新的质谱组合为开发自然界未知的化学宇宙提供了希望

宇宙中充满了数十亿种可能的化学物质。但即使使用了大量高科技仪器，科学家们也只能确定其中一小部分(也许是1%)的化学结构。

美国能源部西北太平洋国家实验室(PNNL)的科学家们正在瞄准另外99%的化合物，创造新的方法来更多地了解大量未知化合物。可能有治愈疾病的方法、应对气候变化的新方法，或者潜伏在化学宇宙中的新的化学或生物威胁。

这项工作是m/q计划的一部分，即“moverq”——质量除以电荷的简写，它代表了科学家在质谱领域测量化学性质的方法之一。

m/q计划负责人托马斯·梅茨(ThomasMetz)表示：“现在，我们可以从土壤中取样，根据土壤类型，一茶匙中可能含有数千种化合物。”“而且我们不知道其中大多数的化学结构。我们根本不知道里面有什么。”

科学家通常依靠包含数千个分子信息的参考库来识别物质。研究人员对土壤、身体或其他地方的样本进行分类，并将实验测量的数据与图书馆中的数据进行比较。虽然这很有帮助，但它限制了科学家只能从结构上识别以前见过的分子，例如，通过分析从化学品供应商购买的标准化合物。

在最新的开发中，由科学家AdamHollerbach领导的团队将两台高分辨率仪器组合成一个系统，以前所未有的细节来测量分子大小。研究结果发表在6月12日《分析化学》杂志上。

现在，科学家可以在一项实验中对化合物进行多项重要测量，从而比以前更快、更方便、更准确地获取重要信息。

霍勒巴赫的技术适用于离子——带有正电荷或负电荷的分子。这使得它们更容易控制并且可以使用质谱法进行检测。

质谱分析：离子耳语者的工具

与研究离子的人一样，离子也有许多区别于另一种离子的特征。对于人来说，体重、头发颜色、大小、形状、眼睛颜色和许多其他特征可以帮助我们了解谁是谁。对于离子，识别特征包括质量、形状、尺寸、电荷和化学成分。它们不仅可以作为标识符，还可以作为相关分子行为的指南——例如，它们治愈疾病或吸收污染物的潜力的线索。

这种理解应该有助于PNNL的数十名科学家的努力，他们专注于了解微生物对气候的影响。微生物在将碳等元素转化为对地球重要的其他形式方面发挥着关键作用。它们对地球变暖或变冷的影响是巨大的。但科学家们还有很多东西需要学习。

“一克土壤中可能有数百万个微生物，我们不知道其中大多数是谁，也不知道它们做什么。还有很多发现有待发生，”梅茨说。“从挑战科学的角度来看，这要么是最坏的情况，要么是我们最好的机会之一，取决于你如何看待它。”

m/q科学家正在抓住这个机会。他们没有将问题局限于传统质谱测量中可以识别的相对少量的化合物，而是试图跨越当前的限制，创造一种全新的方法来识别当今未知的物质。这有点像当一架新的望远镜被部署并显示出几颗不同的恒星时，以前只能看到一个模糊的天体大杂烩。

这项工作既是实验性的，也让分子在实验室和计算机上进行测试，科学家们在计算机上模拟他们所看到的东西并预测他们可能会看到的东西。

在《分析化学》论文中描述的实验中，Hollerbach及其同事对肽和脂质进行了灵敏的测量。实验结合了两种名称相似但提供不同离子细节的仪器。两者都用于质谱分析，这一领域的历史与PNNL科学家的发现交织在一起。

第一个仪器是质谱仪，它测量离子的质量、电荷以及离子如何分解。在这项研究中，该团队使用了Thermo-FisherScientific开发的Orbitrap。这些仪器可以很好地对不同质量的分子进行分类，但具有相同质量的两个分子却很难分离。想象两个人，每人重180磅——一个又高又瘦，另一个又矮又壮。仅从规模上看，它们是不可能分开的。

SLIM方法：离子淌度谱测定带来重要结果

第二种仪器称为SLIM：用于无损离子操作的结构。SLIM由PNNL科学家RichardD.Smith及其同事创建，是一种离子迁移谱仪，用于测量离子的大小和电荷。

SLIM的大小与笔记本电脑相当，厚度仅为四分之一英寸，是分子活动的温室。数十条长而蜿蜒的路径将这个小型装置变成了一个42英尺长的分子跑道，由电场严格控制的离子在椭圆形障碍跑道上一圈又一圈地奔跑。

“障碍”是其他已知的分子，例如氦或氮分子。当所研究的离子通过SLIM装置时，它们会绕过或穿过其他分子，翻滚和转向，就像橄榄球跑卫穿过或绕过对方的阻挡者一样。术语“离子淌度光谱测定法”真正体现了这一作用。

通过记录离子完成整个过程所需的时间(它们如何巧妙地导航阻挡离子)，科学家们可以了解有关离子形状和大小的各种信息。这些信息(标准质谱仪器无法提供)与有关离子质量、电荷和碎片模式的数据相结合。总而言之，这些数据产生了离子的碰撞截面、分子式及其碎片模式，这些特性对于理解分子结构至关重要。

“两个不同的分子可以具有相同数量的原子、相同的质量和电荷，但它们可能具有非常不同的结构和活性。这就是SLIM发挥作用的地方，”Hollerbach说。“仅仅一个微小的变化就可能意味着指示疾病的分子和不指示疾病的分子之间的差异。”

霍勒巴赫实验的关键是让两种不同的乐器能够很好地一起演奏。虽然标准质谱法和离子迁移谱法都分析离子，但它们在不同的时间尺度上工作。离子穿过SLIM并到达Orbitrap的速度比其处理速度要快。

因此，霍勒巴赫借鉴了一种旧技术，部署了“双门离子注入”。他添加了门来控制离子进入系统并控制它们到达Orbitrap，选择将SLIM中的一些离子发送到遗忘中，以将流量保持在可控的速率。

“实际上，我们提出的问题非常简单，”霍勒巴赫说。“这是什么，有多少?但我们使用的技术很复杂。”

其他m/q科学家正在研究识别或利用未知分子的其他方法。有些人正在创造方法，利用霍勒巴赫实验中的数据自动预测离子的结构，这样制药商和其他科学家就能准确地知道他们正在研究什么。其他人正在寻找芬太尼等化合物的数百万种可能性，从有一天可能出现在街上的东西中找出不可能的东西。然后，他们预测这些化合物在质谱仪内的表现如何，从而创建一种方法来识别它们是否以及何时出现。