Орбитальная ловушка - Orbitrap

текст
Траектории ионов в масс-спектрометре Orbitrap.

В масс-спектрометрии, Орбитальная ловушка является ионная ловушка масс-анализатор состоящий из внешнего бочкообразного электрода и коаксиального внутреннего шпиндельного электрода, который захватывает ионы в орбитальном движении вокруг шпинделя.[1][2] Ток изображения от захваченных ионов обнаруживается и преобразуется в масс-спектр с использованием преобразование Фурье частотного сигнала.

История

Концепция электростатического захвата ионов на орбите вокруг центрального веретена была разработана Кеннетом Хей Кингдоном в начале 1920-х годов.[3] В Кингдонская ловушка состоит из тонкой центральной проволоки и внешнего 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 в конфигурации Kingdon, ни в конфигурации Knight не сообщалось о получении масс-спектров. Изобретение анализатора Orbitrap и подтверждение его принципа Макаров в конце 1990-х[1] начал серию технологических улучшений, которые привели к коммерческому внедрению этого анализатора. Thermo Fisher Scientific в составе гибридного прибора LTQ Orbitrap в 2005 году.[5][6]

Принцип действия

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

Ловушка

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 гармонический, т.е. 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 является: ω = √k/(м/z), куда k это силовая постоянная потенциала, аналогичного жесткость пружины.

Инъекция

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 разной скорости, разбросанных по определенному объему. Эти ионы движутся с разными частотами вращения, но с одинаковой осевой частотой. Это означает, что ионы определенного отношение массы к заряду распространяются на 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 закачки хорошо работает с импульсными источниками, такими как МАЛДИ 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-ловушка). Путем быстрого снижения улавливаемых ВЧ-напряжений и применения градиентов постоянного тока через C-ловушку, ионы можно группировать в короткие пакеты, подобные пакетам из лазерного источника ионов. С-ловушка тесно интегрирована с анализатором, оптикой впрыска и дифференциальной откачкой.

Возбуждение

В принципе, когерентные осевые колебания ионных колец могут быть возбуждены путем подачи радиочастотных волн на внешний электрод, как показано на[7] и ссылки 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

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

Осевые колебания ионных колец обнаруживаются по их току изображения, индуцируемому на внешнем электроде, который разделен на два симметричных датчика, подключенных к дифференциальному усилителю. Путем обработки данных способом, аналогичным используемому в Масс-спектрометрия с ионным циклотронным резонансом с преобразованием Фурье (FTICR-MS), ловушку можно использовать как масс-анализатор. 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 разрешающая способность с увеличением m / z.

Варианты

LTQ Orbitrap
LTQ Orbitrap

В настоящее время анализатор Orbitrap существует в двух вариантах: стандартная ловушка и компактная высокопольная ловушка. В практических ловушках внешний электрод поддерживается на виртуальная земля и 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 280000 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 линейная ионная ловушка (Семейство инструментов LTQ Orbitrap), квадруполь массовый фильтр (семейство Q Exactive) или непосредственно к ионному источнику (Exactive instrument, все продается Thermo Fisher Scientific ). Кроме того, к C-ловушке может быть добавлена ​​коллизионная ячейка с более высокой энергией с дополнительным добавлением диссоциация с переносом электрона за спиной.[9] Большинство этих инструментов имеют источники ионов атмосферного давления, хотя и промежуточного давления. МАЛДИ 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

Масс-спектрометры на основе орбитальной ловушки используются в протеомика[7][10] а также используются в биологических науках масс-спектрометрии Такие как метаболизм, метаболомика, относящийся к окружающей среде,[11] анализ продуктов питания и безопасности.[12] Большинство из них связаны с жидкостная хроматография разделения,[11] хотя они также используются с газовая хроматография[13] и ионизация окружающей среды методы.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d Макаров, А (2000). «Электростатический аксиально-гармонический орбитальный захват: высокоэффективный метод анализа массы». Аналитическая химия. 72 (6): 1156–62. Дои: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. Дои:10.1002 / jms.856. PMID  15838939.
  3. ^ Кингдон KH (1923). «Метод нейтрализации космического заряда электронов путем положительной ионизации при очень низких давлениях газа». Физический обзор. 21 (4): 408–418. Bibcode:1923ПхРв ... 21..408К. Дои:10.1103 / PhysRev.21.408.
  4. ^ Найт, Р. Д. (1981). «Хранение ионов из лазерной плазмы». Письма по прикладной физике. 38 (4): 221–223. Bibcode:1981АпФЛ..38..221К. Дои:10.1063/1.92315. В архиве из оригинала 22 декабря 2015 г.. Получено 2007-11-30.
  5. ^ а б Макаров А; Денисов, Э; Холомеев, А; Балшун, Вт; Ланге, О; Струпат, К; Хорнинг, S (2006). «Оценка производительности гибридного масс-спектрометра с линейной ионной ловушкой / орбитальной ловушкой». Анальный. Chem. 78 (7): 2113–20. Дои:10.1021 / ac0518811. PMID  16579588.
  6. ^ а б Макаров А; Денисов, Э; Ланге, О; Хорнинг, S (2006). «Динамический диапазон точности массы в гибридном масс-спектрометре LTQ Orbitrap». Варенье. Soc. Масс-спектрометрия. 17 (7): 977–82. Дои:10.1016 / j.jasms.2006.03.006. PMID  16750636.
  7. ^ а б 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. Дои:10.1002 / mas.20186. PMID  18683895.
  8. ^ Денисов, Э .; Damoc, E .; Макаров, А .; Ланге, О. «Масс-спектрометрия с орбитальной ловушкой с разрешающей способностью от 500 000 до 1 000 000 по хроматографической шкале времени» (PDF). Thermo Fisher Scientific. Бремен, Германия. Получено 3 октября 2020.
  9. ^ McAlister, 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 протеомной диссоциацией и переносом электронов». J. Proteome Res. 7 (8): 3127–3136. Дои:10.1021 / pr800264t. ЧВК  2601597. PMID  18613715.
  10. ^ Щигелова, М; Макаров, А (2006). «Масс-анализатор Orbitrap - обзор и применение в протеомике». Протеомика. 6: 16–21. Дои:10.1002 / pmic.200600528. PMID  17031791.
  11. ^ а б Ван, Цзянь; Гардинали, Пьеро Р. (июль 2014 г.). «Идентификация фармацевтических метаболитов фазы II в очищенной воде с использованием настольной масс-спектрометрии Orbitrap с высоким разрешением». Атмосфера. 107: 65–73. Bibcode:2014Chmsp.107 ... 65Вт. Дои: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. А. 1217 (25): 3938–3945. Дои:10.1016 / j.chroma.2010.02.022. PMID  20299023.
  13. ^ Петерсон, А .; McAlister, G .; Quarmby, S .; Griep-Raming, J .; Кун, Дж. (2010). "Разработка и определение характеристик QLT-орбитальной ловушки с поддержкой ГХ для ГХ-МС с высоким разрешением и высокой точностью масс."". Аналитическая химия. 82 (20): 8618–8628. Дои:10.1021 / ac101757m. PMID  20815337.

внешняя ссылка