宇宙中可能存在數(shù)十億種化學(xué)物質(zhì)。盡管研究人員掌握了大量先進(jìn)技術(shù)，但他們只確定了這些化合物中極小一部分的分子構(gòu)成，可能只有 1%。美國(guó)能源部西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）的科學(xué)家們正在瞄準(zhǔn)另外 99% 的化合物，創(chuàng)造新的方法來(lái)了解更多未知化合物?；瘜W(xué)宇宙中可能潛藏著疾病的治療方法、應(yīng)對(duì)氣候變化的新方法或新的化學(xué)或生物威脅。

這項(xiàng)工作是一項(xiàng)名為"m/q"或"m over q"的計(jì)劃的一部分--"m over q"是質(zhì)量除以電荷的縮寫(xiě)，表示科學(xué)家在質(zhì)譜世界中測(cè)量化學(xué)性質(zhì)的方法之一。

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m/q 計(jì)劃負(fù)責(zé)人托馬斯-梅茲說(shuō)："現(xiàn)在，我們可以從土壤中提取樣本，根據(jù)土壤類型的不同，一茶匙的樣本中可能含有數(shù)千種化合物。我們不知道其中大多數(shù)化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。我們根本不知道里面有什么"。

科學(xué)家通常依靠包含數(shù)千種分子信息的參考文獻(xiàn)庫(kù)來(lái)識(shí)別物質(zhì)。研究人員將土壤、人體或其他地方的樣本進(jìn)行分類，然后將他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果與資料庫(kù)中的結(jié)果進(jìn)行比較。雖然這很有幫助，但卻限制了科學(xué)家們只能對(duì)以前見(jiàn)過(guò)的分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定--例如，通過(guò)分析從化學(xué)品供應(yīng)商處購(gòu)買的標(biāo)準(zhǔn)化合物。

亞當(dāng)-霍勒巴赫（Adam Hollerbach）與西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室制造的 SLIM 設(shè)備。資料來(lái)源：Andrea Starr | 太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

m/q 的科學(xué)家們正在瞄準(zhǔn)尚未被識(shí)別的另外 99%。科學(xué)家亞當(dāng)-霍勒巴赫（Adam Hollerbach）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組取得了最新進(jìn)展，他們將兩臺(tái)高分辨率儀器合二為一，對(duì)分子進(jìn)行了前所未有的詳細(xì)測(cè)定。相關(guān)成果于 6 月 12 日在線發(fā)表在《分析化學(xué)》（Analytical Chemistry）雜志上。

現(xiàn)在，科學(xué)家們可以在一次實(shí)驗(yàn)中對(duì)化合物進(jìn)行多項(xiàng)重要測(cè)量，比以前更快、更方便、更準(zhǔn)確地獲得重要信息。

霍勒巴赫的技術(shù)適用于離子--帶有正電荷或負(fù)電荷的分子。這使得它們更容易控制，并有可能使用質(zhì)譜法進(jìn)行檢測(cè)。

與研究離子的人一樣，離子也有許多不同的特征。對(duì)于人來(lái)說(shuō)，體重、發(fā)色、大小、形狀、眼睛顏色以及許多其他特征都能幫助我們分辨出誰(shuí)是誰(shuí)。離子的識(shí)別特征包括質(zhì)量、形狀、大小、電荷和化學(xué)成分。這些不僅是識(shí)別特征，也是相關(guān)分子行為的指南--例如，它們治療疾病或吸附污染物的潛力。

這種理解應(yīng)該有助于 PNNL 數(shù)十名科學(xué)家的工作，他們專注于理解微生物對(duì)氣候的影響。微生物在將碳等元素轉(zhuǎn)化為對(duì)地球非常重要的其他形式的過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它們對(duì)地球變暖或變冷的影響是巨大的。但科學(xué)家們還有很多東西要學(xué)。

"一克土壤中可能有數(shù)百萬(wàn)種微生物，我們不知道它們中的大多數(shù)是誰(shuí)，也不知道它們?cè)谧鍪裁?。我們還有很多發(fā)現(xiàn)要做，"梅茲說(shuō)。"從挑戰(zhàn)科學(xué)的角度來(lái)看，這要么是最壞的情況，要么是我們最大的機(jī)遇之一，這取決于你如何看待它。"

m/q 科學(xué)家們正在抓住這個(gè)機(jī)會(huì)。他們不是在傳統(tǒng)質(zhì)譜測(cè)量所能識(shí)別的相對(duì)較少的化合物范圍內(nèi)提出問(wèn)題，而是試圖跨越目前的限制，創(chuàng)造一種全新的方法來(lái)識(shí)別當(dāng)今未知的物質(zhì)。這有點(diǎn)像新望遠(yuǎn)鏡投入使用后，能看到幾顆截然不同的恒星，而以前只能看到一個(gè)模糊的天體大雜燴。

