Lịch sử khối phổ ở Manchester - Tuần lễ khoa học Anh

Phổ khối (MS) từ lâu đã được biết đến như một kỹ thuật phân tích mạnh mẽ để phát hiện, xác định và định lượng các phân tử. Ngày nay, công nghệ này được sử dụng rộng rãi và thường xuyên để bảo vệ nguồn cung cấp thực phẩm và nước, bảo vệ môi trường, chẩn đoán bệnh và thúc đẩy phát triển dược phẩm. Manchester (Anh) có lịch sử liên kết lâu dài với công nghệ và là nơi có công cụ MS thương mại đầu tiên. Để vinh danh tuần lễ Khoa học Anh, Waters đã quay trở lại cội nguồn của mình để khám phá di sản phong phú của MS ở Manchester. Đọc tiếp để khám phá hành trình hấp dẫn đã đưa công nghệ này đến thời hiện đại và những khám phá đáng chú ý đã được thực hiện:

Lý thuyết nguyên tử, đồng vị và Chiến tranh thế giới thứ hai

MS tách các phân tử dựa trên tỷ lệ khối lượng ( m / z ) của chúng, và do đó có thể được cho là có nguồn gốc từ sự      phát triển của lý thuyết nguyên tử. Đó là công trình của John Dalton, cha đẻ của Đại học Victoria ở Manchester, dẫn đến   lý thuyết nguyên tử vào năm 1805, trong đó ông đưa ra giả thuyết rằng các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau có   trọng lượng tương đối khác nhau.

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      John Dalton

   Dựa trên công trình của Dalton, vào năm 1910, Ngài JJ Thomson, người phát hiện ra điện tử vào những năm 1890, sinh ra ở Manchester và cựu sinh viên tiền thân của Đại học Manchester, đã chế tạo nhạc cụ đầu tiên dùng để đo  m / z giá trị của các nguyên tử ion hóa khí tại Đại học Cambridge. Nghiên cứu của ông về khí neon cho thấy sự hiện diện của các đồng vị có khối lượng 20 và 22 theo tỷ lệ phong phú 10: 1. Công trình này đã mở rộng việc sử dụng công nghệ để xác định khối lượng nguyên tử chính xác và phân tích định lượng các đồng vị nguyên tố. Sinh viên của Thomson, Francis William Aston, tiếp tục nghiên cứu và đứng sau sự ra đời của máy quang phổ khối tập trung kép đầu tiên vào năm 1919. Nghiên cứu của Aston đã xác định được các đồng vị của clo, brom và krypton. Cả Thomson (Vật lý) và Aston (Hóa học) đều được trao giải thưởng Nobel cho công trình của họ trong lĩnh vực quang phổ khối mới nổi vào năm 1906 và 1922, tương ứng.

Phổ khối cũng được sử dụng trong Dự án Manhattan như một phương tiện tách các đồng vị urani để sử dụng trong các quả bom nguyên tử đầu tiên, mặc dù cách tiếp cận này không được sử dụng trong sản xuất cuối cùng. Phân tích khối phổ định lượng cũng được sử dụng để đo các chế phẩm có thể tái tạo cho các hydrocacbon tinh chế được sử dụng làm nhiên liệu hàng không                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

Ngài Joesph John Thomson

Phát triển công cụ thương mại đầu tiên

Vào những năm 1940, ứng dụng của MS bắt đầu chuyển từ công việc hàn lâm và sang các lĩnh vực thực tế hơn. Để công nhận điều này, công cụ MS thương mại đầu tiên trên thế giới - MS-1 - được phát triển bởi Metropolitan Vickers, một công ty có trụ sở tại Manchester. Công nghệ sử dụng phương pháp ion hóa điện tử (EI). Như mong đợi, thiết bị có phạm vi khối lượng giới hạn ~ 300 Da và độ phân giải khối lượng thấp hơn nhiều so với các mẫu hiện nay. 

