Orbitrap

Trajektorie jonów w spektrometrze mas Orbitrap

W spektrometrii mas Orbitrap jest analizatorem masy z pułapką jonową , składającym się z zewnętrznej elektrody cylindrycznej i współosiowej wewnętrznej elektrody przypominającej wrzeciono, która wychwytuje jony w ruchu orbitalnym wokół wrzeciona . Prąd obrazu z uwięzionych jonów jest wykrywany i przetwarzany na widmo masowe przy użyciu transformaty Fouriera sygnału częstotliwości.

Historia

Koncepcja elektrostatycznego wychwytywania jonów na orbicie wokół centralnego wrzeciona została opracowana przez Kennetha Hay Kingdona na początku lat dwudziestych XX wieku. Pułapka Kingdona składa się z cienkiego drutu centralnego i zewnętrznej cylindrycznej elektrody. Statyczne przyłożone napięcie powoduje promieniowy potencjał logarytmiczny między elektrodami. W 1981 roku Knight wprowadził zmodyfikowaną elektrodę zewnętrzną, która zawierała osiowy kwadrupol, który ogranicza jony do osi pułapki. Ani konfiguracja Kingdona, ani Knighta nie została zgłoszona do wytwarzania widm masowych. Wynalezienie analizatora Orbitrap i jego dowód na zasadę przez Makarova pod koniec lat 90-tych rozpoczął się ciąg udoskonaleń technologicznych, które zaowocowały komercyjnym wprowadzeniem tego analizatora przez firmę Thermo Fisher Scientific jako część hybrydowego instrumentu LTQ Orbitrap w 2005 roku.

Zasada działania

Przekrój poprzeczny analizatora C-trap i Orbitrap (nie pokazano optyki jonowej i pompowania różnicowego). Pakiet jonów dostaje się do analizatora podczas wzrostu napięcia i tworzy pierścienie, które indukują prąd wykrywany przez wzmacniacz.

Zastawianie sideł

W Orbitrap jony są uwięzione, ponieważ ich elektrostatyczne przyciąganie do elektrody wewnętrznej jest równoważone przez ich bezwładność. W ten sposób jony krążą wokół elektrody wewnętrznej po trajektoriach eliptycznych. Ponadto jony poruszają się tam iz powrotem wzdłuż osi elektrody centralnej, dzięki czemu ich trajektorie w przestrzeni przypominają helisy. Ze względu na właściwości potencjału kwadrologarytmicznego ich ruch osiowy jest harmoniczny , tzn. jest całkowicie niezależny nie tylko od ruchu wokół elektrody wewnętrznej, ale także od wszystkich parametrów początkowych jonów poza ich stosunkiem masy do ładunku m/z . Jego częstotliwość kątowa wynosi: ω = √ k /( m / z ) , gdzie k jest stałą siły potencjału, podobną do stałej sprężyny .

Zastrzyk

Aby wstrzyknąć jony z zewnętrznego źródła jonów, najpierw zmniejsza się pole między elektrodami. Ponieważ pakiety jonów są wstrzykiwane stycznie do pola, pole elektryczne jest zwiększane przez zwiększanie napięcia na elektrodzie wewnętrznej. Jony są ściskane w kierunku elektrody wewnętrznej, aż osiągną pożądaną orbitę wewnątrz pułapki. W tym momencie rampa zostaje zatrzymana, pole staje się statyczne i można rozpocząć wykrywanie. Każdy pakiet zawiera wiele jonów o różnych prędkościach rozmieszczonych w określonej objętości. Jony te poruszają się z różnymi częstotliwościami obrotowymi, ale z tą samą częstotliwością osiową. Oznacza to, że jony o określonym stosunku masy do ładunku rozłożone na pierścienie, które oscylują wzdłuż wewnętrznego wrzeciona.

Weryfikacja zasad działania technologii została przeprowadzona przy użyciu bezpośredniego wtrysku jonów z zewnętrznego laserowego źródła desorpcji i jonizacji. Ta metoda wstrzykiwania działa dobrze ze źródłami pulsacyjnymi, takimi jak MALDI , ale nie może być połączona z ciągłymi źródłami jonów, takimi jak elektrorozpylanie .

Wszystkie komercyjne spektrometry mas Orbitrap wykorzystują zakrzywioną liniową pułapkę do wstrzykiwania jonów ( C-trap ). Dzięki szybkiemu obniżaniu napięć pułapkowych RF i stosowaniu gradientów prądu stałego w pułapce C, jony mogą być łączone w krótkie pakiety, podobne do tych z laserowego źródła jonów. C-trap jest ściśle zintegrowany z analizatorem, optyką wtrysku i pompowaniem różnicowym.

