Что сделает неопытный археолог с обнаруженным древним артефактом? Скорее всего, отчистит. Ведь музеи не принимают в свои коллекции грязные предметы. Но, очистив амфору или монету, археолог совершит фатальную ошибку, которую учёные объясняют цитатой Шерлока Холмса: «Ваша уборка, миссис Хадсон, равносильна скалыванию иероглифов с египетских камней. После вашей уборки все египтологи остались бы без работы. Их взорам предстали бы... совершенно гладкие камни без всяких признаков информации».
Слой, покрывающий древние находки, — уникальная база данных, с помощью которой химики-аналитики могут узнать много интересного об объекте. В этом деле учёным помогает масс-спектрометрия. С помощью нее можно разложить химические вещества на компоненты, точно определить допинг в крови спортсменов и выяснить качество продуктов. В работе этого метода исследования нам помог разобраться доцент Центра молекулярной и клеточной биологии Сколтеха Юрий Костюкевич.
Так какую же информацию может нести только что выкопанный из земли артефакт? В первую очередь, это, конечно, возраст. Если речь идёт о посуде и керамике, то учёным интересно узнать, что в ней было. Это поможет объяснить, какое здесь было поселение, какая была экономика и чем занимались люди в этой местности. Если мы найдём тело молодого человека без явных признаков насильственной смерти, то сможем выяснить, отравили ли его и каким веществом конкретно.
И один из самых тривиальных примеров, который известен практически каждому, — поиск секрета бальзамирования мумий древних египтян, которые прекрасно сохраняются даже после 5000 лет консервации. Важен и достаточно простой вопрос: из чего изготавливали краски и чернила — не столько для науки, сколько для реставрации. Потому что восстанавливать археологические находки или предметы искусства можно только аналогами тех материалов, которые использовались раньше.
Из чего состоит наш мир
Прежде чем узнать что-то об объекте, нужно вспомнить, из чего состоит наш мир и что мы можем в нём измерить. На самом фундаментальном уровне всё состоит из кварков, лептонов и калибровочных бозонов. Если вы не физик, то вам достаточно знать, что всё (не говоря о космосе и о том, что происходит на ускорителях элементарных частиц) состоит из электронов, верхних и нижних кварков, а также фотонов, которые обеспечивают электромагнитное взаимодействие между ними. Кварки объединяются в элементарные частицы — протоны (два верхних кварка и один нижний) и нейтроны (два нижних, один верхний). Образованные из них атомные ядра, вокруг которых вращаются электроны, и составляют наш осязаемый мир.
Теперь разберёмся, какие комбинации могут создавать протоны и нейтроны. Из таблицы Менделеева мы знаем, что за тип химического элемента отвечает количество протонов. К примеру, углерод имеет в своем атомном ядре 6 протонов, а количество нейтронов может быть разным: 6, 7, 8 и даже больше. Современным физикам известно порядка 2000 сочетаний протонов и нейтронов, 260 из которых стабильны. Большинство из них в нашем мире присутствует в микроскопических количествах, но это очень важный инструмент химиков-аналитиков, когда дело касается определения возраста некоторых пород.
Официально существует 118 химических элементов, всё остальное — изотопы. Это атомы с одинаковым числом протонов и разным количеством нейтронов. Разберёмся на примере H2O. Изотопов водорода существует 3 вида — протий, дейтерий и тритий. 99,9% водорода в природе составляет протий, в ядре которого только один протон и нет нейтронов. Кислорода тоже существует три типа: 16-й — его подавляющее большинство, 17-й и 18-й. А теперь, зная все эти нюансы, представьте, сколько существует разных типов воды.
В школе нас учат, что химические свойства изотопов абсолютно одинаковые. Но этого не может быть хотя бы из-за того, что у них разные вес и структура. Даже небольших различий достаточно учёным, чтобы, измерив атомы и молекулы, определить состав вещества, а в результате выяснить географическое происхождение и возраст любой материи. Например, зная, что в каждом регионе планеты доля дейтерия в воде разная, мы можем выяснить, на самом ли деле вода в бутылке «из талых ледников Антарктиды». Этот способ подходит и для проверки сельскохозяйственной продукции, и выявления фальсификата и т.д.
