Objeto do mês
Vivemos rodeados de matéria. Mas o que é a matéria?
Em 1897 Joseph John Thomson inventou o espectrómetro de massa para responder a esta pergunta e recebeu o prémio Nobel da Física em 1906 pela descoberta do eletrão, através do espectrómetro de massa que inventou. Francis Aston, através de um espectrómetro de massa melhorado descobriu os isótopos e com isso recebeu o prémio Nobel da Química em 1922.
A espetrometria de massa é a ciência que permite saber a composição elementar das moléculas, determinar a sua estrutura molecular e a composição qualitativa e quantitativa de misturas complexas e proceder à identificação de amostras desconhecidas.
Esta ciência é muitas vezes ilustrada em séries televisivas que retratam a investigação forense, devido à capacidade de fornecer informação molecular a partir de quantidades vestigiais de amostras.
Hoje, é fundamental nos testes de sangue e urina, na deteção e análise quantitativa de substâncias ilícitas e também na deteção de marcadores de cancro e muitas outras doenças. É usada em todas as fases de desenvolvimento de novos medicamentos, no controlo de qualidade, identificação de fármacos e no estudo do metabolismo dos mesmos, e imprescindível em investigação criminal, na identificação de drogas, toxinas, venenos e resíduos explosivos em vestígios forenses.
Na segurança alimentar, possibilita o controlo de qualidade, a deteção de resíduos químicos, pesticidas, de fraudes alimentares e contaminantes. É também usada na monitorização da qualidade da água, do ar e do solo, na deteção de poluentes orgânicos e de metais pesados.
Permite proceder à análise composicional de atmosferas de planetas e luas em missões espaciais, determinar a composição orgânica de meteoritos e asteroides (162173 Ryugu, https://www.science.org/content/blog-post/asteroid-organic-chemistry). É usada na pesquisa de vida extraterrestre através da deteção de moléculas orgânicas e transformações bioquímicas, atividade iniciada com o programa Viking, em Marte no final da década de 70 do séc. XX (https://science.nasa.gov/mission/viking/spacecraft-and-science/).
Hoje também permite a análise de moléculas biológicas como proteínas, ácidos nucleicos e vírus intactos assim como o metabolismo celular.
O objeto deste mês é o espectrómetro de massa, MS-902, da série de espectrómetros de massa MS9, fabricados pela Associated Electrical Industries LTD (AEI), no Reino Unido, na década de 60 do séc. XX.
É um equipamento de duplo setor (eletrostático e magnético) permite dupla focalização, e como tal, foi um dos primeiros instrumentos comerciais de alta resolução e elevada exatidão de massa. Considerado um pilar no séc. XX e dos mais significativos na história da espectrometria de massa, esta série de espectrómetros abriu caminho para os sistemas modernos, que permitem análises mais rápidas, precisas e automáticas (History of Magnetic Sector Mass Spectrometry at MV - AEI - GEC - Kratos - Shimadzu).
Este MS-902 (Mass Spectrometer 902) foi doado pelo Laboratório de Química Analítica da Universidade de Utreque ao Centro de Espectrometria de Massa da Universidade de Lisboa, sediado no Instituto Superior Técnico, no final da década de 70 do séc. XX, tendo sido o primeiro a funcionar em território nacional.
Helena Florêncio, Professora Catedrática de Química Analítica na Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, (Doutorada em Espectrometria de Massa pela Universidade de Utrecht, em 1979, coordenou a Rede Nacional de Espectrometria de Massa criada em 2008 e liderou o grupo de Espectrometria de Massa Ambiental e Biológica do Centro de Química e Bioquímica da FCUL), investigou e lecionou com o MS-902.
Segundo Helena Florêncio, “nestes equipamentos, o analisador eletrostático precede o analisador magnético, o que foi designado por geometria normal ou geometria direta. Este MS-902, para além da ionização eletrónica (EI) usual num MS9, possui também ionização química (CI) e bombardeamento com átomos rápidos (FAB). Neste equipamento era também possível fazer varrimentos ligados, o que permitia obter informação sobre os iões precursores de um dado ião fragmento e assim estabelecer padrões de fragmentação, facilitando a identificação de desconhecidos. Em especial quando no modo EI era um equipamento excelente não só para investigação como para fins de ensino.”
