ИФХЭ РАН

Новости Масс-медиа Мы в СМИ В поисках масс-спектрометра Оrbitrap

В поисках масс-спектрометра Оrbitrap

09 декабря 2021 In В центре событий
Профессор Александр Макаров  Профессор Александр Макаров Фото: Из личного архива Александра Макарова

Как ученый преодолевал препятствия на пути к своей цели.

 

В каждой технологической области бытуют легенды о том, как основатели индустрии придумывали свои первые устройства. Происходило это где-нибудь в гараже, в подвале или на даче, шло без внешних инвестиций и специальных знаний в рамках дружеского «междусобойчика». У авторов возникали безумные гениальные идеи, и сразу следовали попытки их воплотить, невзирая на авторитетные высказывания о том, что «это никогда не будет работать».

Часто выясняется, что все было не совсем так: образование, оборудование, лаборатории и финансирование у героев-первопроходцев все-таки имелись. Сегодня же, когда все, что можно, моделируется численно, и когда привлекаются технологии изобретательского дела, трудно ожидать, что какой-нибудь сделанный «на коленке» прибор неожиданно дорастет до лидера рынка.

Но снова и снова появляются примеры того, как выдающийся прибор был сделан на чистом энтузиазме автора, который верил, что у него все получится, и несмотря на сопротивление людей и материалов реализовывал свою задумку.

Потому что, делая одно и то же, трудно получить какой-то новый результат, а решения, не встраивающиеся в систему, не могут быть через эту систему реализованы.

new 731 2

Премия Александра Макарова

В октябре 2021 года в ИНХС РАН и ИФХЭ РАН проходил X съезд Всероссийского масс-спектрометрического общества. На него приехал профессор Александр Макаров — создатель принципиально нового типа масс-спектрометров на основе орбитальных ловушек Оrbitrap и обладатель всех возможных наград в области масс-спектрометрии: премии Томпсона, медали Мерка, премии Курта Брюнея и т. д.

Совместно с ВМСО профессор Макаров учредил «премию Макарова» для молодых исследователей за лучшую практическую разработку или прибор в области масс-спектрометрии. По словам профессора, эту премию он задумал «как вдохновение для молодых ученых, чтобы они верили, что могут создавать приборостроение здесь, в России, и развивать его до конкурентноспособного уровня».


РАССКАЗЫВАЕТ ПРОФЕССОР МАКАРОВ

Когда в 1989 году я закончил Московский инженерно-физический институт, я выиграл конкурс на лучшую студенческую разработку. Конкурс был объявлен в сентябре; я уже поступил в аспирантуру, но результаты у меня были только по диплому. В дипломной работе я сделал масс-спектрометр с искровым источником ионов. Это был времяпролетный масс-спектрометр, в котором впервые использовалось гипер-логарифмическое поле о котором я узнал из публикаций группы Л.Н. Галль и Ю.К. Голикова (потом такое же поле использовалось в Оrbitrap). Результаты были не очень хорошие: никакого высокого разрешения не было, и мы с трудом отделяли алюминий от натрия.

Тем не менее, для диплома это была сильная работа, и мой научный руководитель Сысоев Александр Алексеевич даже предлагал дипломную работу переделать в диссертацию, но эта идея была отринута.

Я представил доклад на конкурс молодых ученых и аспирантов, и моя работа неожиданно выиграла. Я получил 300 рублей премиальных. При моей Ленинской стипендии в 130 рублей это было очень даже много. Я купил цветы для своей жены, и потом на эти деньги мы смогли поехать кататься на горных лыжах.

В 1989 году мне казалось, что мы идем на новые вершины развития общества и науки. Тогда никто не знал, что нас ждет за углом. Потом все начало «валиться», и с каждым месяцем ситуация ухудшалась. Я хорошо помню, как мы с женой обсуждали, что дальше делать: может быть, надо бросать науку и бежать служить таксистом или в банк. И часто в разговоре всплывала эта премия, как мимолетная синяя птица возможного успеха. И мы решали, что все-таки правильно продолжать научную деятельность и оставаться в высоких технологиях.

