Развитие масс-спектрометрических методов для медико-биологических применений: новые решения для молекулярной, изотопной и элементной масс-спектрометрии

Тема НИР «Развитие масс-спектрометрических методов для медико-биологических применений: новые решения для молекулярной, изотопной и элементной масс-спектрометрии» посвящена актуальному направлению приборостроения - разработке новых масс-спектрометрических решений и приборных комплексов, а также отдельных элементов нового типа для быстро развивающихся направлений науки и технологий, прежде всего биомедицинского характера — медицинской биохимии, фармакологии, диагностической и лечебной медицины. В соответствии с планом выполнения темы, проводились теоретические и экспериментальные исследования в области масс-анализаторов, а также исследовались новые методики их применения. В рамках работы исследовались приближенные аналитические выражения для решений уравнения Матьё в пределах первой зоны устойчивости, а также исследовано влияние асимметричных и несоотных искажений электрического поля на первую зону устойчивости квадрупольных масс-анализаторов. Рассчитаны уточненные выражения для матрицы перехода входного и выходного краевого поля секторного магнита с однородным магнитным полем, получены соответствующие формулы для краевых интегралов и смещения эффективной границы краевого поля. Выполнен анализ функционирования и расчёт оптимальных параметров бессеточного двухэлектродного ионного затвора, осуществляющего формирование ионных пакетов при атмосферном давлении. Проведены моделирования входного интерфейса и определена разрешающая способность ион-дрейфового спектрометра, работающего при пониженном давлении газа. Проведены экспериментальные исследования возможностей L-диэлькометрии и разработан новый радиофизический подход к описанию образования диэлькометрических пиков. На самосогласованного расчета эффектов объемного заряда в радиочастотных каналах проведено систематическое исследование аксиальных и радиальных эффектов объемного заряда в транспортном радиочастотном гексаполе при низких давлениях буферного газа, и проведено сравнение влияния объемного заряда в гексапольном и квадрупольном транспортном радиочастотном канале. Показано, что емкость гексапольного канала по объемному заряду не превышает емкости квадрупольного канала из-за формирования полого радиального распределения ионной плотности в гексапольном канале. Показано, что эффект массовой дискриминации в смеси ионов различных масс в гексапольном канале сравним с таким же эффектом в квадрупольном канале и приводит к существенному уменьшению емкости гексаполя по объемному заряду. Радиальное распределение плотности ионов в гексапольном канале пропорционально масштабируется с изменением радиуса вписанной апертуры, как имеет место также в квадрупольном канале. Осуществлен трехмерный расчет краевых полей и аберрационных характеристик масс-анализатора для изотопного масс-спектрометра, предназначенного для исследования уранового, смешанного и отработанного топлива. Выполнены расчеты масс-анализатора однокаскадного магнитного изотопного масс-спектрометра с источником ионов с поверхностной термоионизацией и одновременной регистрацией всех изотопов исследуемого элемента или группы элементов (в случае смешанного реакторного топлива) на специализированную коллекторную систему МТИ 350ТМ. Показано, что для масс-анализа тяжелых элементов, в частности для одновременного измерения изотопов урана и плутония в диапазоне от 232 до 240 аем., имеющаяся конструкция масс-спектрометра МТИ-350ТМ полностью пригодна. Разработана экспериментальная установка для проведения и изучения микрокапельных химических реакций. При этом использование многочисленных техник масс-спектрометрии позволяет не только изучать как мономолекулярные процессы, так и би- и тримолекулярные реакции, но и синтезировать разнообразные соединения “вне колбы”. Показано, что в таких специфических условиях многие химические реакции могут осуществляться по другому механизму с образованием химических соединений, которые не возникают при обычном химическом синтезе, использующего аналогичные химические реакции, протекающие в “объеме”. Проведено исследование пористых силиконовых мембран в составе системы прямого ввода пробы квадрупольного масс-спектрометра. Исследована эффективность фокусирующей системы, состоящей из нескольких тонких диафрагм, для транспортировки ионного тока в систему дифференциальной откачки масс-спектрометра. Проведены масс-спектрометрические исследования состава газовыделения живых организмов и геологических пород. Исследованы возможности анализа выделяемых газов для экспесс-диагностики пациентов, масс-спектрометрического контроля качества биологически активных веществ, контроля качества ферментированной молочной продукции и наличия в ней посторонних примесей и нерегламентированных добавок, возможности экспресс-прогноза состояния земной коры на основе анализа состава газов, выделяемых из разломов земной поверхности. Показана практическая эффективность портативного квадрупольного масс-спектрометра МС7-200, разработанного в ИАП РАН, для проведения соответствующих анализов. На основе технологии МАЛДИ-МС «лаборатория на мишени» с функционализацией поверхности МАЛДИ мишени частицами диоксида титана методом бескапельного электрораспыления при атмосферном давлении, которая уже в течение многих лет успешно развивается в ИАП РАН, проводились исследования образования метаболитов при биотрансформации ксенобиотиков. Важность этих исследований для современной фармакологии сложно переоценить, поскольку образующиеся в ходе биотрансформации продукты могут приводить к образованию активных метаболитов, отличающихся от исходных лекарственных средств нового поколения как по фармакологической активности, так и по токсическим свойствам. Полученные результаты могут быть в дальнейшем использованы для разработки новых подходов и методов анализа в таких областях, как биохимия, фармокология, медицина и пр., например, при установлении факта интоксикации органическими соединениями, или моделировании окислительной биотрансформации и доклинической оценке потенциальной токсичности биологически активных веществ.