Pobudzenie

W zasadzie spójne oscylacje osiowe pierścieni jonowych można wzbudzić przez przyłożenie przebiegów RF do elektrody zewnętrznej, jak pokazano i odniesienia w nich. Jeśli jednak pakiety jonów zostaną wstrzyknięte z dala od minimum potencjału osiowego (które odpowiada najgrubszej części każdej elektrody), automatycznie inicjuje to ich oscylacje osiowe, eliminując potrzebę dodatkowego wzbudzenia. Co więcej, brak dodatkowego wzbudzenia umożliwia rozpoczęcie procesu wykrywania, gdy tylko elektronika detekcyjna powróci do stanu wyjściowego po rampie napięcia potrzebnej do wstrzyknięcia jonów.

Wykrycie

Wycięcia standardowego (na górze) i wysokiego pola (na dole) analizatora Orbitrap

Oscylacje osiowe pierścieni jonowych są wykrywane przez ich prąd obrazu indukowany na elektrodzie zewnętrznej, która jest podzielona na dwa symetryczne czujniki podłączone do wzmacniacza różnicowego. Przetwarzając dane w sposób podobny do stosowanego w spektrometrii masowej rezonansu cyklotronowego jonów z transformacją Fouriera (FTICR-MS) , pułapkę można wykorzystać jako analizator masy. Podobnie jak w przypadku FTICR-MS, wszystkie jony są wykrywane jednocześnie przez określony czas, a rozdzielczość można poprawić, zwiększając siłę pola lub wydłużając okres detekcji. Orbitrap różni się od FTICR-MS brakiem pola magnetycznego, a zatem ma znacznie wolniejszy spadek zdolności rozdzielczej wraz ze wzrostem m/z.

Warianty

Orbitrap LTQ

Obecnie analizator Orbitrap występuje w dwóch wariantach: standardowa pułapka i kompaktowa pułapka wysokopolowa. W praktycznych pułapkach elektroda zewnętrzna jest utrzymywana na wirtualnej masie , a napięcie 3,5 lub 5 kV jest przykładane tylko do elektrody wewnętrznej. W rezultacie zdolność rozdzielcza przy czasie detekcji m/z 400 i 768 ms może wahać się od 60 000 dla standardowej pułapki przy 3,5 kV do 280 000 dla pułapki o wysokim polu przy 5 kV i przy ulepszonym przetwarzaniu FT. Jak w FTICR -MS zdolność rozdzielcza Orbitrap jest proporcjonalna do liczby oscylacji harmonicznych jonów; w rezultacie zdolność rozdzielcza jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z m/z i proporcjonalna do czasu akwizycji. Na przykład powyższe wartości podwoiłyby się dla m/z 100 i zmniejszyłyby się o połowę dla m/z 1600. Dla najkrótszego stanu przejściowego wynoszącego 96 ms wartości te zostałyby zmniejszone 8-krotnie, podczas gdy zdolność rozdzielcza przekraczająca 1 000 000 została wykazana w 3 -drugie stany przejściowe.

Analizator Orbitrap można podłączyć do liniowej pułapki jonowej (rodzina przyrządów LTQ Orbitrap), kwadrupolowego filtra masowego (rodzina Q Exactive) lub bezpośrednio do źródła jonów (przyrząd Exactive, wszystkie sprzedawane przez firmę Thermo Fisher Scientific ). Ponadto do pułapki C można dołączyć ogniwo zderzeniowe o wyższej energii, z dalszym dodaniem dysocjacji z przeniesieniem elektronów z tyłu. Większość z tych instrumentów ma źródła jonów pod ciśnieniem atmosferycznym przez średniociśnieniowy MALDI można również użyć źródła (MALDI LTQ Orbitrap). Wszystkie te instrumenty zapewniają wysoką dokładność masy (<2–3 ppm z zewnętrznym kalibratorem i <1–2 ppm z wewnętrznym), wysoką rozdzielczość (do 240 000 przy m/z 400), duży zakres dynamiczny i wysoką czułość .

Aplikacje

Spektrometry mas oparte na Orbitrap są wykorzystywane w proteomice , a także w spektrometrii mas w naukach przyrodniczych, takich jak metabolizm , metabolomika , analiza środowiska, żywności i bezpieczeństwa. Większość z nich jest połączona z chromatografii cieczowej , chociaż są one również stosowane z chromatografią gazową , metodami jonizacji wtórnej i jonizacji otoczenia . Zostały również wykorzystane do określenia struktur molekularnych izotopowo podstawionych form molekularnych.

Zobacz też

• Rezonans cyklotronowy jonów z transformacją Fouriera

Linki zewnętrzne

• Strona Orbitrap Uniwersytetu Purdue