В масс-спектрометрии Orbitrap представляет собой масс-анализатор с ионными ловушками , состоящий из внешнего бочкообразного электрода и коаксиального внутреннего шпиндельного электрода, который захватывает ионы, совершающие орбитальное движение вокруг шпинделя. [1] [2] Ток изображения от захваченных ионов обнаруживается и преобразуется в масс-спектр , сначала используя преобразование Фурье временной области гармоники для создания частотного сигнала, который преобразуется в массу.
Концепция электростатического захвата ионов на орбите вокруг центрального шпинделя была разработана Кеннетом Хэем Кингдоном в начале 1920-х годов. [3] Ловушка Кингдона состоит из тонкой центральной проволоки и внешнего цилиндрического электрода. Статическое приложенное напряжение приводит к радиальному логарифмическому потенциалу между электродами. В 1981 году Найт представил модифицированный внешний электрод, который включал аксиальный квадрупольный член, который удерживает ионы на оси ловушки. [4] Ни конфигурации Кингдона, ни конфигурации Найта не давали масс-спектры.
В 1986 году профессор Юрий Константинович Голиков в СССР разработал теорию движения ионов в квадро-логарифмическом потенциале и подал заявки на патенты в СССР на ее использование в анализаторе времени пролета. Голиков, возглавляя группу на радиофизическом факультете Санкт-Петербургского государственного педагогического университета, заложил теоретические основы технологии Orbitrap как один из изобретателей в авторском свидетельстве СССР № 1247973 в 1986 году. [5] Позже Голиков заметил: «На основе моих идей были созданы аналитические приборы с рекордными параметрами, но, к сожалению, не в России, а за рубежом». [6]
Вопреки распространенному мнению, Александр Макаров не является первооткрывателем квадро-логарифмического потенциала, который был известен с 1950-х годов. [7] Размышляя о своем раннем взаимодействии с Голиковым, Александр Макаров вспоминал: «Будучи студентом пятого курса МФТИ, я вошел в одну из многочисленных комнат Политехнического института, где меня встретил Юрий Константинович Голиков. Я держал в руках выдержки (тогда фотокопии были не так доступны) из авторского свидетельства СССР № 1247973, на которое я с тех пор ссылался во всех своих работах по анализатору Orbitrap™». [6] [8]
Усилия Александра Макарова по коммерциализации анализатора Orbitrap в конце 1990-х годов [1] потребовали ряда инноваций, таких как обнаружение тока изображения, [9] C-ловушка для инжекции ионов [10] и другие технологические усовершенствования, которые привели к коммерческому внедрению этого анализатора компанией Thermo Fisher Scientific как части гибридного прибора LTQ Orbitrap в 2005 году. [11] [12]
В Orbitrap ионы удерживаются, потому что их электростатическое притяжение к внутреннему электроду уравновешивается их инерцией. Таким образом, ионы вращаются вокруг внутреннего электрода по эллиптическим траекториям. Кроме того, ионы также движутся вперед и назад вдоль оси центрального электрода, так что их траектории в пространстве напоминают спирали. Благодаря свойствам квадро-логарифмического потенциала [1] их осевое движение является гармоническим , т. е. оно полностью независимо не только от движения вокруг внутреннего электрода, но и от всех начальных параметров ионов, за исключением их отношений массы к заряду m/z . Его угловая частота равна: ω = √ k /( m / z ) , где k — силовая константа потенциала, аналогичная константе пружины .
Для того чтобы инжектировать ионы из внешнего источника ионов, поле между электродами сначала уменьшается. Поскольку ионные пакеты инжектируются по касательной в поле, электрическое поле увеличивается за счет нарастания напряжения на внутреннем электроде. Ионы сжимаются по направлению к внутреннему электроду, пока не достигнут желаемой орбиты внутри ловушки. В этот момент нарастание прекращается, поле становится статичным, и можно начинать детектирование. Каждый пакет содержит множество ионов с разными скоростями, распределенных по определенному объему. Эти ионы движутся с разными частотами вращения, но с одной и той же осевой частотой. Это означает, что ионы с определенным отношением массы к заряду распределяются в кольца, которые колеблются вдоль внутреннего шпинделя.
