В масс-спектрометрии Orbitrap представляет собой масс-анализатор с ионной ловушкой , состоящий из внешнего бочкообразного электрода и коаксиального внутреннего веретенообразного электрода, который улавливает ионы при орбитальном движении вокруг шпинделя. [1] [2] Ток изображения захваченных ионов обнаруживается и преобразуется в масс-спектр путем сначала использования преобразования Фурье временной области гармоники для создания частотного сигнала, который преобразуется в массу.
Идея электростатического захвата ионов на орбите вокруг центрального веретена 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 возникновению радиального логарифмического потенциала между электродами. В 1981 году Найт представил модифицированный внешний электрод, который включал аксиальный квадрупольный член, удерживающий ионы на оси ловушки. [4] Сообщалось, что ни конфигурация Кингдона, ни конфигурация Найта не дают масс-спектров.
В 1986 году профессор Юрий Константинович Голиков в СССР разработал основные принципы и теорию анализатора орбитальных ловушек и подал в СССР патенты на анализатор орбитальных ловушек. Голиков, возглавлявший группу радиофизического факультета Санкт-Петербургского государственного педагогического университета, заложил теоретическую основу технологии Орбитрап как ее первоначальный изобретатель в свидетельстве СССР № 1247973 в 1986 году. Как первоначальный изобретатель анализатора Орбитрап, Голиков заметил: «Основываясь на моих идеи, аналитические приборы с рекордными параметрами были построены, но, к сожалению, не в России, а за рубежом». [5]
Вопреки распространенному мнению, Александр Макаров не является первоначальным изобретателем анализатора Orbitrap, а лишь применил анализатор Orbitrap на практике, а затем разработал и коммерциализировал анализатор Orbitrap в компании Thermo Fisher Scientific. Вспоминая свое раннее общение 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 отрывки (фотокопии были тогда не так доступно) из авторского свидетельства СССР № 1247973, на которое я с тех пор ссылаюсь во всех своих работах по анализатору Орбитрап™." [5] [6]
Усилия Александра Макарова по коммерциализации анализатора Orbitrap в конце 1990-х годов [1] положили начало серии технологических усовершенствований, которые привели к коммерческому внедрению этого анализатора компанией Thermo Fisher Scientific в 2005 году как часть гибридного прибора LTQ Orbitrap. [7] [8]
В орбитальной ловушке ионы улавливаются, поскольку их электростатическое притяжение к внутреннему электроду уравновешивается их инерцией. Таким образом, ионы движутся вокруг внутреннего электрода по эллиптическим траекториям. Кроме того, ионы еще и движутся вперед и назад вдоль оси центрального электрода, так что их траектории в пространстве напоминают спирали. Благодаря свойствам квадрологарифмического потенциала [1] их осевое движение является гармоническим , т.е. совершенно независимым не только от движения вокруг внутреннего электрода, но и от всех начальных параметров ионов, за исключением их отношения массы к заряду. м/з . Его угловая частота равна: ω = √k /( m / z ) , где k — силовая константа потенциала, аналогичная жесткости пружины .
Чтобы инжектировать ионы из внешнего источника ионов, сначала уменьшают поле между электродами. Поскольку ионные пакеты вводятся в поле по касательной, электрическое поле увеличивается за счет увеличения напряжения на внутреннем электроде. Ионы прижимаются к внутреннему электроду, пока не достигнут желаемой орбиты внутри ловушки. В этот момент линейное изменение прекращается, поле становится статичным, и можно начать обнаружение. Каждый пакет содержит множество ионов с разными скоростями, распределенных по определенному объему. Эти ионы движутся с разными частотами вращения, но с одинаковой осевой частотой. Это означает, что ионы с определенным соотношением массы к заряду распределяются по кольцам, которые колеблются вдоль внутреннего веретена.
Апробация технологии была проведена с использованием прямой инъекции ионов из внешнего источника ионов лазерной десорбции и ионизации. [1] Этот метод инъекции хорошо работает с импульсными источниками, такими как MALDI , но не может быть сопряжен с непрерывными источниками ионов, такими как электроспрей .
Во всех коммерческих масс-спектрометрах Orbitrap используется изогнутая линейная ловушка для ввода ионов ( C-ловушка ). Быстро снижая напряжение захвата РЧ и применяя градиенты постоянного тока к C-ловушке, ионы можно группировать в короткие пакеты, аналогичные пакетам из лазерного источника ионов. C-ловушка тесно интегрирована с анализатором, инжекционной оптикой и дифференциальной откачкой.
В принципе, когерентные осевые колебания ионных колец можно возбуждать путем подачи радиочастотных сигналов на внешний электрод, как показано в [9] и ссылках там. 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. Кроме того, отсутствие дополнительного возбуждения позволяет начать процесс обнаружения, как только электроника обнаружения восстановится после скачка напряжения, необходимого для инжекции ионов.
Осевые колебания ионных колец обнаруживаются по току их изображения, индуцированному на внешнем электроде, который разделен на два симметричных датчика, подключенных к дифференциальному усилителю. Обрабатывая данные способом, аналогичным тому, который используется в масс-спектрометрии ионно-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 силу поля или увеличив период обнаружения. Орбитрап 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 сильнопольная ловушка. В практических ловушках внешний электрод поддерживается на виртуальной земле , 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 сильнопольной ловушки при 5 кВ и с улучшенной обработкой Фурье. Как и в FTICR -MS, разрешающая способность Орбитальной ловушки 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 в 96 мс эти значения будут уменьшены в 8 раз, тогда как разрешающая способность, превышающая 1 000 000, была продемонстрирована в 3 -вторые переходные процессы. [10]
Анализатор Orbitrap можно подключить к линейной ионной ловушке (семейство приборов LTQ Orbitrap), квадрупольному массовому фильтру (семейство Q Exactive) или непосредственно к источнику ионов (прибор Exactive, все продается компанией Thermo Fisher Scientific ). Кроме того, к С-ловушке можно присоединить ячейку столкновений с более высокой энергией с дальнейшим добавлением диссоциации с переносом электрона на ее обратной стороне. [11] Большинство этих приборов имеют источники ионов при атмосферном давлении, хотя также можно использовать источник MALDI среднего давления (MALDI LTQ Orbitrap). Все эти приборы обеспечивают высокую точность определения массы (<2–3 ppm при внешнем калибранте и <1–2 ppm при внутреннем), высокую разрешающую способность (до 240 000 при m/z 400), широкий динамический диапазон и высокую чувствительность. . [7] [8]
Масс-спектрометры на основе орбитальной ловушки используются в протеомике [9] [12] , а также в масс-спектрометрии в области биологических наук, таких как метаболизм , метаболомика , [13] экология, [14] анализ пищевых продуктов и безопасность. [15] Большинство из них сопряжены с жидкостной хроматографией разделения, [14] хотя они также используются с методами газовой хроматографии , [16] вторичных ионов [17] и ионизации окружающей среды . Их также использовали для определения молекулярных структур изотопно-замещенных молекулярных разновидностей. [18]