Độ phân giải khối lượng thấp đã trở thành một vấn đề vào đầu những năm 1950. Các mô hình phân mảnh cho các phân tử hữu cơ nhỏ đã bắt đầu được hiểu và có một động lực để phát triển các công cụ lớn hơn và tốt hơn, khối phổ vẫn tập trung vào phân tích các phân tử nhỏ, chủ yếu do số lượng phương pháp tiếp cận hạn chế để đưa các hợp chất vào khí - giai đoạn. Vào cuối những năm 1970, Thợ cắt tóc và các đồng nghiệp tại UMIST (Viện Khoa học và Công nghệ Manchester) đã phát triển Máy bay ném bom nguyên tử nhanh (FAB), một kỹ thuật cho phép ion hóa trực tiếp các phân tử sinh học (peptide và protein) mà không cần phải khử hóa chất. Công nghệ này lần đầu tiên được thương mại hóa bởi hai công ty Manchester: Kratos (Trafford Park) và VG (Altrincham).

Kể từ đó, lĩnh vực này đã bùng nổ. [2, 5]  Công việc biến đổi được thực hiện bởi những người tiên phong MS đầu tiên này tạo tiền đề cho những đổi mới trong tương lai và lĩnh vực này đã tiếp tục phát triển trong những năm qua. Ngày nay, máy quang phổ khối được thiết kế, phát triển và chế tạo tại Manchester đang được sử dụng trên toàn thế giới. [3]

Ngày hiện đại MS ở Manchester

Với lịch sử phong phú của thành phố trong MS, không có gì ngạc nhiên khi thấy Manchester là nơi có nhiều công ty quốc tế chuyên phát triển các thiết bị MS - bao gồm Trụ sở khối phổ khối của Waters Corporation ở Wilmslow. Cơ sở, được mở bởi Thủ tướng George Osborne, đã được thiết kế và trang bị đặc biệt để tăng tốc đổi mới trong lĩnh vực MS.

Những tiến bộ gần đây trong lĩnh vực bắt nguồn từ địa điểm Manchester của Waters bao gồm sự ra đời của các thiết bị đo phổ khối di động ion sóng di động (IMS-MS) . Bằng cách tích hợp MS với phép đo phổ di động ion (IMS) - phân tách các phân tử trên cơ sở kích thước, hình dạng và điện tích - công nghệ được cung cấp thêm một chiều phân giải. Cụ thể, IMS có thể được sử dụng để đo các giá trị mặt cắt va chạm (CCS) duy nhất cho mỗi phân tử trong một mẫu. Vì CCS tương quan với hình dạng mẫu, nó cung cấp một tham số phân tử bổ sung giúp phân biệt giữa các hợp chất đồng phân và đồng phân. Việc kết hợp IMS cũng phục vụ để tăng công suất cực đại và giảm độ phức tạp quang phổ, hoàn toàn đơn giản hóa việc phân tích dữ liệu. 

Gần đây, sự phát triển của thiết bị Cyclic IMS từng giành giải thưởng ở Manchester năm 2019 là một bước đột phá trong lĩnh vực này. Vì độ phân giải tỷ lệ thuận với đường truyền của thiết bị, bằng cách làm cho thiết bị tròn, độ phân giải có thể được tăng lên với mỗi lần vượt qua trong khi duy trì kích thước nhỏ gọn cho thiết bị. Hơn nữa, bằng cách giới thiệu khả năng thực hiện các  thí nghiệm IMS n trong đó các ion quan tâm có thể được lưu trữ và được chọn lọc lại vào thiết bị, các nhà nghiên cứu giờ đây có thể 'phóng to' một cách hiệu quả các phần thú vị của quang phổ. Sự kiểm soát chưa từng có mà ưu đãi này dự kiến ​​sẽ mở ra một kỷ nguyên khám phá mới trong cộng đồng nghiên cứu MS. 

Tương lai của lĩnh vực

Từ việc phát hiện ra các khái niệm cơ bản đằng sau công nghệ đến sản xuất công cụ thương mại đầu tiên, thành phố Manchester đã có ảnh hưởng mạnh mẽ đến các sự kiện đã định hình cảnh quan của MS. Bằng cách cải thiện độ phân giải, giảm độ phức tạp quang phổ và giới thiệu khả năng thực hiện các  thí nghiệm IMS n , những tiến bộ gần đây trong công nghệ IMS-MS được phát triển ở Manchester dự kiến ​​sẽ tạo điều kiện cho một thế hệ khám phá mới. Ngày nay, thành phố vẫn là trung tâm của sự đổi mới trong cộng đồng MS và dự đoán rằng điều này sẽ tiếp tục là trường hợp trong tương lai. 

Nguồn: Waters.com

Ban Truyền thông