Проверка принципа действия технологии была проведена с использованием прямого впрыска ионов из внешнего источника ионизации и лазерной десорбции. [1] Этот метод впрыска хорошо работает с импульсными источниками, такими как MALDI, но не может быть сопряжен с непрерывными источниками ионов, такими как электрораспыление .
Все коммерческие масс-спектрометры Orbitrap используют изогнутую линейную ловушку для инжекции ионов ( C-trap ). Быстро снижая захватывающие ВЧ-напряжения и прикладывая градиенты постоянного тока к C-trap, ионы могут группироваться в короткие пакеты, аналогичные тем, что поступают из лазерного источника ионов. C-trap тесно интегрирована с анализатором, инжекционной оптикой и дифференциальной накачкой.
В принципе, когерентные осевые колебания ионных колец могут быть возбуждены путем подачи радиочастотных волн на внешний электрод, как показано в [13] и ссылках в нем. Однако, если ионные пакеты инжектируются вдали от минимума осевого потенциала (который соответствует самой толстой части любого электрода), это автоматически инициирует их осевые колебания, устраняя необходимость в каком-либо дополнительном возбуждении. Более того, отсутствие дополнительного возбуждения позволяет процессу обнаружения начинаться, как только электроника обнаружения восстанавливается после скачка напряжения, необходимого для инжекции ионов.
Осевые колебания ионных колец обнаруживаются их током изображения, индуцированным на внешнем электроде, который разделен на два симметричных датчика, подключенных к дифференциальному усилителю. Обрабатывая данные способом, аналогичным тому, который используется в масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье (FTICR-MS) , ловушку можно использовать в качестве масс-анализатора. Как и в FTICR-MS, все ионы обнаруживаются одновременно в течение некоторого заданного периода времени, и разрешение можно улучшить, увеличив напряженность поля или увеличив период обнаружения. Orbitrap отличается от FTICR-MS отсутствием магнитного поля и, следовательно, имеет значительно более медленное снижение разрешающей способности с увеличением m/z .
В настоящее время анализатор Orbitrap существует в двух вариантах: стандартная ловушка и компактная ловушка с высоким полем. В практических ловушках внешний электрод поддерживается на виртуальном заземлении , а напряжение 3,5 или 5 кВ подается только на внутренний электрод. В результате разрешающая способность при m/z 400 и времени обнаружения 768 мс может варьироваться от 60 000 для стандартной ловушки при 3,5 кВ до 280 000 для ловушки с высоким полем при 5 кВ и с улучшенной обработкой FT. Как и в FTICR -MS, разрешающая способность Orbitrap пропорциональна числу гармонических колебаний ионов; в результате разрешающая способность обратно пропорциональна квадратному корню из m/z и пропорциональна времени сбора данных. Например, приведенные выше значения удвоятся для m/z 100 и уменьшатся вдвое для m/z 1600. Для самого короткого переходного процесса длительностью 96 мс эти значения будут уменьшены в 8 раз, тогда как разрешающая способность свыше 1 000 000 была продемонстрирована в 3-секундных переходных процессах. [14]
Анализатор Orbitrap может быть подключен к линейной ионной ловушке (семейство инструментов LTQ Orbitrap), квадрупольному масс-фильтру (семейство Q Exactive) или напрямую к источнику ионов (прибор Exactive, все продаются Thermo Fisher Scientific ). Кроме того, к C-trap может быть присоединена ячейка столкновений с более высокой энергией, с дальнейшим добавлением диссоциации переноса электронов на ее задней стороне. [15] Большинство этих инструментов имеют источники ионов атмосферного давления, хотя также может использоваться источник MALDI промежуточного давления (MALDI LTQ Orbitrap). Все эти инструменты обеспечивают высокую точность массы (<2–3 ppm с внешним калибратором и <1–2 ppm с внутренним), высокую разрешающую способность (до 240 000 при m/z 400), большой динамический диапазон и высокую чувствительность. [11] [12]
Масс-спектрометры на основе орбитальной ловушки используются в протеомике [13] [16] , а также в масс-спектрометрии в таких областях науки о жизни, как метаболизм , метаболомика , [17] окружающая среда, [18] анализ пищевых продуктов и безопасности. [19] Большинство из них сопряжены с жидкостной хроматографией , [18] хотя они также используются с газовой хроматографией , [20] вторичными ионами [21] и методами ионизации окружающей среды . Они также использовались для определения молекулярных структур изотопно замещенных молекулярных видов. [22]