Helena Florêncio descreve ainda a importância que teve o MS-902 no panorama nacional: “Construir um grupo foi um verdadeiro desafio! Primeiro, quando regressei a Portugal em junho de 1979, ingressei no Centro de Espectrometria de Massa, na altura sediado no Complexo I do IST e na Linha de Investigação “Química de Feixes Iónicos ‒ Energética” liderado pela Professora Teresa Robert. Como equipamento funcional havia apenas o MS9 (que viera da Holanda, doado à Professora Teresa Robert pelo Professor Geo Dijkstra, oficialmente o meu orientador de doutoramento), mas que tinha uma consola a necessitar de substituição e só com a fonte de EI (ionização eletrónica).” Como coordenadora do Centro, Helena Florêncio, conseguiu o financiamento necessário para “uma nova consola para o MS9 e uma fonte FAB foi possível começar a publicar em revistas cotadas na área de espectrometria de massa com trabalho de investigação feito exclusivamente em Portugal, com grupos portugueses.” (https://b-quimica.spq.pt/magazines/BSPQuimica/654/article/30001716/pdf)
No princípio do segundo milénio o MS-902 foi transferido para o Laboratório de Espectrometria de Massa da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa.
Foi o primeiro espectrómetro de massa funcional, moderno e de alta performance a funcionar em Portugal. Depois de ter sido utilizado em investigação, no ensino e em teses de doutoramento, este instrumento foi integrado na coleção de instrumentos científicos do MUHNAC em janeiro de 2020.
Dando continuidade à tradição de espetrometria de massa de alta performance, foi estabelecido em Ciências, Ulisboa, no mesmo espaço, o Laboratório de FT-ICR e Espectrometria de Massa Estrutural, liderado pelo Professor Carlos Cordeiro e que passou a integrar a atividade científica da Professora Helena Florêncio e da sua Equipa que, explora problemas biológicos e bioquímicos ao nível molecular através da espetrometria de massa de ressonância ciclotrónica de ião com transformada de Fourier (FT-ICR). É pioneiro em proteómica top-down, espectrometria de massa estrutural e metabológica. Neste domínio procura estabelecer uma relação entre a impressão digital química e a identidade da amostra. Este tipo de espetrómetro de massa, do qual existem cerca de 200 no mundo, permite a identificação e caracterização de compostos químicos em misturas extremamente complexas de origem biológica ou ambiental numa escala de dezenas de milhar, em poucos minutos de análise. O processamento de dados requer o uso de métodos computacionais avançados, baseados em AI e recorre ao Deucalion, o maior supercomputador Nacional (https://deucalion.acnca.pt/pt/).
A Proteómica consiste na análise global e em larga escala dos proteomas, que são o conjunto de proteínas de um organismo, tecido, bio fluído ou célula.
Metabólica é o estudo das pequenas moléculas que constituem os seres vivos da sua organização e do funcionamento das redes das redes biológicas, como as interconexões entre as células, os tecidos e os órgãos do corpo humano e de outros organismos.
Este laboratório é um centro nevrálgico da Rede Europeia de Centros de Espectrometria de Massa FT-ICR (rede EU_FT-ICR_MS) e um dos dois centros do Centro de Investigação Instruct (Instruct-PT). O NÓ nacional da infraestrutura Europeia de Biologia Estrutural Instruct-ERIC (https://instruct-eric.org/).
Professor Carlos Cordeiro junto do FT-ICR-MS Solarix XR fabricado pela Bruker Daltonics, dando continuidade à espetrometria de massa de performance extrema em Portugal. http://ft-icr.rd.ciencias.ulisboa.pt/page5.html
A espectrometria de massa tradicionalmente é considerada uma técnica analítica, porém esta visão tem sido contestada devido á sua evolução e crescente importância. Medir simplesmente a massa de iões em fase gasosa (técnica analítica) originou a revisão da teoria atómica (eletrão e isótopos) e revolucionou a biologia com a emergência da proteómica e metabolómica e levou a conceber experiências para a deteção de vida extraterrestre. Não como base no que sabemos da vida na Terra, mas o que associamos á capacidade de transformação química da vida. Como disse recentemente Graham Cooks "Why do you call mass spectrometry a technique? Its a Science". Aston Labs - Purdue University
A espetrometria de massa pode ser definida como a ciência dos universos moleculares, mudou a visão da matéria, revelando partículas subatómicas, isótopos e a realidade composicional da vida.
MASS SPECTROMETRY MS-902
We are surrounded by matter. But what is matter?
In 1897, Joseph John Thomson invented the mass spectrometer to answer this question and was awarded the Nobel Prize in Physics in 1906 for the discovery of the electron using the mass spectrometer he had invented. Francis Aston, using an improved mass spectrometer, discovered isotopes and was awarded the Nobel Prize in Chemistry in 1922 for this achievement. In 1897, Joseph John Thomson invented the mass spectrometer to answer this question and received the Nobel Prize in Physics in 1906 for the discovery of the electron using the mass spectrometer he invented. Francis Aston, using an improved mass spectrometer, discovered isotopes and was awarded the Nobel Prize in Chemistry in 1922 for this achievement.
