Orbitrapa - Orbitrap
W spektrometrii mas , Orbitrap jest pułapka jonowa analizator masy , składający się z zewnętrznego cylindrycznego elektrody i koncentryczny wewnętrzny trzpień jak elektrody, która wychwytuje jony w ruchu orbitalnego wokół wałka. Prąd obrazu z uwięzionych jonów jest wykrywany i przekształcany 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 20. XX wieku. Pułapka Kingdon składa się z cienkiego drutu centralnego oraz zewnętrznej cylindrycznej elektrody. Statyczne przyłożone napięcie skutkuje promieniowym potencjałem logarytmicznym między elektrodami. W 1981 roku Knight wprowadził zmodyfikowaną elektrodę zewnętrzną zawierającą osiowy termin kwadrupolowy, który ogranicza jony do osi pułapki. Doniesiono, że ani konfiguracja Kingdon, ani konfiguracja Knight nie wytwarzają widm masowych. Wynalezienie analizatora Orbitrap i jego weryfikacji przez Makarova pod koniec lat 90-tych zapoczątkowało serię ulepszeń technologicznych, które zaowocowały komercyjnym wprowadzeniem tego analizatora przez Thermo Fisher Scientific jako części hybrydowego instrumentu LTQ Orbitrap w 2005.
Zasada działania
Zastawianie sideł
W Orbitrap jony są uwięzione, ponieważ ich przyciąganie elektrostatyczne do elektrody wewnętrznej jest zrównoważone 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 również od wszystkich początkowych parametrów jonów z wyjątkiem stosunku masy do ładunku m/z . Jego częstotliwość kątowa wynosi: ω = √ k /( m / z ) , gdzie k jest stałą siły potencjału, podobną do stałej sprężystości .
Zastrzyk
Aby wstrzyknąć jony z zewnętrznego źródła jonów, najpierw zmniejsza się pole między elektrodami. Gdy pakiety jonów są wstrzykiwane stycznie do pola, pole elektryczne zwiększa się poprzez 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 rozłożonych 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 rozchodzą się w pierścienie, które oscylują wzdłuż wewnętrznego wrzeciona.
Sprawdzenie zasady działania technologii przeprowadzono z wykorzystaniem bezpośredniego wtrysku jonów z zewnętrznego źródła laserowej desorpcji i jonizacji. Ta metoda wstrzykiwania działa dobrze ze źródłami impulsowymi, takimi jak MALDI, ale nie może być połączona z ciągłymi źródłami jonów, takimi jak elektrorozpylanie .
Wszystkie komercyjne spektrometry masowe Orbitrap wykorzystują zakrzywioną pułapkę liniową do wstrzykiwania jonów ( C-trap ). Poprzez gwałtowne zmniejszanie napięć RF i stosowanie gradientów prądu stałego w pułapce C, jony mogą być grupowane w krótkie pakiety podobne do tych z laserowego źródła jonów. C-pułapka jest ściśle zintegrowana z analizatorem, optyką wtrysku i pompami różnicowymi.
Pobudzenie
W zasadzie koherentne osiowe oscylacje pierścieni jonowych mogą być wzbudzane przez przykładanie przebiegów RF do zewnętrznej elektrody, jak pokazano w tych dokumentach i odnośnikach. Jeśli jednak pakiety jonów są wtryskiwane z dala od minimalnego potencjału osiowego (co odpowiada najgrubszej części każdej elektrody), automatycznie inicjuje to ich osiowe oscylacje, eliminując potrzebę dodatkowego wzbudzania. Co więcej, brak dodatkowego wzbudzenia umożliwia rozpoczęcie procesu wykrywania, gdy tylko elektronika wykrywająca powróci z rampy napięcia potrzebnej do wstrzykiwania jonów.
Wykrycie
Oscylacje osiowe pierścieni jonowych są wykrywane przez ich prąd obrazu indukowany na elektrodzie zewnętrznej, który jest dzielony na dwa symetryczne czujniki odbierające połączone ze wzmacniaczem różnicowym. Przetwarzając dane w sposób podobny do stosowanego w cyklotronowej spektrometrii mas rezonansowej z transformacją Fouriera (FTICR-MS) , pułapkę można wykorzystać jako analizator masy. Podobnie jak w FTICR-MS, wszystkie jony są wykrywane jednocześnie przez pewien określony czas, a rozdzielczość można poprawić, zwiększając natężenie pola lub wydłużając okres wykrywania. Orbitrap różni się od FTICR-MS brakiem pola magnetycznego, a zatem ma znacznie wolniejszy spadek zdolności rozdzielczej wraz ze wzrostem m/z.
Warianty
Obecnie analizator Orbitrap występuje w dwóch wariantach: pułapka standardowa i pułapka kompaktowa o wysokim polu. W praktycznych pułapkach elektroda zewnętrzna jest utrzymywana na wirtualnym podłożu, a napięcie 3,5 lub 5 kV jest przykładane tylko do elektrody wewnętrznej. W rezultacie moc rozdzielcza przy czasie detekcji m/z 400 i 768 ms może wynosić od 60 000 dla pułapki standardowej przy 3,5 kV do 280 000 dla pułapki o wysokim polu przy 5 kV iz ulepszonym przetwarzaniem FT. Podobnie jak w FTICR- MS moc rozdzielcza Orbitrap jest proporcjonalna do liczby oscylacji harmonicznych jonów; w rezultacie moc 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 96 ms wartości te byłyby zmniejszone 8 razy, podczas gdy zdolność rozdzielcza przekraczająca 1 000 000 została wykazana w 3 -drugie stany nieustalone.
Analizator Orbitrap może być podłączony do liniowej pułapki jonowej (rodzina przyrządów LTQ Orbitrap), kwadrupolowego filtra masowego (rodzina Q Exactive) lub bezpośrednio do źródła jonów (przyrząd Exactive, wszystkie sprzedawane przez Thermo Fisher Scientific ). Ponadto do pułapki C można dołączyć ogniwo zderzeniowe o wyższej energii, z dalszym dodaniem dysocjacji przeniesienia elektronu z tyłu. Większość z tych instrumentów ma źródła jonów pod ciśnieniem atmosferycznym, chociaż można również użyć źródła MALDI o średnim ciśnieniu (MALDI LTQ Orbitrap). Wszystkie te przyrządy zapewniają wysoką dokładność masy (<2–3 ppm z kalibratorem zewnętrznym i <1–2 ppm z kalibratorem wewnętrznym), wysoką rozdzielczość (do 240 000 przy m/z 400), wysoki zakres dynamiki i wysoką czułość .
Aplikacje
Spektrometry masowe oparte na Orbitrap są wykorzystywane w proteomice, a także w spektrometrii mas w naukach przyrodniczych, takich jak metabolizm , metabolomika , analiza środowiskowa, żywnościowa i bezpieczeństwa. Większość z nich jest sprzężona z rozdziałami chromatografii cieczowej , chociaż są one również używane w metodach chromatografii gazowej i jonizacji otoczenia . Wykorzystano je również do określenia struktur molekularnych izotopowo podstawionych form molekularnych.