Orbitrap - Orbitrap

tekst
Ionbaner i et Orbitrap -massespektrometer.

I massespektrometri , Orbitrap er et ion trap mass analysator som består av en ytre sylinder-lignende elektrode og en koaksial indre spindel lignende elektrode som feller ioner i en banebevegelse om spindelen. Bildestrømmen fra de fangede ionene detekteres og konverteres til et massespektrum ved hjelp av Fourier -transformasjonen av frekvenssignalet.

Historie

Konseptet med elektrostatisk fangst av ioner i en bane rundt en sentral spindel ble utviklet av Kenneth Hay Kingdon på begynnelsen av 1920 -tallet. Den Kingdon fellen består av en tynn sentral ledning og en ytre sylindrisk elektrode. En statisk påført spenning resulterer i et radialt logaritmisk potensial mellom elektrodene. I 1981 introduserte Knight en modifisert ytre elektrode som inkluderte en aksial quadrupol -term som begrenser ionene på felleaksen. Verken Kingdon eller Knight -konfigurasjonene ble rapportert å produsere massespektra. Oppfinnelsen av Orbitrap-analysatoren og dens prinsippbevis av Makarov på slutten av 1990-tallet startet en rekke teknologiske forbedringer som resulterte i kommersiell introduksjon av denne analysatoren av Thermo Fisher Scientific som en del av hybrid LTQ Orbitrap-instrumentet i 2005.

Driftsprinsipp

tekst
Tverrsnitt av C-fellen og Orbitrap-analysatoren (ionoptikk og differensialpumping ikke vist). Ionpakke kommer inn i analysatoren under spenningsrampen og danner ringer som induserer strøm oppdaget av forsterkeren.

Fangst

I Orbitrap er ioner fanget fordi deres elektrostatiske tiltrekning til den indre elektroden balanseres av deres treghet. Dermed sykler ioner rundt den indre elektroden på elliptiske baner. I tillegg beveger ionene seg frem og tilbake langs aksen til den sentrale elektroden slik at banene i rommet ligner spiraler. På grunn av egenskapene til det quadro-logaritmiske potensialet, er deres aksiale bevegelse harmonisk , det vil si at den er helt uavhengig ikke bare av bevegelse rundt den indre elektroden, men også av alle initialparametrene til ionene bortsett fra masse-til-ladningsforholdet m/z . Dens vinkelfrekvens er: ω = k / ( m / z ) , hvor k er fjærkonstant av potensialet, i likhet med den fjærkonstant .

Injeksjon

For å injisere ioner fra en ekstern ionekilde, reduseres feltet mellom elektrodene først. Når ionpakker injiseres tangentielt i feltet, økes det elektriske feltet ved å øke spenningen på den indre elektroden. Ioner blir klemt mot den indre elektroden til de når ønsket bane inne i fellen. I det øyeblikket stoppes ramping, feltet blir statisk, og deteksjonen kan starte. Hver pakke inneholder en rekke ioner med forskjellige hastigheter spredt over et bestemt volum. Disse ionene beveger seg med forskjellige rotasjonsfrekvenser, men med samme aksiale frekvens. Dette betyr at ioner med et bestemt masse-til-ladningsforhold spres til ringer som svinger langs den indre spindelen.

Prinsippbevis for teknologien ble utført ved bruk av direkte injeksjon av ioner fra en ekstern laser-desorpsjon og ioniseringskilde. Denne injeksjonsmetoden fungerer godt med pulserende kilder som MALDI, men kan ikke kobles til kontinuerlige ionekilder som elektrospray .

Alle kommersielle Orbitrap massespektrometre bruker en buet lineær felle for ioninjeksjon ( C-trap ). Ved raskt å trappe ned fangende RF-spenninger og bruke DC-gradienter over C-fellen, kan ioner grupperes i korte pakker som ligner de fra laserionkilden. C-fellen er tett integrert med analysatoren, injeksjonsoptikk og differensialpumping.