Защитился я за месяц до окончания аспирантуры, в начале 1992 года. К этому времени стало ясно, что наука прочно ушла на задний план внимания государства и общества.

После защиты у меня возникла идея: если нет финансирования внутри страны — надо найти финансирование снаружи. Я взял у родителей в долг 220 долларов и на эти деньги отправился в путешествие по Европе.


ЕВРОПЕЙСКОЕ ТУРНЕ УЧЕНОГО-ФИЗИКА

Я долго готовился: написал порядка 45 писем и разослал их в разные страны (в Британию, в Нидерланды, в Германию, в Бельгию). Мне ответили из 15 институтов. Однако европейцы не понимали, что мне нужно — а мне было нужно приглашение для визы. В европейских университетах с этим не очень хотели связываться.

Случайно обнаружившаяся знакомая, которая училась в аспирантуре в Глазго, смогла объяснить это своему профессору. Профессор составил правильное приглашение, которое приняли в посольстве. И я отправился в «европейское турне»: я приезжал в университет, читал лекцию о своей диссертации, за это меня селили на время пребывания в местном отеле и оплачивали билет до следующего города.

Заранее я выяснил, что в районе Манчестера сосредоточено несколько масс-спектрометрических фирм. В университете Селфорда я специально попросил, чтобы на мою лекцию пригласили кого-нибудь из этих фирм. Пришли представители только из одной фирмы, и это тоже определило дальнейшую траекторию.

Я докладывал свой материал — очень скучно, очень технически, как я это теперь понимаю. Вдруг раздался звон: пожарная тревога. Это была учебная тревога, но всем пришлось покинуть помещение.

Ко мне подошли трое из компании, которая называлась Kratos Analytical (подразделение Shimadzu). Они сказали: «Похоже, ты занимаешься инструментарием. Нам на фирме как раз нужны такие люди. У нас есть проблема: новый источник ионов под названием electrospray... Из-за сверхзвуковой струи ионы получают слишком большую энергию, и мы не можем их сфокусировать во времяпролетном масс-спектрометре.» Мне было странно, зачем им это нужно, но я сказал, что подумаю. И еще они сказали: «Если бы ты решил эту задачу, мы были бы очень заинтересованы в сотрудничестве. К сожалению, наш босс сейчас в отъезде, но когда он вернется, вы могли бы поговорить».

Я поехал дальше в путешествие: я проехал Кембридж, Свонси и уже готов был уезжать на континент. В это время вернулся босс из Kratos Analytical, и я ему позвонил. Я сказал, что могу приехать и все рассказать, но кто-то должен оплатить мой билет. Он ответил: «Проблем нет, билет я оплачу, приезжай.»

Я приехал. Оказалось, он только что вернулся из Австралии. Я рассказываю о своей работе и вижу, что он засыпает. Я говорю: «Мне рассказали про вашу проблему с electrospray, и я думаю, у меня есть решение.» Он сразу проснулся: «Что это за решение?». Я ответил: «Я вам его покажу, если Вы на два месяца обеспечите мне зарплату вашего ученого.» Он окончательно проснулся и засмеялся: «Ну, давай.»

Я нарисовал идею, которая потом стала моим первым патентом на Западе. Он посмотрел и сказал: «Да, над ней надо работать. Когда ты готов начать работать?» Я ответил: «Ну... завтра?» Он сказал: «Идет.»

У Kratos Analytical было много проектов, и все это было как раз по теме моей диссертации. Потом выяснилось, что у меня нет разрешения на работу, и я должен возвращаться в Москву.

В это время произошла реструктуризация фирмы, и 70% работников уволили. Но группу, с которой работал я и которая занималась времяпролетными масс-спектрометрами, наоборот, расширяли. При этом нам не дали делать те проекты, которые мы планировали. Нам сказали: «Все новые проекты заморожены, и новым будете заниматься, когда вы улучшите то, что есть».

