[논문] 새로운 질량 분석법 콤보는 자연의 알려지지 않은 화학 우주를 활용할 수 있는 가능성을 제공합니다.

우주는 수십억 개의 가능한 화학 물질로 가득 차 있습니다. 그러나 수많은 첨단 장비를 사용하더라도 과학자들은 이러한 화합물의 극히 일부, 아마도 1%의 화학 구조를 결정했습니다.

에너지부 산하 태평양 북서부 국립 연구소(PNNL)의 과학자들은 나머지 99%를 목표로 삼아 광활한 미지 화합물 바다에 대해 더 많이 배울 수 있는 새로운 방법을 만들고 있습니다. 질병에 대한 치료법, 기후 변화에 대처하기 위한 새로운 접근 방식 또는 화학 우주에 숨어 있는 새로운 화학적 또는 생물학적 위협이 있을 수 있습니다.

작업이 m/q로 알려진 이니셔티브의 일부이거나 “m 오버 q”– 전하로 나눈 질량의 줄임말로 과학자들이 세계에서 화학적 특성을 측정하는 방법 중 하나를 나타냅니다. 질량 분석.

m/q 이니셔티브를 이끄는 Thomas Metz는 “지금 우리는 토양에서 샘플을 채취할 수 있습니다. 토양 유형에 따라 단지 티스푼의 가치에 수천 개의 화학 화합물이 있을 수 있습니다.”라고 말했습니다. “그리고 우리는 그들 대부분이 그들의 관점에서 무엇인지 모릅니다. 화학 구조. 우리는 거기에 무엇이 있는지 전혀 모릅니다.”

과학자들은 일반적으로 물질을 식별하기 위해 수천 개의 분자에 대한 정보가 포함된 참조 라이브러리에 의존합니다. 연구원들은 토양, 신체 또는 다른 곳에서 샘플을 분류하고 실험적으로 측정한 것을 라이브러리에 있는 것과 비교합니다. 그것이 도움이 되지만, 예를 들어 화학 공급업체로부터 구입한 표준 화합물의 분석을 통해 이전에 본 분자만 구조적으로 식별하도록 과학자를 제한합니다.

최신 개발에서 과학자 Adam Hollerbach가 이끄는 팀은 두 개의 고해상도 기기를 하나의 시스템으로 결합하여 전례 없이 자세하게 분자 크기를 측정했습니다. 결과는 6월 12일 저널에 게재되었습니다. 분석 화학.

이제 과학자들은 한 번의 실험으로 화합물에 대한 몇 가지 중요한 측정을 수행하여 이전보다 빠르고 편리하며 정확하게 중요한 정보를 얻을 수 있습니다.

Hollerbach의 기술은 양전하 또는 음전하를 띤 분자인 이온에 적용됩니다. 따라서 질량 분석법을 사용하여 더 쉽게 제어하고 감지할 수 있습니다.

질량 분석법: 이온 속삭이는 도구

그것들을 연구하는 사람들처럼, 이온은 서로 구별되는 많은 특징을 가지고 있습니다. 사람, 체중, 머리 색깔, 크기, 모양, 눈 색깔 및 기타 많은 특성을 통해 누가 누구인지 알 수 있습니다. 이온의 경우 식별 특성에는 질량, 모양, 크기, 전하, 및 화학 성분. 그것들은 식별자 역할을 할 뿐만 아니라 관련 분자의 행동에 대한 가이드 역할도 합니다. 예를 들어 질병을 치료하거나 오염 물질을 흡수할 수 있는 잠재력에 대한 단서입니다.

그러한 이해는 미생물이 기후에 미치는 영향을 이해하는 데 집중하는 PNNL의 수많은 과학자들의 노력에 도움이 될 것입니다. 미생물은 탄소와 같은 원소를 지구에 중요한 다른 형태로 변형시키는 데 중요한 역할을 합니다. 지구 온난화 또는 냉각에 미치는 영향은 강력합니다. 그러나 과학자들은 배워야 할 것이 많습니다.

메츠는 “단지 1그램의 토양에 수백만 개의 미생물이 있을 수 있으며, 우리는 그들 대부분이 누구인지, 무엇을 하는지 모릅니다. 여전히 많은 발견이 일어나야 합니다.”라고 말했습니다. “도전적인 과학의 관점에서 보면 어떻게 보느냐에 따라 최악의 시나리오이거나 우리의 가장 큰 기회 중 하나입니다.”

m/q 과학자들은 기회를 포착하고 있습니다. 기존의 질량 분석 측정에서 식별할 수 있는 상대적으로 적은 수의 화합물 내에서 질문의 틀을 잡는 대신, 그들은 현재의 한계를 뛰어넘고 오늘날 알려지지 않은 것을 식별하는 완전히 새로운 방법을 만들려고 노력하고 있습니다. 새로운 망원경이 배치되어 이전에는 천체의 흐릿한 잡동사니가 하나만 보였던 곳에 여러 개의 뚜렷한 별을 드러내는 것과 약간 비슷합니다.