Eksitasjon

I prinsippet kan koherente aksiale oscillasjoner av ionringer bli begeistret ved å påføre RF -bølgeformer på den ytre elektroden som vist i og referanser der. Imidlertid, hvis ionpakker injiseres vekk fra minimum av det aksiale potensialet (som tilsvarer den tykkeste delen av begge elektroder), starter dette automatisk deres aksiale svingninger, og eliminerer behovet for ytterligere eksitasjon. Videre lar fraværet av ekstra eksitasjon deteksjonsprosessen starte så snart deteksjonselektronikken gjenoppretter fra spenningsrampen som er nødvendig for ioninjeksjon.

Gjenkjenning

tekst
Utsnitt av en standard (topp) og en høyfelt (nederst) Orbitrap-analysator.

Aksielle svingninger av ionringer oppdages av bildestrømmen indusert på den ytre elektroden som er delt i to symmetriske pick-up sensorer koblet til en differensialforsterker. Ved å behandle data på en måte som ligner den som ble brukt i Fourier transform ion-cyclotron resonans massespektrometri (FTICR-MS) , kan fellen brukes som en masseanalysator. Som i FTICR-MS oppdages alle ionene samtidig over en gitt tidsperiode, og oppløsningen kan forbedres ved å øke feltets styrke eller ved å øke deteksjonsperioden. Orbitrap skiller seg fra FTICR-MS ved fravær av et magnetfelt og har derfor en betydelig langsommere reduksjon av oppløsningskraft med økende m/z.

Varianter

LTQ Orbitrap
LTQ Orbitrap

For øyeblikket finnes Orbitrap-analysatoren i to varianter: en standardfelle og en kompakt høyfeltfelle. I praktiske feller opprettholdes den ytre elektroden på virtuell grunn, og en spenning på 3,5 eller 5 kV påføres bare den indre elektroden. Som et resultat kan oppløsningseffekten ved m/z 400 og 768 ms deteksjonstid variere fra 60 000 for en standard felle på 3,5 kV til 280 000 for en høyfeltfelle ved 5 kV og med forbedret FT-behandling. Som i FTICR -MS er Orbitrap -oppløsningseffekten proporsjonal med antall harmoniske svingninger av ionene; som et resultat er oppløsningseffekten omvendt proporsjonal med kvadratroten til m/z og proporsjonal med innsamlingstiden. For eksempel vil verdiene ovenfor doble for m/z 100 og halvere for m/z 1600. For den korteste forbigående på 96 ms vil disse verdiene bli redusert med 8 ganger, mens en oppløsningseffekt på over 1.000.000 er vist i 3 -andre transienter.

Den Orbitrap analysatoren kan tilkobles til en lineær ionefelle (LTQ Orbitrap familie av instrumenter), kvadrupol massefilter (Q Exactive familie) eller direkte til en ionekilde (Exactive instrument, alle markedsført av Thermo Fisher Scientific ). I tillegg kan en kollisjonscelle med høyere energi legges til C-fellen, med ytterligere tillegg av elektronoverføringsdissosiasjon på baksiden. De fleste av disse instrumentene har ionekilder for atmosfærisk trykk, selv om en MALDI- kilde med mellomtrykk også kan brukes (MALDI LTQ Orbitrap). Alle disse instrumentene gir høy massenøyaktighet (<2-3 ppm med ekstern kalibrering og <1-2 ppm med intern), høy oppløsningseffekt (opptil 240 000 ved m/z 400), et høyt dynamisk område og høy følsomhet .

applikasjoner

Orbitrap-baserte massespektrometre brukes i proteomikk og brukes også i biovitenskapelig massespektrometri som metabolisme , metabolomikk , miljø-, mat- og sikkerhetsanalyse. De fleste av dem er koblet til væskekromatografiseparasjoner , selv om de også brukes med gasskromatografi og omgivelsesioniseringsmetoder . De har også blitt brukt til å bestemme molekylære strukturer av isotopisk substituerte molekylære arter.

Se også

Referanser

Eksterne linker