Mass spectrometry is the science that allows us to determine the elemental composition of molecules, identify their molecular structure, and determine the qualitative and quantitative composition of complex mixtures, as well as to identify unknown samples.
This field is often featured in TV series depicting forensic investigation, due to its ability to provide molecular information from trace amounts of samples.
Today, it is essential in blood and urine testing, in the detection and quantitative analysis of illicit substances, and also in the detection of markers for cancer and many other diseases. It is used in all phases of new drug development, in quality control, drug identification, and in the study of drug metabolism. It is indispensable in criminal investigations for identifying drugs, toxins, poisons, and explosive residues in forensic evidence.
In food safety, it enables quality control, the detection of chemical residues, pesticides, food fraud, and contaminants. It is also used to monitor water, air, and soil quality, and to detect organic pollutants and heavy metals.
It enables the compositional analysis of the atmospheres of planets and moons during space missions, and the determination of the organic composition of meteorites and asteroids (162173 Ryugu, https://www.science.org/content/blog-post/asteroid-organic-chemistry). It is used in the search for extraterrestrial life through the detection of organic molecules and biochemical processes, an endeavor that began with the Viking program on Mars in the late 1970s (https://science.nasa.gov/mission/viking/spacecraft-and-science/).
Today, it also enables the analysis of biological molecules such as proteins, nucleic acids, and intact viruses, as well as cellular metabolism.
This month’s featured item is the MS-902 mass spectrometer from the MS9 series of mass spectrometers, manufactured by Associated Electrical Industries LTD (AEI) in the United Kingdom in the 1960s.
It is a dual-sector (electrostatic and magnetic) instrument that allows for dual focusing, and as such, it was one of the first commercial instruments with high resolution and high mass accuracy. Considered a cornerstone of the 20th century and one of the most significant in the history of mass spectrometry, this series of spectrometers paved the way for modern systems, which enable faster, more precise, and automated analyses. (History of Magnetic Sector Mass Spectrometry at MV - AEI - GEC - Kratos - Shimadzu)
This MS-902 (Mass Spectrometer 902) was donated by the Analytical Chemistry Laboratory at Utrecht University to the Mass Spectrometry Center at the University of Lisbon in the late 1970s; it was the first of its kind to be operational in Portugal.
Helena Florêncio, Full Professor of Analytical Chemistry at the Faculty of Sciences of the University of Lisbon, (Ph.D. in Mass Spectrometry from Utrecht University in 1979; she coordinated the National Mass Spectrometry Network established in 2008 and led the Environmental and Biological Mass Spectrometry group at the Center for Chemistry and Biochemistry of the Faculty of Sciences of the University of Lisbon), conducted research and taught using the MS-902.
According to Helena Florêncio, “in these instruments, the electrostatic analyzer precedes the magnetic analyzer, a configuration known as normal geometry or direct geometry. This MS-902, in addition to the electron ionization (EI) typically found in an MS-9, also features chemical ionization (CI) and fast atom bombardment (FAB). This instrument also allowed for coupled scans, which made it possible to obtain information about the precursor ions of a given fragment ion and thus establish fragmentation patterns, facilitating the identification of unknowns. Especially in EI mode, it was an excellent instrument not only for research but also for teaching purposes.”
Helena Florêncio also describes the significance of the MS-902 on the national scene: “Building a group was a real challenge! First, when I returned to Portugal in June 1979, I joined the Mass Spectrometry Center, then based at IST Complex I, and the “Ion Beam Chemistry—Energetics” research group led by Professor Teresa Robert. The only functional equipment was the MS9 (which had come from the Netherlands, donated to Professor Teresa Robert by Professor Geo Dijkstra, officially my PhD advisor), but it had a console in need of replacement and only an EI (electron ionization) source.” As the Center’s coordinator, Helena Florêncio secured the necessary funding for “a new console for the MS9 and a FAB source, making it possible to begin publishing in top-tier journals in the field of mass spectrometry with research conducted exclusively in Portugal, with Portuguese groups.”(https://b-quimica.spq.pt/magazines/BSPQuimica/654/article/30001716/pdf)
At the beginning of the second millennium, the MS-902 was transferred to the Mass Spectrometry Laboratory at the Faculty of Sciences of the University of Lisbon.
It was the first functional, modern, high-performance mass spectrometer in operation in Portugal. After being used in research, teaching, and doctoral theses, this instrument was added to MUHNAC’s collection of scientific instruments in January 2020.
