Иллюстрация: R. X. Schüssler, et al. / Nature. Физики предложили абсолютно новый способ обнаружения эффекта изменения массы отдельных атомов во время квантового скачка электрона с помощью высокоточного масс-спектрометра. Предложенная новая методика позволила отследить высокозаряженный ион рения и обнаружить его новое метастабильное состояние, которое можно использовать в точных атомных часах. Результаты данной работы опубликованы  в известном журнале Nature. В 1905 году Альберт Эйнштейн показал, что любая энергия может быть ассоциирована с некоторой массой: E=mc². Этот факт дает возможность измерять энергию систем путем измерения их массы: например, теоретически можно вычислить заряд телефона или механических часов с помощью относительных высокоточных весов. В современной физике в качестве таких весов выступают масс-спектрометры: они способны детектировать изменения в массе группы заряженных атомов, ионов. Однако, изменения в массе одного иона зафиксировать крайне трудно и до сих пор этого не удавалось сделать.

Масс-спектрометр PENTATRAP. MPI for Nuclear Physics

Международная группа физиков при участии ученых из России увидела изменения массы по-разному заряженных ионов рения с помощью масс-спектрометра PENTATRAP, который был построен в университете Макса Планка в Гейдельберге, Германия. Это устройство позволяет детектировать изменения в массе иона с точностью 10^-11 — на порядок лучше предыдущих масс-спектрометров.

Устройство состоит из 5 ловушек Пеннинга, основанных на электромагнитном удержании заряженных частиц, таких как ионы. В эксперименте два по разному заряженных иона рения помещались в ловушки, а затем раскручивались с помощью поля; в результате измерялась циклотронная частота. Более заряженный ион, в силу того, что он более тяжелый, крутился медленнее, что и удалось задетектировать с помощью PENTATRAP.

Результаты измерений разных ионов рения. Разница между красными и синими точками указывает на разницу масс, а значит и зарядов, ионов. R. X. Schüssler, et al. / Nature

Разработанный метод позволяет изучать атомные переходы в реальном времени. Изучая различные состояния иона физики обнаружили новое долгоживущее квантовое состояние, его время распада составляет около 130 дней. Так же физики провели численные симуляции, которые подтвердили существование и время жизни обнаруженного метастабильного состояния. Такие долгоживущие состояния могут быть использованы в атомных часах, которые необходимы как в исследования фундаментальной физики так и в приложениях, таких как быстрая коммуникация.

Электронные уровни в ионе рения. R. X. Schüssler, et al. / Nature

В 2018 году мы писали о том, что точность атомных часов была увеличена на столько, что ошибка в 1 секунду накапливается за несколько сотен миллиардов лет использования. Такие часы даже доказали свою долгосрочную работу в космосе.

Масс-спектрометрия: что это, принцип работы, применение

Масс-спектрометрия — один из точнейших методов идентификации веществ. Фактически это своеобразное «взвешивание» молекул: компоненты ионизируются, затем определяется отношение массы к заряду ионов.

Масс-спектрометрия появилась в 1912 году, когда английский физик сэр Джозеф Джон Томпсон создал первый в истории масс-спектрограф, с помощью которого получил молекулы угарного газа, кислорода, азота, фосгена и углекислого газа. Опыты Томпсон проводил с начала XX века.

Масс-спектром называется зависимость количества вещества от природы вещества — то есть, соотношение интенсивности ионного тока и отношения массы к заряду. Масс-спектр дискретен, потому что масса любой молекулы — это сумма масс всех её атомов. На масс-спектр при анализе могут влиять особенность ионизации, сама природа вещества и некоторые вторичные процессы: например, неупругое рассеивание и метастабильные ионы.

При ионизации маленькие молекулы, как правило, получают один отрицательный и один положительный заряд. Чем молекула крупнее — это относится к полимерам, нуклеиновым кислотам и белкам, — тем выше вероятность получить многозарядный ион. Иногда после погружения в масс-спектрометр молекула даже распадается характерным образом, что позволяет провести идентификацию.

Масс-спектрометры очень востребованы в органической химии, потому что с их помощью можно проанализировать как простые, так и сложные вещества. Собственно, требование к веществу одно: оно должно ионизироваться. Причём с 1912 года способов ионизации вещества появилось столько, что масс-спектрометрия стала по-настоящему универсальным методом.

Упрощённый принцип работы масс-спектрографа

Условно можно сказать, что масс-спектрограф работает в 3 этапа: ионизирует молекулы, сортирует полученные ионы и пропускает их через детектор заряженных частиц.

1. Ионизация молекул. Во время ионизации заряженные ионы превращаются в нейтральные атомы и молекулы. Осуществляется этот процесс по-разному — всё зависит от типа вещества: является оно органическим или неорганическим.Проще всего ионизировать вещества в газовой фазе, однако далеко не все — особенно органические — можно перевести в газовую форму без разложения. Поэтому живые вещества (например, ДНК) ионизируют при атмосферном давлении особыми способами.
2. Сортировка ионов. После ионизации заряженные частицы переносятся в масс-анализатор, где происходит сортировка ионов по соотношению массы и заряда. Масс-анализаторы бывают непрерывными и импульсными: в первые ионы идут сплошным потоком, во вторые подаются порционно. В некоторых моделях масс-спектрометров предусмотрены два анализатора — так называемый «тандемный» вариант.
3. Детектор заряженных частиц. В качестве детекторов используются динодные вторично-электронные умножители либо фотоумножители, раньше детекция осуществлялась через фотопластинку. В целом, разновидностей детекторов довольно много: помимо перечисленных, существуют также коллекторы Фарадея, микроканальные умножители и т. д.

Применение масс-спектрометрии

Масс-спектрометрия используется практически во всех сферах человеческой деятельности:

• фармацевтика: создание новых лекарств, контроль их производства, биохимия, генная инженерия, анализ токсичных препаратов и контроль за распространением наркотических и психотропных веществ;
• медицина: диагностика инфекций, определение наличия в крови спортсменов допинга;
• безопасность страны: поиск террористов через определение происхождения взрывчатого вещества, борьба с наркотрафиком, защита экономической безопасности страны через проверку товара на границе;
• нефтегазовая промышленность: поиск новых нефтяных полей, оптимизация процессов добычи, поиск виновных в экологических катастрофах;
• ядерная энергетика: определение степени обогащения материалов, а также их чистоты.

И это — далеко не всё. Невозможно назвать хоть одну область хозяйственной, прикладной или научной деятельности человека, где не использовалась бы масс-спектрометрия и масс-спектрографы различных видов.

Автор: Михаил Перельштейн
Источник: https://nplus1.ru/