„Masówka”

Nie wiem, czy zdajecie sobie sprawę, jak bardzo rozwój naszej wiedzy o otaczającym nas świecie (a także i nas samych) zależy od istnienia odpowiednio zaawansowanych metod pomiarowych. Są ich setki, jeśli nie tysiące, mierzące najróżniejsze parametry i wielkości. W pewnym sensie to jedna z cech nowożytnej nauki – mierzyć, mierzyć, mierzyć. Ujmować w liczby, tabele i wykresy każdą rzecz i każde zjawisko.

Wróćmy jednak do wspomnianych przeze mnie metod pomiarowych, czy jak to mówią chemicy, metod „analitycznych”. Niektóre z nich są bardzo specyficzne i mają dość wąski zakres stosowania (choć są wręcz niezastąpione w pewnych przypadkach). Inne z kolei są niezwykle uniwersalne i mają niezliczoną liczbę zastosowań. Dziś opowiem o jednej z nich.

Kilka pytań „jak?”

Czy zastanawialiście się jak chemik może się dowiedzieć, co powstaje w wyniku przeprowadzonej przez niego reakcji? Albo jak biolog może określić, jakie związki chemiczne odpowiadają za zapach kwiatów danej rośliny? Albo skąd astronomowie wiedzą, że w próbce marsjańskiego gruntu znajdują się konkretne związki chemiczne? Albo skąd prowadzący śledztwo policjant wie, że ofiarę otruto takim a nie innym lekiem? I jeszcze jeden przykład, bardzo na czasie, skąd lekarze wiedzą jak zbudowane są cząsteczki białek czy kwasów nukleinowych owego słynnego wirusa? Odpowiedź jest jedna – dzięki spektrometrii mas, zwanej przez niektórych pieszczotliwie „masówką”.

Idea tej metody jest zasadniczo prosta. Opiera się ona na fakcie, że jeśli cząsteczkę danego związku chemicznego „rozerwiemy” na mniejsze fragmenty, to znając ich liczbę i wielkość będziemy mogli ustalić jak zbudowany był wyjściowy związek. To w pewnym sensie taka detektywistyczna zagadka, zbieramy dowody i na ich podstawie wydajemy decyzję.

Idea, choć prosta, nastręcza wiele problemów przy jej realizacji. Po pierwsze jak rozbić cząsteczki badanej substancji. Pamiętajmy, że mówimy tu o rozbiciu cząsteczki chemicznej, o rozbiciu wiązań między atomami i grupami atomów. Siły do tego potrzebne są ogromne. Trzeba do tego energii silnie rozpędzonych elektronów albo atomów obojętnego pierwiastka (np. argonu), którymi bombarduje się (w wysokiej próżni) badaną substancję. Czasem wykorzystuje się także dużej mocy promieniowanie laserowe.

Jak już rozbijemy naszą cząsteczkę, to trzeba jeszcze dowiedzieć się na jakie fragmenty się rozpadła. Przede wszystkim chodzi nam o masę tych fragmentów. Nie da się ich oczywiście zważyć na choćby najdokładniejszych wagach. Można jednak w tym celu wykorzystać fakt, że niektóre z fragmentów podczas rozbijania cząsteczki tracą lub przyłączają elektrony. Tym samym stają się jonami, a z kolei ich ruchem można sterować w polu elektrycznym. W praktyce wymaga to wysokiej, chirurgicznej precyzji na poziomie nanometrów. Obserwując jak się zachowują te fragmenty-jony w zmiennym polu elektrycznym, m.in. badając  jak szybko się poruszają można wyznaczyć ich masę z dokładnością do jednej stutysięcznej masy atomu wodoru ¹. Jak się domyślacie sprzęt potrzebny do takich analiz nie należy do najtańszych. Ich ceny zaczynają się od blisko miliona złotych, a więc równowartość całkiem niezłego „autka”.

W konsekwencji rozbicia cząsteczki badanej substancji i oceny masy jej fragmentów po rozbiciu otrzymuje się tzw. widmo masowe, czyli wykres przedstawiający zależność masy fragmentów od ich ilości. Teraz można już przystąpić do identyfikacji związku. Jeśli dysponuje się jego wzorcem (to znaczy jego próbką o składzie potwierdzonym innymi sposobami), to wykonuje się widmo dla wzorca i jeśli oba widma są identyczne to obie substancje także. Innymi słowy takie widmo to taki „odcisk palca” chemicznej substancji. Jeśli nie mamy wzorca, to stajemy przed zagadką, której rozwiązanie wymaga wiedzy o prawidłach rządzących rozpadem związków chemicznych. Poświęcone są temu grube podręczniki, a w dodatku do osiągnięcia sukcesu często ważne jest osobiste doświadczenie chemika analityka.

Mimo wspomnianych trudności (i ceny aparatów) spektrometria mas znajduje coraz więcej zastosowań. W swojej pracy badawczej wykorzystywałem ją do badania składu paliw i olejków eterycznych, a także oznaczania zanieczyszczeń w wodzie i glebie. A to tylko mały wycinek możliwości tej metody. Będąc na jednej z konferencji jej dedykowanych miałem okazję słuchać o wykorzystywaniu spektrometrów mas w identyfikacji nowych leków, czy diagnostyce chorób (poprzez identyfikację jakie związki gromadzą się we krwi w czasie ich przebiegu). Tą techniką można badać budowę białek i cząsteczek DNA. Stosują ją laboratoria badające zanieczyszczenia w żywności i producenci tworzyw sztucznych. Miniaturowe spektrometry mas montowane są również na sondach kosmicznych, aby badały skład komet i księżycowych gruntów.

Mam nadzieję, że od teraz nazwa „spektrometrii mas” czy „spektrometr mas” nie będą już dla Was obce. Co więcej, dostrzeżecie, jak wiele tej metodzie zawdzięczamy różnorodnych informacji.

Wojciech Smułek