Тогда мои коллеги решили уйти и организовать свою фирму. Это была HD Technologies (Hoffmann + Davis), в которую я потом перешел и в которой был разработан Orbitrap. Но поскольку у фирмы вначале совсем не было денег (кроме выходного пособия основателей при добровольном увольнении), то они помогли мне устроиться на пару лет пост-доком в университет Ворвика, где я доводил до ума разработку, начатую на Kratos Analytical и переданную затем университету.


ТЯЖЕЛАЯ ЖИЗНЬ МАЛЕНЬКОЙ ФИРМЫ

Итак, я поступил на фирму. В ней было всего четыре человека. Зарплаты моей хватало только на еду для нашей семьи из трех, а потом четырех человек, потому что больших заказов никто такой малой фирме не давал. За три с половиной года фирма три раза была на грани банкротства. Когда деньги подходили к концу, основатели фирмы садились и обсуждали: «Сначала ты продаешь машину, и мы платим Александру зарплату. Потом я продаю машину». Проданной машины должно было хватить, чтобы несколько месяцев оплачивать меня, ведь стабильная зарплата была условием моего разрешения на работу и визы. Но каждый раз они находили партнеров, мы вместе убеждали их в нашей «крутизне», партнеры давали какой-нибудь «контрактик», и мы доживали до следующего...

Директор нашей фирмы тогда сказал: «Как здорово было бы совместить чувствительность времяпролетных приборов с высоким разрешением и точностью масс приборов с преобразованием Фурье и при этом уместить его в малые размеры ионных ловушек! Тогда мы достигнем успеха, даже начав из нашего подвала! По-другому конкурировать с гигантами мы не сможем».

И я стал рассматривать разные сочетания. Я вспомнил то поле, которое было использовано в моей диссертации. И я вышел с предложением, которое заложило основы анализатора Оrbitrap, хотя и со схемой, очень далекой от нынешней. Мы подали заявку на патент.

Условия поддержки бизнеса в Британии были не очень хорошие. Но в 1997 году был объявлен конкурс для разработок малых фирм: 12 призов на 180 участников. Мы выиграли приз — 50 тыс. Для того чтобы сделать прибор, это было совсем немного.

Грант давали на 12 месяцев, и через 12 месяцев мы должны были представить результат. Параллельно у нас велись другие проекты. Мы делали времяпролетный рефлектрон с индуктивно связанной плазмой для GBC Scientific (они до сих пор продают его). Мы делали MALDI-TOF для Agilent Technologies (они его потом положили на полку). Мы делали ортогональный времяпролетник для электроспрейного источника, для источника с метастабильным ударом, для источника с электронным ударом...

В общем, мы делали самые разные проекты: за некоторые из них платили, другие мы делали на собственные средства, как раз для того, чтобы выйти из этой бесконечной гонки, которой является жизнь малой фирмы. Orbitrap был пятым или шестым в очереди, поэтому я мог работать над ним только по субботам, в свободное время.


ТРУДНОСТИ НА ПУТИ К ORBITRAP

Но я работал и во время отпуска на подмосковной даче сделал расчеты, на основе которых наш механический инженер разработал механическую часть. Но у нас не было электроники, так как наш электронный инженер был узким местом для всех проектов. Он был везде нужен, и никогда у него не было времени.

Поэтому я решил, что если я всегда буду его ждать, то никогда не дождусь. И мне пришла в голову мысль все сделать по-другому и все упростить. Так я пришел к идее инжекции в Оrbitrap, которая является главным отличием Оrbitrap от, например, ловушек Кингдона. Постоянный пучок я заменил лазерным пучком. Импульсный пучок лазера легче захватывать, чем постоянный. Когда я все упростил, то смог все собрать сам, без электронного инженера.

