш подход пропускает всё это".

Новый метод, названный нанопоровым источником ионов, преодолевает давнюю проблему и может революционизировать технологию масс-спектрометрии. Команда описывает инновацию в журнале Nature Communications.

Ключевое отличие

Суть метода — в крошечном капилляре, разработанном исследователями. Его отверстие имеет диаметр около 30 нанометров — примерно в 1000 раз меньше ширины человеческого волоса. Для сравнения: отверстие обычной иглы, используемой в электрораспылении, составляет около 20 микрометров, то есть примерно в 600 раз больше.

Новая нанотрубка также обладает уникальной способностью переносить ионы, растворённые в воде, непосредственно в вакуум масс-спектрометра, минуя стадию образования и высушивания капель.

Кроме того, обычные масс-спектрометры обычно затягивают вместе с ионами значительное количество газа, что требует нескольких ступеней вакуумных насосов. Новый метод позволяет избежать этого, так как газ не засасывается.

"Вместо того чтобы помещать источник перед масс-спектрометром и генерировать это облако капель, мы помещаем его прямо в масс-спектрометр, пропуская грязный процесс распыления, сушки и создания вакуума", — сказал Драхман. — "Генерируя ионы непосредственно в вакууме, мы резко снижаем требования к откачке, что должно значительно упростить сложное аппаратное обеспечение масс-спектрометров".

Вдохновение и потенциал

Команда из Брауна вдохновлялась технологией нанопорового секвенирования ДНК и планирует коммерциализировать свою идею для широкого использования исследователями белков, в том числе для давней цели — последовательного секвенирования белков по одной аминокислоте.

"Масс-спектрометрия — лучший способ изучения белков, состоящих из аминокислот с самыми разными химическими и физическими свойствами, потому что она может различать их по массе ионов с высокой точностью", — сказал Дерек Стайн, профессор физики в Брауне и соавтор статьи.

"Протеомика не видела таких же успехов, как геномика, за последние два десятилетия, и существует большой спрос на технологию, которая может улучшить анализ белков. Устранив проблему потери образца, мы должны сделать возможными гораздо более чувствительные анализы, такие как секвенирование аминокислот в молекуле белка одну за другой и в последовательном порядке. Это и есть та большая идея, которая мотивировала нашу работу".

Долгий путь к успеху

Команда потратила 10 лет на разработку метода. Они начали с создания собственного масс-спектрометра, способного разместить уникальный источник ионов в вакууме, в отличие от традиционных конструкций, где источник отделён от устройства и находится на открытом воздухе.

Ключевой компонент устройства переноса они изготовили, нагрев стеклянную трубку посередине на специальной машине и аккуратно растянув её, чтобы создать чрезвычайно маленькое отверстие на кончике, невидимое невооружённым глазом.

Методом проб и ошибок им удалось добиться стабильной работы на кончике капилляра, который слишком мал для визуального контроля.

"Были недели, когда мы не знали, прокляты ли мы самим Богом — всё просто переставало работать", — сказал Стайн. — "В другие недели всё работало блестяще".

Доказательство концепции и будущее

Упорство команды окупилось. Они успешно продемонстрировали, что анализ ионов с помощью их нового метода переноса соответствует детекциям, выполненным традиционными методами, но с гораздо меньшими потерями образца, предлагая более эффективный и точный способ анализа мельчайших частиц.

"Нам нужно было убедить людей в области протеомики, что мы можем генерировать те же самые ионы, к которым они привыкли при обычном электрораспылении, — и что мы можем делать это другим и, как мы считаем, лучшим способом", — сказал Драхман.

Анализ, описанный в статье, служит доказательством концепции метода. Следующая цель исследователей — раскрыть весь потенциал своего нанопорового источника ионов.

"Нам нужно показать, что это может улучшить рабочий процесс протеомного анализа", — сказал Драхман. — "Мы хотели бы вывести это на следующий уровень и сделать так, чтобы это улучшило науку исследователей во всей этой области".