Continuing the tradition of high-performance mass spectrometry, the FT-ICR and Structural Mass Spectrometry Laboratory, led by Professor Carlos Cordeiro, which became part of the scientific work of Professor Helena Florêncio and her team, who explore biological and biochemical problems at the molecular level using Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT-ICR). He is a pioneer in top-down proteomics, structural mass spectrometry, and metabolomics. In this field, he seeks to establish a link between a sample’s chemical fingerprint and its identity. This type of mass spectrometer, of which there are about 200 worldwide, enables the identification and characterization of chemical compounds in extremely complex mixtures of biological or environmental origin on a scale of tens of thousands, in just a few minutes of analysis. Data processing requires the use of advanced computational methods based on AI and relies on Deucalion, the largest national supercomputer (https://deucalion.acnca.pt/pt/).
Proteomics involves the comprehensive, large-scale analysis of proteomes, which are the sets of proteins found in an organism, tissue, body fluid, or cell.
Metabolomics is the study of the small molecules that make up living organisms, their organization, and the functioning of biological networks—such as the interconnections between cells, tissues, and organs in the human body and other organisms.
This laboratory is a hub of the European Network of FT-ICR Mass Spectrometry Centers (EU_FT-ICR_MS network) and one of the two centers of the Instruct Research Center (Instruct-PT). It is the national node of the European Structural Biology Infrastructure Instruct-ERIC (https://instruct-eric.org/).
Professor Carlos Cordeiro stands next to the FT-ICR-MS Solarix XR manufactured by Bruker Daltonics, continuing the tradition of high-performance mass spectrometry in Portugal. (http://ft-icr.rd.ciencias.ulisboa.pt/page5.html)
Mass spectrometry is traditionally regarded as an analytical technique, but this view has been challenged due to its evolution and growing importance. Simply measuring the mass of ions in the gas phase (an analytical technique) led to a revision of atomic theory (electrons and isotopes), revolutionized biology with the emergence of proteomics and metabolomics, and inspired the design of experiments for the detection of extraterrestrial life. Not based on what we know about life on Earth, but on what we associate with life’s capacity for chemical transformation. As Graham Cooks recently said, “Why do you call mass spectrometry a technique? It’s a science.”(Aston Labs - Purdue University).
Mass spectrometry can be defined as the science of molecular universes; it has changed our view of matter, revealing subatomic particles, isotopes, and the compositional reality of life.
Texto de | Text by: Carlos Cordeiro, Diretor do FT-ICR e Laboratório de Espectrometria de Massa Estrutural, FCUL | Maria do Carmo Elvas, curadora da coleção de História da Química, MUHNAC | Jorge Prudêncio, núcleo Património e Coleções, MUHNAC
Espectrómetro de Massa de setor magnético MS9 | MS9 magnetic sector Mass Spectrometer
Fabricante I Maker: Electrical Industries LTD (AEI), Reino Unido, década de 60 do séc. XX | Electrical Industries LTD (AEI), UK, in the 1960s
Proveniência I Provenance: Adquirido pela Universidade de Utrecht, doado em 1979 ao Centro de Espectrometria de Massa da Universidade de Lisboa, sediado no Instituto Superior Técnico. Transferido para a Faculdade de Ciências no princípio do séc. XXI, depositado nas coleções do MUHNAC em 2020 | Acquired by the University of Utrecht, donated in 1979 to the Mass Spectrometry Center of University of Lisbon, based at the Instituto Superior Técnico. Transferred to the Faculty of Sciences in the early 21st century, entered the MUHNAC collections in 2020.
Universidade de Lisboa, UL-DEP3644-1
Universidade de Lisboa, UL-DEP3644-1
Fontes de ionização do Espectrómetro de Massa MS9 | Ion sources for the MS9 Mass Spectrometer
Proveniência I Provenance: Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, incorporação nas coleções do MUHNAC em 2023 | Faculty of Sciences of University of Lisbon; added to the MUHNAC collections in 2020.
Universidade de Lisboa, UL-DEP3644-2; UL-DEP3644-3; UL-DEP3644-4; UL-DEP3644-5
Consola do Espectrómetro de Massa MS9 | MS9 Mass Spectrometer Control Panel
Fabricante I Maker: VG ANALYTICAL INC. Ltd., Reino Unido, década de 80 do séc. XX | VG ANALYTICAL INC. Ltd, UK, in the 1980s
Proveniência I Provenance: Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, incorporação nas coleções do MUHNAC em 2020 | Faculty of Sciences of University of Lisbon, added to the MUHNAC collections in 2020.
Universidade de Lisboa, UL-DEP3644-6
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