Studie erschließt das Potenzial der Massenspektrometrie für Umweltwissenschaften, Landwirtschaft und Industrie

In einer Studie veröffentlicht in Umweltwissenschaften und -technologieSkoltech-Forscher haben eine neuartige Metrik vorgeschlagen und einen Open-Access etabliert Datenbank Ermöglicht den direkten Vergleich komplexer Proben natürlicher organischer Substanz, die mit verschiedenen Massenspektrometriegeräten analysiert wurden.

Daten zu solchen Proben werden seit über zwei Jahrzehnten in Labors auf der ganzen Welt gesammelt, aber bisher konnten sie nicht zuverlässig über ein Forschungszentrum hinaus verglichen werden, was sie für die Vorhersage von Boden- und Wassereigenschaften auf der Grundlage von Massenspektrometrieergebnissen nahezu unbrauchbar machte. Dadurch wurde ein leistungsstarkes Instrument, das der Landwirtschaft, der Wasseraufbereitungsindustrie und der Klimaforschung dienen könnte, praktisch außer Kraft gesetzt.

Natürliche organische Substanz (NOM) ist ein wesentlicher Bestandteil jedes Ökosystems: eines Flusses, eines Meeres oder eines Bodens. Es wirkt sich auf Wasser- und Bodeneigenschaften aus, die sowohl für die Industrie als auch für die Wissenschaft relevant sind, darunter Landwirtschaft, Fischzucht, Trinkwasserversorgung, Kohlenstoffabscheidung, Klimastudien und mehr. Die einzige Technik, die einen Überblick über alle Moleküle in einer NOM-Probe aus der Umwelt oder einer Industrieanlage – beispielsweise einer Fischfarm – liefern kann, ist die hochauflösende Massenspektrometrie. Dabei wird die Verbindungsmischung ionisiert und die Rotationsfrequenz der einzelnen Ionen in einem Magnetfeld gemessen, um sie anhand des Masse-Ladungs-Verhältnisses zu identifizieren.

„Theoretisch sollten Sie in der Lage sein, die Ergebnisse Ihrer Massenanalyse zu nutzen und die gewünschten Eigenschaften der organischen Boden- oder Wasserorganik nachzuschlagen. Sie würden eine Datenbank abfragen und eine einigermaßen ähnliche Probe finden, die in einem Labor anderswo auf der Welt untersucht wurde.“ „Und Sie können davon ausgehen, dass Ihre Probe ähnliche Eigenschaften wie die Referenzprobe aufweist“, sagte der leitende Forscher der Studie, Alexander Zherebker vom Massenspektrometrielabor von Skoltech Bio, das vom Co-Autor der Studie, Professor Evgeny Nikolaev, geleitet wird .

„Aber es gibt zwei Probleme“, fuhr der Forscher fort. „Erstens existiert eine solche Datenbank nicht oder existierte nicht. Zweitens hat eine Studie nach der anderen gezeigt, dass zwei verschiedene Labore aus Gründen, die mit der Probenkomplexität und den Gerätemerkmalen zu tun haben, sehr wahrscheinlich auffallend unterschiedliche Zusammensetzungen für ein und dieselbe Probe melden werden.“ .“

Um dieses Problem anzugehen, schlagen Zherebker und seine Kollegen eine alternative Metrik zur Charakterisierung von NOM-Proben vor, die ihrer Meinung nach resistent gegen Messfehler und die geringfügigen Unterschiede ist, die bekanntermaßen zwischen verschiedenen Massenspektrometrielabors und Hardware bestehen. Das Team hat außerdem eine einzigartige offene Datenbank erstellt und veröffentlicht, in der Daten zu NOM-Proben gesammelt werden, die mithilfe der neuen Metrik charakterisiert werden.

Die neu vorgeschlagene Metrik verzichtet auf den Versuch, die genaue molekulare Zusammensetzung der Probe zu erfassen. Stattdessen spezifizieren die Forscher das NOM-Profil, indem sie die Ausgangsmaterialien und Produkte einer Vielzahl bekannter chemischer Reaktionen in der Umwelt untersuchen.

Sicherlich konnte diese Metrik in manchen Fällen nicht verwendet werden, beispielsweise zur Analyse der einzelnen Nebenprodukte, die bei der Wasserdesinfektion entstehen. „Aber andererseits lassen sich solche Projekte oft problemlos in einem einzigen Labor durchführen, sodass der traditionelle Ansatz ausreicht“, sagte Zherebker. „Auf der anderen Seite haben wir gezeigt, dass unsere Metrik den direkten Vergleich zweier Proben nahezu unabhängig davon ermöglicht, wo und von welcher Gruppe die Daten gesammelt wurden, und so das bisher ungenutzte Potenzial der Massenspektrometrie in diesem Bereich erschließen.“

Derzeit umfasst die von den Autoren der Studie erstellte und online frei verfügbare Prototypendatenbank nur 14 Proben und muss sicherlich erweitert werden. Allerdings liegen bereits mehrere Proben aus verschiedenen Bodentypen und Flüssen aus der ganzen Welt vor, und sogar eine aus einem antarktischen See. Diese sind in dem Sinne repräsentativ, dass sie Produkte sehr unterschiedlicher biogeochemischer Prozesse sind. Die antarktische Probe beispielsweise enthält keine pflanzenbezogenen Bestandteile.

Die Datenbank dient nicht nur als Referenz zur Vorhersage der Eigenschaften einer beliebigen Probe durch Vergleich, sondern könnte auch zur Beurteilung der Messqualität nützlich sein. „Wenn ein Labor die Analyse an einer gut untersuchten Referenzprobe durchführt und unerwartete Ergebnisse erhält, bedeutet dies, dass etwas schief gelaufen ist und einige Korrekturen vorgenommen werden müssen, damit weitere Messungen unbekannter Proben als zuverlässig gelten“, sagte Zherebker.