這項(xiàng)工作既是實(shí)驗(yàn)性的，即在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)分子進(jìn)行測(cè)試，也是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的，科學(xué)家們?cè)谟?jì)算機(jī)上對(duì)他們所看到的東西進(jìn)行建模，并預(yù)測(cè)他們可能會(huì)看到的東西。

在《分析化學(xué)》論文中描述的實(shí)驗(yàn)中，霍勒巴赫及其同事對(duì)肽和脂質(zhì)進(jìn)行了靈敏的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)合了兩種名稱相似但提供離子不同細(xì)節(jié)的儀器。這兩種儀器都用于質(zhì)譜分析，而質(zhì)譜分析的歷史與 PNNL 科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)交織在一起。

第一種儀器是質(zhì)譜儀，用于測(cè)量離子的質(zhì)量、電荷以及離子的分解方式。在這項(xiàng)研究中，研究小組使用了 Thermo-Fisher Scientific 公司開(kāi)發(fā)的 Orbitrap 質(zhì)譜儀。這種儀器能很好地分揀不同質(zhì)量的分子，但兩個(gè)相同質(zhì)量的分子卻很難分離。想想兩個(gè)人，一個(gè)又高又瘦，另一個(gè)又矮又胖，每個(gè)人都重達(dá) 180 磅。單從體重秤上看，他們是不可能分開(kāi)的。

SLIM方法：離子遷移率光譜儀帶來(lái)厚重的結(jié)果

第二臺(tái)儀器被稱為 SLIM：無(wú)損離子操作結(jié)構(gòu)。由 PNNL 科學(xué)家 Richard D. Smith 及其同事創(chuàng)建的 SLIM 是一種離子遷移率光譜儀，可測(cè)量離子的大小和電荷。

SLIM只有筆記本電腦大小，厚度僅為四分之一英寸，是一個(gè)分子活動(dòng)的溫室。數(shù)十條蜿蜒曲折的長(zhǎng)路把這個(gè)小裝置變成了一個(gè) 42 英尺長(zhǎng)的分子賽道，電場(chǎng)嚴(yán)格控制的離子在橢圓形障礙賽道上飛馳。

這些"障礙"是其他已知的分子，如氦或氮分子。當(dāng)被研究的離子在 SLIM 設(shè)備中飛馳時(shí)，它們會(huì)繞過(guò)或穿過(guò)其他分子，翻滾和轉(zhuǎn)彎，就像橄欖球后衛(wèi)在對(duì)方阻擋者面前跑來(lái)跑去一樣。離子遷移譜"這一術(shù)語(yǔ)真正捕捉到了這一動(dòng)作。

通過(guò)記錄離子完成整個(gè)過(guò)程所需的時(shí)間--它們是如何巧妙地繞過(guò)阻擋的離子--科學(xué)家們可以借此了解到有關(guān)離子形狀和大小的各種信息。這些信息是標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜儀無(wú)法提供的，它們與離子的質(zhì)量、電荷和碎片模式等數(shù)據(jù)結(jié)合在一起。這些數(shù)據(jù)可以得出離子的碰撞截面、分子式和碎裂模式，這些屬性對(duì)于了解分子結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

"兩個(gè)不同的分子可能具有相同的原子數(shù)、相同的質(zhì)量和電荷，但它們的結(jié)構(gòu)和活性可能截然不同。這就是 SLIM 的作用所在。"只要一個(gè)微小的變化，就可能意味著一個(gè)分子是疾病的征兆，而另一個(gè)則不是。

霍勒巴赫實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于讓兩種不同的儀器完美配合。雖然標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜儀和離子遷移譜儀都分析離子，但它們的工作時(shí)間尺度不同。離子通過(guò) SLIM 到達(dá) Orbitrap 的速度比處理速度更快。

因此，霍勒巴赫借鑒了一種古老的技術(shù)，采用了"雙門控離子注入"技術(shù)。他增加了一些門來(lái)控制離子進(jìn)入系統(tǒng)和到達(dá)軌道阱的速度，選擇將一些離子從SLIM送出，使其消失，從而使離子流保持在一個(gè)可控的速度。

霍勒巴赫說(shuō)："實(shí)際上，我們提出的問(wèn)題非常簡(jiǎn)單。這是什么，有多少？但我們使用的技術(shù)卻很復(fù)雜。"

其他 m/q 科學(xué)家正在研究識(shí)別或利用未知分子的其他方法。有些科學(xué)家正在創(chuàng)造方法，利用霍勒巴赫實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)自動(dòng)預(yù)測(cè)離子的結(jié)構(gòu)，這樣制藥商和其他科學(xué)家就能清楚地知道他們正在研究的是什么。還有一些科學(xué)家正在研究芬太尼等化合物的數(shù)百萬(wàn)種可能形式，從某天可能出現(xiàn)在大街上的化合物中篩選出不可能出現(xiàn)的化合物。然后，他們預(yù)測(cè)這些化合物在質(zhì)譜儀中的表現(xiàn)--如果它們真的出現(xiàn)在質(zhì)譜儀中，就有辦法識(shí)別它們。

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