宇宙中可能存在數十億種化學物質。儘管研究人員掌握了大量先進技術，但他們只確定了這些化合物中極小一部分的分子構成，可能只有1%。美國能源部西北太平洋國家實驗室（PNNL）的科學家們正在瞄準另外99% 的化合物，創造新的方法來了解更多未知化合物。化學宇宙中可能潛藏著疾病的治療方法、應對氣候變化的新方法或新的化學或生物威脅。

這項工作是一項名為”m/q”或”m over q”的計劃的一部分–“m over q”是質量除以電荷的縮寫，表示科學家在質譜世界中測量化學性質的方法之一。

m/q 計劃負責人托馬斯-梅茲說：”現在，我們可以從土壤中提取樣本，根據土壤類型的不同，一茶匙的樣本中可能含有數千種化合物。我們不知道其中大多數化合物的化學結構。我們根本不知道裡面有什麼”。

科學家通常依靠包含數千種分子信息的參考文獻庫來識別物質。研究人員將土壤、人體或其他地方的樣本進行分類，然後將他們通過實驗測得的結果與資料庫中的結果進行比較。雖然這很有幫助，但卻限制了科學家們只能對以前見過的分子進行結構鑑定–例如，通過分析從化學品供應商處購買的標準化合物。

亞當-霍勒巴赫（Adam Hollerbach）與西北太平洋國家實驗室製造的SLIM 設備。資料來源：Andrea Starr | 太平洋西北國家實驗室

m/q 的科學家們正在瞄準尚未被識別的另外99%。科學家亞當-霍勒巴赫（Adam Hollerbach）領導的研究小組取得了最新進展，他們將兩台高分辨率儀器合二為一，對分子進行了前所未有的詳細測定。相關成果於6 月12 日在線發表在《分析化學》（Analytical Chemistry）雜誌上。

現在，科學家們可以在一次實驗中對化合物進行多項重要測量，比以前更快、更方便、更準確地獲得重要信息。

霍勒巴赫的技術適用於離子–帶有正電荷或負電荷的分子。這使得它們更容易控制，並有可能使用質譜法進行檢測。

與研究離子的人一樣，離子也有許多不同的特徵。對於人來說，體重、髮色、大小、形狀、眼睛顏色以及許多其他特徵都能幫助我們分辨出誰是誰。離子的識別特徵包括質量、形狀、大小、電荷和化學成分。這些不僅是識別特徵，也是相關分子行為的指南–例如，它們治療疾病或吸附污染物的潛力。

這種理解應該有助於PNNL 數十名科學家的工作，他們專注於理解微生物對氣候的影響。微生物在將碳等元素轉化為對地球非常重要的其他形式的過程中發揮著關鍵作用。它們對地球變暖或變冷的影響是巨大的。但科學家們還有很多東西要學。

“一剋土壤中可能有數百萬種微生物，我們不知道它們中的大多數是誰，也不知道它們在做什麼。我們還有很多發現要做，”梅茲說。”從挑戰科學的角度來看，這要么是最壞的情況，要么是我們最大的機遇之一，這取決於你如何看待它。”

m/q 科學家們正在抓住這個機會。他們不是在傳統質譜測量所能識別的相對較少的化合物範圍內提出問題，而是試圖跨越目前的限制，創造一種全新的方法來識別當今未知的物質。這有點像新望遠鏡投入使用後，能看到幾顆截然不同的恆星，而以前只能看到一個模糊的天體大雜燴。

這項工作既是實驗性的，即在實驗室中對分子進行測試，也是在計算機上進行的，科學家們在計算機上對他們所看到的東西進行建模，並預測他們可能會看到的東西。

在《分析化學》論文中描述的實驗中，霍勒巴赫及其同事對肽和脂質進行了靈敏的測量。實驗結合了兩種名稱相似但提供離子不同細節的儀器。這兩種儀器都用於質譜分析，而質譜分析的歷史與PNNL 科學家的發現交織在一起。

第一種儀器是質譜儀，用於測量離子的質量、電荷以及離子的分解方式。在這項研究中，研究小組使用了Thermo-Fisher Scientific 公司開發的Orbitrap 質譜儀。這種儀器能很好地分揀不同質量的分子，但兩個相同質量的分子卻很難分離。想想兩個人，一個又高又瘦，另一個又矮又胖，每個人都重達180 磅。單從體重秤上看，他們是不可能分開的。

SLIM方法：離子遷移率光譜儀帶來厚重的結果

第二台儀器被稱為SLIM：無損離子操作結構。由PNNL 科學家Richard D. Smith 及其同事創建的SLIM 是一種離子遷移率光譜儀，可測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，是一個分子活動的溫室。數十條蜿蜒曲折的長路把這個小裝置變成了一個42 英尺長的分子賽道，電場嚴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。當被研究的離子在SLIM 設備中飛馳時，它們會繞過或穿過其他分子，翻滾和轉彎，就像橄欖球後衛在對方阻擋者面前跑來跑去一樣。離子遷移譜”這一術語真正捕捉到了這一動作。

通過記錄離子完成整個過程所需的時間–它們是如何巧妙地繞過阻擋的離子–科學家們可以藉此了解到有關離子形狀和大小的各種信息。這些信息是標準質譜儀無法提供的，它們與離子的質量、電荷和碎片模式等數據結合在一起。這些數據可以得出離子的碰撞截面、分子式和碎裂模式，這些屬性對於了解分子結構至關重要。

“兩個不同的分子可能具有相同的原子數、相同的質量和電荷，但它們的結構和活性可能截然不同。這就是SLIM 的作用所在。”只要一個微小的變化，就可能意味著一個分子是疾病的徵兆，而另一個則不是。

霍勒巴赫實驗的關鍵在於讓兩種不同的儀器完美配合。雖然標準質譜儀和離子遷移譜儀都分析離子，但它們的工作時間尺度不同。離子通過SLIM 到達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，採用了”雙門控離子注入”技術。他增加了一些門來控制離子進入系統和到達軌道阱的速度，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可控的速度。

霍勒巴赫說：”實際上，我們提出的問題非常簡單。這是什麼，有多少？但我們使用的技術卻很複雜。”

其他m/q 科學家正在研究識別或利用未知分子的其他方法。有些科學家正在創造方法，利用霍勒巴赫實驗的數據自動預測離子的結構，這樣製藥商和其他科學家就能清楚地知道他們正在研究的是什麼。還有一些科學家正在研究芬太尼等化合物的數百萬種可能形式，從某天可能出現在大街上的化合物中篩選出不可能出現的化合物。然後，他們預測這些化合物在質譜儀中的表現–如果它們真的出現在質譜儀中，就有辦法識別它們。