Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
текст
Траектории ионов в масс-спектрометре Orbitrap.

В масс - спектрометрии , Orbitrap является ионная ловушка масс - анализатор , состоящий из внешнего бочкообразную электрода и коаксиальный внутренний шпиндель-подобный электрод , который ионы ловушек в орбитальном движении вокруг шпинделя. [1] [2] Ток изображения от захваченных ионов обнаруживается и преобразуется в масс-спектр с использованием преобразования Фурье частотного сигнала.

История [ править ]

Концепция электростатического захвата ионов на орбите вокруг центрального веретена была разработана Кеннетом Хей Кингдоном в начале 1920-х годов. [3] Кингдон ловушка состоит из тонкой центральной проволоки и наружного цилиндрического электрода. Приложенное статическое напряжение приводит к возникновению радиального логарифмического потенциала между электродами. В 1981 году Найт представил модифицированный внешний электрод, который включал аксиальный квадрупольный член, ограничивающий ионы на оси ловушки. [4] Ни конфигурация Кингдона, ни конфигурация Найта, как сообщается, не дают масс-спектров. Изобретение анализатора Orbitrap и его доказательство принципа действия Макаровым в конце 1990-х [1]начал серию технологических усовершенствований, которые привели к коммерческому внедрению этого анализатора компанией Thermo Fisher Scientific как часть гибридного прибора LTQ Orbitrap в 2005 году. [5] [6]

Принцип работы [ править ]

текст
Поперечное сечение C-ловушки и анализатора Orbitrap (ионная оптика и дифференциальная накачка не показаны). Ионный пакет попадает в анализатор во время нарастания напряжения и образует кольца, которые индуцируют ток, обнаруживаемый усилителем.

Треппинг [ править ]

В Orbitrap ионы захватываются, 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 квадрологарифмического потенциала [1] их осевое движение является гармоническим , то есть оно полностью не зависит не только от движения вокруг внутреннего электрода, но и от всех начальных параметров ионов, кроме их отношения массы к заряду. м / з. Его угловая частота равна: ω = √ k / ( m / z) , где k - силовая постоянная потенциала, аналогичная жесткости пружины .

Инъекция [ править ]

Чтобы ввести ионы из внешнего источника ионов, сначала уменьшают поле между электродами. Поскольку ионные пакеты вводятся в поле по касательной, электрическое поле увеличивается за счет линейного увеличения напряжения на внутреннем электроде. Ионы сжимаются к внутреннему электроду, пока не достигнут желаемой орбиты внутри ловушки. В этот момент линейное изменение прекращается, поле становится статическим, и можно начинать обнаружение. Каждый пакет содержит множество ионов с разной скоростью, распределенных по определенному объему. Эти ионы движутся с разными частотами вращения, но с одинаковой 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 прямой инжекции ионов от внешнего источника ионов с лазерной десорбцией и ионизацией. [1] Этот метод впрыска хорошо работает с импульсными источниками, такими как MALDI, но не может быть сопряжен с непрерывными ионными источниками, такими как электроспрей .

Все коммерческие масс-спектрометры Orbitrap используют изогнутую линейную ловушку для ввода ионов ( C-ловушку ). Путем быстрого снижения улавливаемых ВЧ-напряжений и применения градиентов постоянного тока через C-ловушку, ионы можно группировать в короткие пакеты, аналогичные пакетам от лазерного ионного источника. C-ловушка тесно интегрирована с анализатором, оптикой впрыска и дифференциальной откачкой.

Возбуждение [ править ]

В принципе, когерентные осевые колебания ионных колец могут быть возбуждены путем подачи радиочастотных волн на внешний электрод, как показано в [7] 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. Кроме того, отсутствие дополнительного возбуждения позволяет запускать процесс обнаружения, как только электроника обнаружения восстанавливается после линейного изменения напряжения, необходимого для инжекции ионов.

Обнаружение [ править ]

Вырезы стандартного (вверху) и высокопольного (внизу) анализатора Orbitrap.

Осевые колебания ионных колец обнаруживаются по их току изображения, индуцированному на внешнем электроде, который разделен на два симметричных датчика, подключенных к дифференциальному усилителю. Обрабатывая данные аналогично тому, как это используется в масс-спектрометрии с ионным циклотронным резонансом 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 уменьшение разрешающей способности с увеличением m / z.

Варианты [ править ]

LTQ Orbitrap

В настоящее время анализатор Orbitrap существует в двух вариантах: стандартная ловушка и компактная высокопольная 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 ловушки с сильным полем при 5 кВ и с улучшенной обработкой FT. Как в FTICR-MS - разрешающая способность орбитальной ловушки пропорциональна количеству 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 96 мс эти значения будут уменьшены в 8 раз, тогда как разрешающая способность, превышающая 1000000, была продемонстрирована в 3 -вторые переходные процессы. [8]

Анализатор Orbitrap может быть подключен к линейной ионной ловушке (семейство инструментов LTQ Orbitrap), квадрупольному массовому фильтру (семейство Q Exactive) или непосредственно к источнику ионов (все инструменты Exactive продаются компанией Thermo Fisher Scientific ). Кроме того, к C-ловушке может быть добавлена ​​коллизионная ячейка с более высокой энергией с дополнительным добавлением диссоциации с переносом электрона на ее спине. [9] Большинство этих инструментов имеют источники ионов атмосферного давления, хотя MALDI среднего давления.также можно использовать источник (MALDI LTQ Orbitrap). Все эти инструменты обеспечивают высокую точность измерения массы (<2–3 ppm для внешнего калибратора и <1–2 ppm для внутреннего), высокую разрешающую способность (до 240 000 при m / z 400), высокий динамический диапазон и высокую чувствительность. . [5] [6]

Приложения [ править ]

Масс-спектрометры на основе орбитальной ловушки используются в протеомике [7] [10], а также в масс-спектрометрии в биологических науках, таких как метаболизм , метаболомика , анализ окружающей среды [11], анализ пищевых продуктов и безопасности. [12] Большинство из них связаны с жидкостной хроматографией разделения [11], хотя они также используются с газовой хроматографией [13] и методами ионизации окружающей среды .

