宇宙中充斥着数十亿种可能的化学物质。但是，即使使用一堆高科技仪器，科学家们也只能确定这些化合物的一小部分的化学结构，也许是1%。
美国能源部太平洋西北国家实验室(PNNL)的科学家们正瞄准剩下的99%，创造新的方法来了解更多未知化合物的海洋。可能会有治疗疾病的方法，应对气候变化的新方法，或者潜伏在化学宇宙中的新的化学或生物威胁。
这项工作是被称为m/q或“m/q”的倡议的一部分，即质量除以电荷的简写，这是科学家在质谱领域测量化学性质的一种方法。
“现在，我们可以从土壤中提取样本，根据土壤类型，一茶匙的土壤中可能含有数千种化合物，”m/q倡议的负责人托马斯·梅茨(Thomas Metz)说。“我们不知道它们中的大多数在化学结构方面是什么。我们根本不知道里面有什么。”
科学家通常依靠包含数千个分子信息的参考库来识别物质。研究人员从土壤、尸体或其他地方分类样本，并将他们在实验中测量的数据与图书馆中的数据进行比较。虽然这很有帮助，但它限制了科学家只能从结构上识别以前见过的分子——例如，通过分析从化学供应商那里购买的标准化合物。
在最新的进展中，由科学家亚当·霍尔巴赫(Adam Hollerbach)领导的一个团队将两种高分辨率仪器结合到一个系统中，以前所未有的细节对分子进行测量。研究结果发表在6月12日的《分析化学》杂志上。
现在，科学家们可以在一次实验中对化合物进行几次重要的测量，比以前更快、更方便、更准确地获得重要信息。
Hollerbach的技术适用于离子——带正电荷或负电荷的分子。这使得它们更容易控制，并且可以使用质谱法进行检测。
质谱分析:离子耳语者的工具
就像研究它们的人一样，离子有许多区别于其他离子的特征。对于人来说，体重、发色、体型、形状、眼睛颜色和许多其他特征可以帮助我们区分谁是谁。对于离子，识别特征包括质量、形状、大小、电荷和化学成分。它们不仅可以作为标识符，还可以作为相关分子行为的指南——例如，它们治疗疾病或吸收污染物的潜力的线索。
这种理解应该有助于PNNL许多专注于了解微生物对气候影响的科学家的努力。微生物在将碳等元素转化为对地球很重要的其他形式方面发挥着关键作用。它们对地球变暖或变冷的影响是巨大的。但科学家们还有很多东西要学。
“一克土壤中可能有数百万种微生物，我们不知道它们中的大多数是谁，也不知道它们在做什么。还有很多发现有待发现。”“从挑战科学的角度来看，这要么是最坏的情况，要么是我们最大的机会之一，这取决于你如何看待它。”
m/q科学家们正在抓住这个机会。他们没有把问题局限在传统质谱测量中可以识别的相对较少的化合物中，而是试图超越目前的限制，创造一种全新的方法来识别今天未知的东西。这有点像当一台新的望远镜被部署并显示出几颗不同的恒星时，以前只能看到一个模糊的天体大杂烩。
这项工作是实验性的，在实验室和计算机上对分子进行测试，科学家们在计算机上对他们看到的东西进行建模，并预测他们可能看到的东西。
在分析化学论文中描述的实验中，Hollerbach和他的同事对多肽和脂质进行了灵敏的测量。这些实验结合了两种仪器，它们的名称相似，但提供的离子细节不同。两者都用于质谱分析，这一领域的历史与PNNL科学家的发现交织在一起。
第一种仪器是质谱仪，它可以测量离子的质量、电荷以及离子是如何分解的。在这项研究中，研究小组使用了赛默飞世尔科技公司开发的Orbitrap。这种仪器能很好地分选不同质量的分子，但是相同质量的两个分子很难分离。想象两个人，每人重180磅。一个又高又瘦，另一个又矮又壮。单从规模上看，它们是不可能分开的。
一个苗条的方法:离子迁移率光谱法带来了可观的结果
第二种仪器被称为SLIM:用于无损离子操作的结构。SLIM是由PNNL的科学家Richard D. Smith和他的同事发明的，它是一种离子迁移谱仪，可以测量离子的大小和电荷。
SLIM大约和笔记本电脑一样大，只有四分之一英寸厚，是分子活动的温床。几十条长而蜿蜒的路径把这个小装置变成了一条42英尺长的分子跑道，离子被电场严格控制，在椭圆形的障碍跑道上一圈又一圈地赛跑。
“障碍”是其他已知的分子，如氦分子或氮分子。当被研究的离子在SLIM装置中赛跑时，它们会绕过或穿过其他分子，翻滚和转向，就像一个橄榄球后卫穿过或绕过对立的阻碍物一样。术语“离子迁移谱法”真正捕捉到了这一过程。
通过记录离子完成这一过程所花费的时间——它们如何巧妙地穿过阻塞的离子——科学家们了解到关于离子形状和大小的各种信息。这些信息是标准质谱仪无法提供的，它与离子的质量、电荷和碎片模式等数据结合在一起。总的来说，这些数据产生了离子的碰撞横截面，它的分子式和它的破碎模式，这些属性是理解分子结构的核心。
“两个不同的分子可以具有相同数量的原子，相同的质量和电荷，但它们可能具有非常不同的结构和活性。这就是SLIM的作用，”Hollerbach说。“一个小小的变化就可能意味着一个分子是否预示着一种疾病。”
Hollerbach实验的关键是让两种不同的乐器很好地一起演奏。虽然标准质谱法和离子迁移率谱法分析离子，但它们在不同的时间尺度上工作。离子通过SLIM到达Orbitrap的速度比它们被处理的速度要快。
因此，Hollerbach利用了一种古老的技术，部署了“双门控离子注入”。他增加了闸门来控制离子进入系统并控制它们到达轨道rap，选择将一些来自SLIM的离子送入遗忘，以保持流动在一个可控的速度。
“真的，我们问的问题很简单，”Hollerbach说。“这是什么?有多少钱?”但我们使用的技术很复杂。”
其他m/q科学家正在研究其他方法来识别或利用未知分子。一些人正在创造方法，利用Hollerbach实验中的数据来自动预测离子的结构，这样制药商和其他科学家就能确切地知道他们在研究什么。其他人则在寻找芬太尼等化合物的数百万种可能形式，从有一天可能出现在街上的东西中挑选出不太可能出现的东西。然后，他们预测了这些化合物在质谱仪中的表现——创造了一种方法来识别它们是否出现以及何时出现。