Мне нужен был специальный генератор, который обеспечил бы контролируемый рост напряжения с высокой точностью. Но потом я нашел свое решение. Электронику я не знаю, но единственное, что подходило сюда из физики, это RC-цепочка (электрическая цепь, состоящая из конденсатора и резистора. — «Ъ-Наука»). Ее я и сделал. Емкостью был сам Orbitrap — это очень стабильная емкость. Резистор я поставил снаружи. Меняя резистор, я мог надстраивать экспоненциальную форму на центральном электроде. И намного позже оказалось, что даже с теоретической точки зрения это наилучшая форма, которая подходит для наших ионов.

Я не знал, что делать с источником питания, и выбрал самый простой. Оказалось, он шумит и «звенит». Методом тыка мы пытались убрать помехи и довольно быстро сумели его стабилизировать.

У нас не было системы регистрации данных. Поэтому наш электронщик дал мне какой-то чип, который умел делать преобразование Фурье с длиной записи, кажется, 2 килобайта.

В конце концов мне удалось получить сигнал, и мы даже сумели преобразовать его в частотный спектр с помощью этого маленького чипа.

Наш электронщик посмотрел и увидел, что сигнал имеет ширину один канал. Тогда он сверху припаял еще один чип. То есть у меня стало 4 тыс. бинов. Сигнал остался шириной в один канал. Электронщик сказал: «Странно» — и припаял сверху еще один чип. У меня стало 8 или 16 тыс.

Пик по-прежнему остался в один канал шириной.

Тогда он сказал: «Больше я припаивать не могу, потому что стопка очень высокая. Надо что-то делать».

Мы обратились в фирму Lecroy, которая продавала осциллографы. Мы сказали, что хотим протестировать их осциллограф: хорош ли он для наших приложений. Осциллограф стоил около 25 тыс., которых у нас, конечно, не было. Нам дали осциллограф на пару месяцев.

Тогда нас перестали сдерживать ограничения в системе регистрации, и на модуле с преобразованием Фурье я получил разрешение 47 тыс. Просто с ходу. Мы вернули осциллограф со словами: да, хороший, но нам не подходит.

Но результаты у нас уже были. У нас начали налаживаться контакты с ThermoFisher. Оттуда нам дали предусилитель. Не помню, то ли мы купили, то ли наш электронщик сделал систему регистрации, но ко второй половине 1999 года у нас был готов прототип прибора.


ORBITRAP — ГЛАВНАЯ НОВИНКА ГОДА

На конференции Американского масс-спектрометрического общества мы представились огромной фирмой, у которой есть четыре времяпролетных масс-спектрометра и есть Оrbitrap.

Хотя на устном выступлении были одни накладки — у меня стали коробиться слайды и сломался микрофон, но все основные фирмы нами заинтересовались. Orbitrap оказался главной новинкой сезона.

И во время обсуждений за закрытыми дверями каждая фирма назвала две-три причины, почему придуманное нами никогда не будет работать. Waters, например, заявила, что у нас слишком высокий вакуум, и его невозможно достигнуть турбомолекулярными насосами. Я записал. Кто-то сказал, что на концах ловушки у нас искажение поля и из-за этого все будет плохо работать. Я опять записал. SCIEX говорила, что чувствительность низкая, потому что щель маленькая. Я записал, что надо померить ток напрямую.

Я округлил список до 12 пунктов и теперь показываю его на своих лекциях. Все пункты были правильные, и все требовали усилий и работы.

Потом я все их по очереди отработал.

Оказалось, что они преодолимы — правда, для этого пришлось изрядно поработать, ведь практически все, что мы придумали в начале, пришлось поменять. Например, я посмотрел, что нужный вакуум можно достигнуть только ионным насосом. Стали использовать ионный насос — давление действительно опускается до 10 в минус десятой, а потом начинает ползти вверх. Похоже, что напуск газа из других областей отравляет насос. Мы стали спрашивать: можно ли использовать турбомолекулярный? Нам отвечали: «Нет, не получится». Мы взяли и попробовали. Оказалось, что турбомолекулярный насос с конфлатом (вакуумным фланцем) вполне может давать нужное давление, потому что, в отличие от других систем, у Оrbitrap очень маленький объем.

