剥开未知化学物质的面纱：科学家们正在寻找另外99%的化学物质

来源：cnBeta 　2023-08-29 05:48:13

宇宙中可能存在数十亿种化学物质。尽管研究人员掌握了大量先进技术，但他们只确定了这些化合物中极小一部分的分子构成，可能只有 1%。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，创造新的方法来了解更多未知化合物。化学宇宙中可能潜藏着疾病的治疗方法、应对气候变化的新方法或新的化学或生物威胁。

这项工作是一项名为"m/q"或"m over q"的计划的一部分--"m over q"是质量除以电荷的缩写，表示科学家在质谱世界中测量化学性质的方法之一。

【资料图】

m/q 计划负责人托马斯-梅兹说："现在，我们可以从土壤中提取样本，根据土壤类型的不同，一茶匙的样本中可能含有数千种化合物。我们不知道其中大多数化合物的化学结构。我们根本不知道里面有什么"。

科学家通常依靠包含数千种分子信息的参考文献库来识别物质。研究人员将土壤、人体或其他地方的样本进行分类，然后将他们通过实验测得的结果与资料库中的结果进行比较。虽然这很有帮助，但却限制了科学家们只能对以前见过的分子进行结构鉴定--例如，通过分析从化学品供应商处购买的标准化合物。

亚当-霍勒巴赫（Adam Hollerbach）与西北太平洋国家实验室制造的 SLIM 设备。资料来源：Andrea Starr | 太平洋西北国家实验室

m/q 的科学家们正在瞄准尚未被识别的另外 99%。科学家亚当-霍勒巴赫（Adam Hollerbach）领导的研究小组取得了最新进展，他们将两台高分辨率仪器合二为一，对分子进行了前所未有的详细测定。相关成果于 6 月 12 日在线发表在《分析化学》（Analytical Chemistry）杂志上。

现在，科学家们可以在一次实验中对化合物进行多项重要测量，比以前更快、更方便、更准确地获得重要信息。

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，并有可能使用质谱法进行检测。

与研究离子的人一样，离子也有许多不同的特征。对于人来说，体重、发色、大小、形状、眼睛颜色以及许多其他特征都能帮助我们分辨出谁是谁。离子的识别特征包括质量、形状、大小、电荷和化学成分。这些不仅是识别特征，也是相关分子行为的指南--例如，它们治疗疾病或吸附污染物的潜力。

这种理解应该有助于 PNNL 数十名科学家的工作，他们专注于理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非常重要的其他形式的过程中发挥着关键作用。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要学。

"一克土壤中可能有数百万种微生物，我们不知道它们中的大多数是谁，也不知道它们在做什么。我们还有很多发现要做，"梅兹说。"从挑战科学的角度来看，这要么是最坏的情况，要么是我们最大的机遇之一，这取决于你如何看待它。"

m/q 科学家们正在抓住这个机会。他们不是在传统质谱测量所能识别的相对较少的化合物范围内提出问题，而是试图跨越目前的限制，创造一种全新的方法来识别当今未知的物质。这有点像新望远镜投入使用后，能看到几颗截然不同的恒星，而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，即在实验室中对分子进行测试，也是在计算机上进行的，科学家们在计算机上对他们所看到的东西进行建模，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，霍勒巴赫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离子不同细节的仪器。这两种仪器都用于质谱分析，而质谱分析的历史与 PNNL 科学家的发现交织在一起。

第一种仪器是质谱仪，用于测量离子的质量、电荷以及离子的分解方式。在这项研究中，研究小组使用了 Thermo-Fisher Scientific 公司开发的 Orbitrap 质谱仪。这种仪器能很好地分拣不同质量的分子，但两个相同质量的分子却很难分离。想想两个人，一个又高又瘦，另一个又矮又胖，每个人都重达 180 磅。单从体重秤上看，他们是不可能分开的。

SLIM方法：离子迁移率光谱仪带来厚重的结果

第二台仪器被称为 SLIM：无损离子操作结构。由 PNNL 科学家 Richard D. Smith 及其同事创建的 SLIM 是一种离子迁移率光谱仪，可测量离子的大小和电荷。

SLIM只有笔记本电脑大小，厚度仅为四分之一英寸，是一个分子活动的温室。数十条蜿蜒曲折的长路把这个小装置变成了一个 42 英尺长的分子赛道，电场严格控制的离子在椭圆形障碍赛道上飞驰。

这些"障碍"是其他已知的分子，如氦或氮分子。当被研究的离子在 SLIM 设备中飞驰时，它们会绕过或穿过其他分子，翻滚和转弯，就像橄榄球后卫在对方阻挡者面前跑来跑去一样。离子迁移谱"这一术语真正捕捉到了这一动作。

通过记录离子完成整个过程所需的时间--它们是如何巧妙地绕过阻挡的离子--科学家们可以借此了解到有关离子形状和大小的各种信息。这些信息是标准质谱仪无法提供的，它们与离子的质量、电荷和碎片模式等数据结合在一起。这些数据可以得出离子的碰撞截面、分子式和碎裂模式，这些属性对于了解分子结构至关重要。

"两个不同的分子可能具有相同的原子数、相同的质量和电荷，但它们的结构和活性可能截然不同。这就是 SLIM 的作用所在。"只要一个微小的变化，就可能意味着一个分子是疾病的征兆，而另一个则不是。

霍勒巴赫实验的关键在于让两种不同的仪器完美配合。虽然标准质谱仪和离子迁移谱仪都分析离子，但它们的工作时间尺度不同。离子通过 SLIM 到达 Orbitrap 的速度比处理速度更快。

因此，霍勒巴赫借鉴了一种古老的技术，采用了"双门控离子注入"技术。他增加了一些门来控制离子进入系统和到达轨道阱的速度，选择将一些离子从SLIM送出，使其消失，从而使离子流保持在一个可控的速度。

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

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。有些科学家正在创造方法，利用霍勒巴赫实验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清楚地知道他们正在研究的是什么。还有一些科学家正在研究芬太尼等化合物的数百万种可能形式，从某天可能出现在大街上的化合物中筛选出不可能出现的化合物。然后，他们预测这些化合物在质谱仪中的表现--如果它们真的出现在质谱仪中，就有办法识别它们。

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