Сколковский институт науки и технологий и Московский физико-технический институт завершили разработку нового масс-спектрометра, предназначенного для научных исследований и использования в практических приложениях везде, где требуется идентификация веществ с высокой достоверностью, например в разработках для химической промышленности.

Разработанный прибор построен на уникальном принципе и не имеет аналогов по конструкции как в России, так и в мире. Несмотря на наличие зарубежных аналогов, в России устройство не имеет прямых конкурентов и является очередным шагом к импортозамещению и технологическому суверенитету страны.

Проект реализуется в рамках программы отечественного приборостроения МФТИ и Сколтехом. Масс-спектрометры — это аналитические приборы, используемые для определения массы и структуры молекул различных веществ. Они применяются в химии, биохимии, фармацевтике, экологии и других областях. Основные принципы работы масс-спектрометров включают ионизацию (превращение нейтральных молекул в электрически заряженные ионы), масс-анализ (разделение ионов на основе их массы и заряда), детектирование (регистрация и анализ разделённых ионов детектором, который измеряет ток ионов) и интерпретация данных (определение молекулярной массы, идентификация соединений, количественный анализ).

Масс-спектрометрия применяется для исследования не только одиночных молекул, но и сложных смесей. Например, в химической промышленности — для анализа продуктов реакции, в биологии и медицине — для изучения метаболитов, белков, липидов и других биомолекул, а также в экологических и фармацевтических исследованиях.

К преимуществам технологии относятся высокая чувствительность и специфичность, возможность анализа сложных смесей, быстрая и точная идентификация соединений. Кроме того, масс-спектрометрия является мощным инструментом в аналитической химии и продолжает развиваться: внедряются новые технологии и методы для улучшения точности и быстроты анализов.

В основу созданного прибора заложен оригинальный принцип. Его основной элемент — масс-анализатор на основе многоэлектродной гармонизированной ловушки Кингдона — может стать родоначальником целого семейства устройств. Новый масс-спектрометр является первым из них — газоанализатором. Он позволяет исследовать летучую и низколетучую органику, а также газообразные неорганические соединения. Принцип работы масс-анализатора состоит в измерении массы ионов, удерживаемых ловушке, на основе сигнала, наводимого пакетом ионов на детектирующих электродах ловушки. Этот прибор входит в класс масс-спектрометров с преобразованием Фурье, в которых для измерения массы не осуществляется прямого разделения ионов в пространстве или времени: детектирование сигнала от всех ионов производится одновременно.

По сравнению с существующими иностранными аналогами новый прибор является более компактным и имеет существенно более низкую цену при схожих аналитических характеристиках. Проект стартовал в 2022 году и завершится в августе 2025 года. К настоящему моменту опытный образец изделия прошёл предварительные испытания и передан на госприёмку. Внедрить устройство в производство планируется в течение двух лет. Таким образом, к сентябрю 2027 года новый отечественный масс-спектрометр будет готов к серийному производству и продаже. 

Подобные приборы относительно сложны, а их эксплуатация требует создания сложной инфраструктуры. Поэтому они предназначены в первую очередь для ведения разработок в исследовательских центрах технологических компаний, научных институтах и университетах.

«В составе этого масс-спектрометра или других приборов наш масс-анализатор может использоваться в нефтехимии, медицине, токсикологии, для детектирования токсинов и наркотических веществ, в контроле сельскохозяйственной продукции, при анализе воды и в других задачах», — прокомментировал возможные применения прибора профессор Евгений Николаев, член-корреспондент РАН, директор Проектного центра омиксных технологий и передовой масс-спектрометрии Сколтеха, который отвечал в рамках проекта за разработку масс-анализатора ультравысокого разрешения.