Так постепенно мы оптимизировали все пункты.


НА ОСТРИЕ НОЖА

Orbitrap построен на принципах классической физики, разработанной в XVIII веке. Но когда мы доходим до ответа на вопрос, почему для всех значений объемного заряда мы получаем спектры, которые выглядят одинаково, за этим прячется физика конца ХХ века, где ключевую роль играют процессы самоорганизации, возникает самосогласованная задача, и эффект объемного заряда компенсируется нелинейностью поля. Ни один Оrbitrap не имеет идеального поля. Оно слегка искажено, но в очень контролируемом диапазоне. Чуть больше искажений — Оrbitrap не работает. Чуть меньше — теряется устойчивость к объемному заряду.

Эти вещи приходилось доводить полностью вслепую. Потом десятилетиями мы пытались их объяснить с помощью прецизионного моделирования и т. д.

Дизайн Orbitrap был сделан с помощью специального программного обеспечения, разработанного в Институте общей физики РАН профессором Монастырским и его аспирантом Дмитрием Гринфельдом.


ПЕРЕЕЗД В БРЕМЕН

Возникали и проблемы внутри фирмы.

В январе 2000 года наша маленькая фирма была куплена компанией ThermoFisher Scientific поскольку ей была нужна времяпролетная технология. У нас имелась хорошая разработка для газовой и для жидкостной хромато-масс-спектрометрии: бессеточный ортогональный ускоритель, с хорошей фокусировкой, бессеточное зеркало. Все было сделано на печатных платах.

Нас покупали ради этой технологии.

И, по выражению тех, кто нас покупал, Оrbitrap — это была вишенка на торте. Есть — есть, а нет — ну и ладно. Разрабатывайте, вдруг что-то получится.

Мы работали в Манчестере, а большие фабрики ThermoFisher находились одна в Бремене (Германия), а вторая, главная, — в Сан-Хосе (Калифорния, США).

Когда было принято решение о закрытии нашей фирмы для оптимизации расходов, встал вопрос, куда переводить и этот проект.

В Бремене разрабатывали проект использования ионной ловушки как передней части для масс-анализатора ионно-циклотронного резонанса (FTICR). Замена FTICR на Оrbitrap была логичным шагом.

С точки зрения ThermoFisher наше место было в Сан-Хосе. Но я видел, что бременскому отделению, которое само было под угрозой закрытия, наш проект нужен для выживания. Поэтому в Бремене мы должны были получить намного большую поддержку.

Мы решили, что ориентируемся на Бремен. Наш проект переехал в Бремен и с тех пор там живет.


СИ-ТРЭП

Накопление непрерывных пучков оказалось самой тяжело решаемой проблемой. Трехмерная ловушка для нас не работала — слишком много ионов. Линейная ловушка с аксиальным выводом тоже не работала. Все это пришлось выбросить, после того как потратили годы, и разработать свой собственный вариант — «С-трэп», С-образная линейная ловушка с ортогональной эжекцией пучка.

Накопление непрерывных пучков оказалось самой тяжело решаемой проблемой. Трехмерная ловушка для нас не работала — слишком много ионов. Линейная ловушка с аксиальным выводом тоже не работала. Все это пришлось выбросить, после того как потратили годы, и разработать свой собственный вариант — «С-трэп», С-образная линейная ловушка с ортогональной эжекцией пучка.

Сроки были очень жесткие, поэтому приходилось гнать и постоянно перепрыгивать с одного коня на другой. Аксиальная инжекция не получалась, и становилось ясно, что мы не можем выпустить коммерческий прибор.

Пошли разговоры: технология пройдена до конца, и ее следует закрыть. Но я говорил: «Нет, я веду еще один эксперимент, давайте подождем три месяца». Я сделал «С-трэп», который нас спас. Он не работал как следует, но решал проблемы, которые не решала аксиальная инжекция.

Потом я объявил, что «С-трэп» работает, и теперь мне нужно полгода, чтобы все завершить.