См. Также [ править ]

  • Ионный циклотронный резонанс с преобразованием Фурье

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б в г Макаров, А (2000). «Электростатический аксиально-гармонический орбитальный захват: высокоэффективный метод анализа массы». Аналитическая химия . 72 (6): 1156–62. DOI : 10.1021 / ac991131p . PMID  10740853 .
  2. ^ Ху, Q; Noll, RJ; Ли, Н; Макаров А; Хардман, М; Грэм Кукс, Р. (2005). «Орбитальная ловушка: новый масс-спектрометр». Журнал масс-спектрометрии . 40 (4): 430–43. Bibcode : 2005JMSp ... 40..430H . DOI : 10.1002 / jms.856 . PMID 15838939 . 
  3. ↑ Kingdon KH (1923). «Метод нейтрализации пространственного заряда электронов с помощью положительной ионизации при очень низких давлениях газа». Физический обзор . 21 (4): 408–418. Bibcode : 1923PhRv ... 21..408K . DOI : 10.1103 / PhysRev.21.408 .
  4. Перейти ↑ Knight, RD (1981). «Хранение ионов лазерной плазмы» . Письма по прикладной физике . 38 (4): 221–223. Bibcode : 1981ApPhL..38..221K . DOI : 10.1063 / 1.92315 . Архивировано 22 декабря 2015 года . Проверено 30 ноября 2007 .
  5. ^ а б Макаров, А; Денисов, Э; Холомеев, А; Балшун, Вт; Lange, O; Струпат, К; Хорнинг, S (2006). «Оценка производительности гибридного масс-спектрометра с линейной ионной ловушкой / орбитальной ловушкой». Анальный. Chem . 78 (7): 2113–20. DOI : 10.1021 / ac0518811 . PMID 16579588 . 
  6. ^ а б Макаров, А; Денисов, Э; Lange, O; Хорнинг, S (2006). «Динамический диапазон точности массы в гибридном масс-спектрометре LTQ Orbitrap» . Варенье. Soc. Масс-спектрометрия . 17 (7): 977–82. DOI : 10.1016 / j.jasms.2006.03.006 . PMID 16750636 . 
  7. ^ a b Perry, R .; Повара, G .; Нолл, Р. (2008). «Орбитальная масс-спектрометрия: приборы, движение ионов и приложения». Обзоры масс-спектрометрии . 27 (6): 661–699. Bibcode : 2008MSRv ... 27..661P . DOI : 10.1002 / mas.20186 . PMID 18683895 . 
  8. ^ Денисов, Е .; Damoc, E .; Макаров, А .; Ланге, О. «Масс-спектрометрия на орбитальной ловушке с разрешающей способностью от 500 000 до 1 000 000 на хроматографической временной шкале» (PDF) . Thermo Fisher Scientific . Бремен, Германия . Дата обращения 3 октября 2020 .
  9. ^ Макалистер, G .; Berggren, W .; Griep-Raming, J .; Horning, S .; Макаров, А .; Phanstiel, D .; Стаффорд, G .; Swaney, D .; Syka, J .; Заброусков, В; Кун, Дж. (2008). «Гибридный масс-спектрометр с линейной ионной ловушкой и орбитальной ловушкой с технологией протеомики и диссоциации переноса электронов» . J. Proteome Res . 7 (8): 3127–3136. DOI : 10.1021 / pr800264t . PMC 2601597 . PMID 18613715 .  
  10. ^ Щигелова, М; Макаров, А (2006). «Масс-анализатор Orbitrap - обзор и применение в протеомике». Протеомика . 6 : 16–21. DOI : 10.1002 / pmic.200600528 . PMID 17031791 . 
  11. ^ а б Ван, Цзянь; Гардинали, Пьеро Р. (июль 2014 г.). «Идентификация фармацевтических метаболитов фазы II в регенерированной воде с помощью настольной масс-спектрометрии Orbitrap с высоким разрешением». Chemosphere . 107 : 65–73. Bibcode : 2014Chmsp.107 ... 65W . DOI : 10.1016 / j.chemosphere.2014.03.021 . PMID 24875872 . 
  12. ^ Макаров, А .; Щигелова М. (2010). «Сочетание жидкостной хроматографии с масс-спектрометрией Orbitrap» (PDF) . J. Chromatogr. . 1217 (25): 3938–3945. DOI : 10.1016 / j.chroma.2010.02.022 . PMID 20299023 .  
  13. ^ Петерсон, А .; McAlister, G .; Quarmby, S .; Griep-Raming, J .; Кун, Дж. (2010). "Разработка и характеристика GC-Enabled QLT-Orbitrap для высокого разрешения и высокой точности масс - ГХ / МС " . » Аналитической химии . 82 (20): 8618-8628. DOI : 10.1021 / ac101757m . PMID 20815337 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Страница орбитальной ловушки Университета Пердью