이 작업은 실험적이며 과학자들이 보고 있는 것을 모델링하고 그들이 볼 가능성이 있는 것을 예측하는 컴퓨터와 실험실에서 분자의 속도를 조절합니다.

에 기술된 실험에서 분석 화학 종이, Hollerbach와 동료들은 펩타이드와 지질을 민감하게 측정했습니다. 실험은 이름이 비슷하지만 이온에 대한 세부 정보가 다른 두 개의 기기를 결합했습니다. 둘 다 PNNL 과학자들의 발견과 역사가 얽힌 분야인 질량 분석법에 사용됩니다.

첫 번째 장비는 이온의 질량, 전하 및 이온이 분해되는 방식을 측정하는 질량 분석계입니다. 이 연구에서 팀은 Thermo-Fisher Scientific에서 개발한 Orbitrap을 사용했습니다. 이러한 기기는 질량이 다른 분자를 잘 분류하지만 질량이 같은 두 분자는 분리하기 어렵습니다. 몸무게가 각각 180파운드인 두 사람을 생각해 보십시오. 한 사람은 키가 크고 마른 반면 다른 사람은 키가 작고 땅딸막합니다. 규모만으로는 분리가 불가능합니다.

SLIM 접근 방식: Ion Mobility 분광법은 엄청난 결과를 제공합니다.

두 번째 기기는 무손실 이온 조작을 위한 구조인 SLIM으로 알려져 있습니다. PNNL 과학자 Richard D. Smith와 동료들이 만든 SLIM은 이온의 크기와 전하를 측정하는 이온 이동성 분광계입니다.

노트북 정도의 크기에 두께가 1/4인치에 불과한 SLIM은 분자 활동의 온상입니다. 수십 개의 길고 구불구불한 경로는 작은 장치를 42피트 길이의 분자 경주장으로 변환하며 이온은 타원형 장애물 코스를 돌고 도는 전기장에 의해 엄격하게 제어됩니다.

“장애물”은 헬륨 또는 질소 분자와 같은 다른 알려진 분자입니다. 연구 중인 이온이 SLIM 장치를 통해 경주할 때 그들은 다른 분자 주위를 탐색하고 반대쪽 차단제를 통과하고 주위를 달리는 축구공처럼 넘어지고 휘어집니다. “ion Mobility Spectrometry”라는 용어는 진정으로 그 행동을 포착합니다.

이온이 경로를 완료하는 데 걸리는 시간(차단 이온을 얼마나 능숙하게 탐색하는지)을 기록함으로써 과학자들은 이온의 모양과 크기에 대한 모든 종류의 정보를 배웁니다. 표준 질량 분석기에서 사용할 수 없는 이 정보는 이온의 질량, 전하 및 단편화 패턴에 대한 데이터와 결합됩니다. 전체적으로 데이터는 이온의 충돌 단면, 분자식 및 조각화 패턴, 분자 구조를 이해하는 데 핵심적인 특성을 산출합니다.

“두 개의 서로 다른 분자는 동일한 수의 원자, 동일한 질량 및 전하를 가질 수 있지만 매우 다른 구조와 활동을 가질 수 있습니다. SLIM이 차이점을 알려주는 곳입니다.”라고 Hollerbach는 말했습니다. “단지 하나의 작은 변화가 질병을 나타내는 분자와 그렇지 않은 분자 사이의 차이를 의미할 수 있습니다.”

Hollerbach 실험의 핵심은 서로 다른 두 악기가 함께 잘 연주되도록 하는 것이었습니다. 표준 질량 분석법과 이온 이동도 분광법 이온을 분석하면 서로 다른 시간 척도에서 작동합니다. 이온은 SLIM을 통해 이동하여 처리할 수 있는 것보다 더 빨리 Orbitrap에 도착합니다.

그래서 Hollerbach는 “이중 게이트 이온 주입”을 전개하는 오래된 기술을 사용했습니다. 그는 이온이 시스템으로 유입되는 것을 제어하고 Orbitrap에 이온이 도달하는 것을 제어하기 위해 게이트를 추가했습니다. 이온 흐름을 관리 가능한 속도로 유지하기 위해 SLIM에서 망각으로.

Hollerbach는 “실제로 우리가 묻는 질문은 매우 간단합니다.”라고 말했습니다. “이게 뭐고, 얼마입니까? 하지만 우리가 사용하는 기술은 복잡합니다.”

다른 m/q 과학자들은 알려지지 않은 분자를 식별하거나 활용하기 위한 추가 방법을 연구하고 있습니다. 일부는 이온의 구조를 자동으로 예측하기 위해 Hollerbach의 실험에서 얻은 것과 같은 데이터를 사용하는 방법을 만들고 있으므로 제약 회사와 다른 과학자들은 그들이 작업하고 있는 것을 정확히 알 수 있습니다. 다른 사람들은 펜타닐과 같은 화합물의 형태에 대한 수백만 가지 가능성을 조사하여 언젠가 거리에 나타날 가능성이 없는 것을 분류하고 있습니다. 그런 다음 그들은 그 화합물이 내부에서 어떻게 행동할지 예측합니다. 질량분석기— 표시되는 경우 식별할 수 있는 방법을 만듭니다.