Нам поставили внутренний порог: к июню 2004 года мы или закрываем проект, или делаем коммерческий продукт. К июню 2004 года мы показали параметры, которые всех устроили, и нам дали возможность работать дальше.

За год мы довели прибор до производства, что сейчас было бы невозможно. Теперь в проектировании все стало регламентированно. Нужно заполнять кучу документов, где заранее полностью специфицируется то, чего мы собираемся достичь.

Тогда мы этого не знали: мы срезали очень большое количество углов и нарушили все бизнес-процессы, какие можно.

Теперь работать стало сложнее: гораздо больше команда, гораздо больше политики. И гораздо больше всевозможной документации. Все это сделано из лучших побуждений, но скорость инноваций теряется. С другой стороны, тогда мы не знали, что будем производить такое количество приборов. Несколько десятков в год было пределом наших мечтаний.

У нас была очень маленькая команда. Все люди были новыми, и всем надо было доказать, что они чего-то стоят. Потом все стали ведущими в своих областях: ведущий механический инженер, ведущий электронный инженер, ведущий специалист по управлению прибором.

 


ОRBITRAP ВЫРОС

Я специально сфокусировался на том, чтобы не терять ионы. Чтобы с очень высоким пропусканием переводить ионы в «С-трэп», а из «С-трэпа» в Оrbitrap. Выяснилось, что Оrbitrap на порядок, а то и на два чувствительнее, чем FTICR. И все сказали, что придется повысить цены на Оrbitrap, чтобы он стал ближе к FTICR и чтобы не потерять рынок. Я очень протестовал, потому что Оrbitrap планировали продавать по более низкой цене. Но цену подняли, чтобы защитить рынок, и уже не опустили.

Дальше все заработало как часы. Каждые два года мы должны были удваивать или утраивать какую-нибудь из характеристик. Все время надо было вводить новые технологии. Была постоянная гонка за тем, чтобы увеличивать разрешающую способность, скорость, чувствительность и т. д.

Я был ответственным за этот непрерывный процесс.

ДАЛЬНЕЙШЕЕ РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ ORBITRAP

Как правило, у технологии есть естественный предел, но в масс-спектрометрии до него еще далеко, особенно для задач high-end масс-спектрометрии.

Orbitrap позволил с чувствительностью тройного квадруполя сразу получать панорамные спектры фрагментаций, с высоким разрешением и высокой точностью масс. Из MS/MS-спектров выжимается все. Однако используется только один прекурсор — родительский ион, а остальными мы пренебрегаем. Это следует оптимизировать.

Мы гораздо глубже можем использовать образец. Когда мы научимся использовать его без потерь ионов, мы начнем бороться с объемным зарядом, который ограничивает чувствительность и динамический диапазон.

Из ионного источника выходят десятки наноампер тока, но мы можем использовать не больше наноампера. Эти потери пока нерешаемы, потому что они объективны: ионы расталкивают друг друга и не могут пройти в щели. Это надо будет преодолеть.

Есть другое направление — превратить Оrbitrap в детектор, то есть в черный ящик, который не требует обслуживания, не требует знаний о том, как он работает. Сейчас появляются технологии, которые позволят «сложить» весь Оrbitrap в коробку из-под обуви. Это также позволит и дальше снижать, цену — например, Orbitrap Exploris МХ по цене уже не сильно отличается от одиночных времяпролетников, и это только начало пути!

Пока это только размышления, но я уверен, что это возможно.

Материал подготовлен: Ольга Макарова / пресс-служба ИФХЭ РАН

В других источниках: «Коммерсантъ». Наука 07/12/2021

Читать 326 times

Новостная рассылка

Чтобы быть в центре событий, присоединяйтесь к нашим новостям.

Наши контакты

Вы можете задать интересующий вопрос, удобным для Вас способом.

  • Тел.: +7 495 955 44 87

МЫ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ

Подписывайтесь на нас и следите за жизнью института.

Поиск

Яндекс.Метрика