Как измерить микроскопические атомы, изотопы и молекулы
На помощь науке приходит масс-спектрометрия. Если с «масс» всё достаточно понятно, то вторая часть слова наверняка напомнит многим об эффекте, когда солнечный свет, падая на призму, распадается на компоненты. И в случае с масс-спектрометрией это близко к истине.
Чуть больше 100 лет назад английские физики придумали способ, который похожим образом с помощью оптической системы помогает разложить сложное вещество на компоненты. Этот способ и называется масс-спектрометрией. Если крайне упростить, то во время него вещество переводится в некую газовую фазу, разгоняется и по аналогии с солнечным светом направляется на ионные линзы — специальную комбинацию электрических и ионных полей. Как и в случае с разложением света, молекулы с разными свойствами в этих линзах отклоняются по-разному, что позволяет фиксировать все компоненты вещества.
Чтобы представить, с какими величинами работает масс-спектрометрия, мы подготовили небольшую таблицу:
- Вселенная — 10’53
- Солнце — 2*10’30
- Земля – 6*10’24
- Человек – 70кг
- Вода в чайной ложке – 5 г
- Комар – 2 мг
- Вирус Covid19 – 10’-15
- Белок – 66 кДа (измеряет масс-спектрометрия)
- Атом водорода – 1.66*10’-24 г (измеряет масс-спектрометрия)
Как понятно из этой таблицы, рабочий диапазон масс-спектрометрии: от отдельных атомов до комбинаций десятка тысяч молекул. Цельные нуклеиновые кислоты масс-спектрометрия измерить пока не может, но уже появляются научные работы, посвящённые взвешиванию цельных вирусов.
Не стоит думать, что масс-спектрометрия существует только в лабораториях. Это очень распространённый метод, потому что отвечает на конкретные вопрос — из чего состоит объект. Что очень важно для токсикологии, наркологии, в антидопинговой работе и везде, где могут возникнуть сомнения в качестве продуктов, например, принимало ли животное антибиотики.
Внутри масс-спектрометра
Представим, что вам принесли фрагмент египетской мумии и просят использовать масс-спектрометр, чтобы выяснить, чем конкретно её бальзамировали.
Для исследования на масс-спектрометре нужно пройти несколько стадий.
Пробоподготовка — кусочек мумии в прибор засунуть не получится, поэтому нужно будет подготовить образец. Можно использовать несколько методов: экстракцию, центрифугирование, осаждение, ТФЭ.
Хроматография — на этом этапе происходит некое предварительное разделение образца.
Перевод образца в газовую фазу. Масс-спектрометр работает только с заряженными частицами в вакууме. Ничем, кроме электрического поля, мы не можем воздействовать на вещество — для этого оно и должно быть заряжено. Кстати, за методы, позволяющие перевести раствор в газовую фазу и зарядить его, присуждены две Нобелевские премии. Самый простой для понимания — метод электроспрея. Представьте, что вы наполнили обычный шприц образцом, подали небольшое напряжение на кончик иглы в 5кВ и нажали на поршень. В итоге у вас получится эффект, похожий на распыление лака для волос. Вылетевшие микрокапли испаряются и в газообразном виде засасываются масс-спектрометром.
Следующий этап — измерение массы вещества. Представьте, что у вас есть два объекта разного веса и вы сообщаете им энергию одинаковой величины: лёгкий полетит быстрее, тяжёлый – чуть медленнее. В такой очерёдности они и столкнутся с детектором. Откалибровав детектор на разные массы, вы сможете узнать неизвестную массу. Так и работает времяпролётный детектор внутри масс-спектрометра.
Что же конкретно ищут учёные при исследовании вещества? Некоторые параметры хроматографии, точную массу и фрагменты молекулы, на которые она разваливается. Измерить больше данных современная наука пока не в состоянии. Полученную информацию учёные сравнивают с референсными стандартными значениями и ищут с ними схожесть. Но проблема в том, что базы данных содержат всего несколько десятков тысяч химических соединений, хотя человечеству известно более 100 миллионов.
В следующей части материала о масс-спектрометрии мы расскажем о её практическом применении. Вы узнаете, как учёные определяли рецепт древних напитков, проверяли реальный возраст Туринской плащаницы и что нашли на рукописях Мастера и Маргариты.
