Orbitrap

Ionebaner i et Orbitrap massespektrometer.

I massespektrometri er orbitrap en ionefellemasseanalysator som består av en ytre fatlignende elektrode og en koaksial indre spindellignende elektrode som fanger ioner i en orbital bevegelse rundt spindelen.^[1][2] Bildestrømmen fra de fangede ionene blir oppdaget og konvertert 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 tidlig på 1920-tallet.^[3] 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 et aksialt kvadrupoluttrykk som begrenser ionene på felleaksen.^[4] Verken Kingdon eller Knight-konfigurasjonene ble rapportert å produsere massespektre. Oppfinnelsen av Orbitrap analysatoren og dens proof-of-prinsippet av Makarov på slutten av 1990-tallet^[1] startet en sekvens av teknologiforbedringer som resulterte i en kommersiell introduksjon av denne analysatoren av Thermo Fisher Scientific som en del av hybrid LTQ Orbitrap-instrument i 2005.^[5][6]

Prinsipp for drift

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

Fangst

I Orbitrap blir ioner fanget fordi deres elektrostatiske tiltrekning til den indre elektroden balanseres av tregheten. Dermed sykler ioner rundt den indre elektroden på elliptiske baner. I tillegg beveger ionene seg frem og tilbake langs den sentrale elektrodens akse, slik at deres baner i rommet ligner helixer. På grunn av egenskapene til det kuadro-logaritmiske potensialet,^[1] er deres aksiale bevegelse harmonisk, dvs. den er helt uavhengig ikke bare av bevegelse rundt den indre elektroden, men også av alle innledende parametere for ionene bortsett fra deres masse-til-ladningsforhold m/z. Dens vinkelfrekvens er: ${\displaystyle \omega ={\sqrt {k \over {m/z}}}}$ hvor k er potensialets kraftkonstant, lik fjærkonstanten.

Injeksjon

For å injisere ioner fra en ekstern ionekilde, reduseres først feltet mellom elektrodene. Når ionepakken injiseres tangentielt i feltet, økes det elektriske feltet ved å rampe spenningen på den indre elektroden. Ioner blir presset mot den indre elektroden til de når ønsket bane inne i fellen. I det øyeblikket rampen stoppes, blir feltet statisk, og deteksjonen kan starte. Hver pakke inneholder et mangfold av 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 spesifikt masse-til-ladningsforhold spres i ringer som svinger langs den indre spindelen.

Prinsippbevis for teknologien ble utført ved hjelp av direkte injeksjon av ioner fra en ekstern laserdesorpsjon og ioniseringskilde.^[1] Denne injeksjonsmetoden fungerer bra med pulserende kilder som MALDI, men kan ikke kobles til kontinuerlige ionekilder som elektrospray.

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

Ekstraksjon

I prinsippet kan koherente aksiale svingninger av ionringer være eksitert ved å påføre RF-bølgeformer på den ytre elektroden som vist i^[7] og referanser deri. Imidlertid, hvis ionepakker injiseres vekk fra minimum av det aksiale potensialet (som tilsvarer den tykkeste delen av hver elektrode), initierer dette automatisk deres aksiale svingninger, og eliminerer behovet for ytterligere eksitasjon. Videre tillater fraværet av ekstra eksitasjon deteksjonsprosessen å starte så snart deteksjonselektronikken gjenoppretter fra spenningsrampen som trengs for ioninjeksjon.

Deteksjon

Utskjæringer av en Orbitrap-analysator.

Aksiale svingninger av ionringer blir oppdaget av deres bildestrøm 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 på den som brukes i Fourier-transform ion syklotron resonans (FTICR-MS), kan fellen brukes som en masseanalysator. Som i FTICR-MS, blir alle ioner oppdaget samtidig over en gitt periode, og oppløsningen kan forbedres ved å øke feltstyrken eller ved å øke deteksjonsperioden. Orbitrap skiller seg fra FTICR-MS ved fravær av et magnetfelt og har dermed en betydelig langsommere reduksjon av oppløsningseffekt med økende m/z.

Varianter

For tiden eksisterer Orbitrap-analysatoren i to varianter: en standardfelle og en kompakt høyfeltfelle. I praktiske feller opprettholdes den ytre elektroden på virtuell jord 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 standardfelle ved 3,5 kV til 280 000 for en høyfeltfelle ved 5 kV og med forbedret FT-behandling. Som i FTICR-MS er Orbitrap-oppløsningsevnen proporsjonal med antall harmoniske svingninger av ionene; som et resultat er oppløsningskraften omvendt proporsjonal med kvadratroten av m/z og proporsjonal med oppsamlingstiden. 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.^[8]

Orbitrap-analysatoren kan kobles til en lineær ionefelle (LTQ Orbitrap-familie av instrumenter), kvadrupolmassefilter (Q Exactive-familie) eller direkte til en ionekilde (Exactive instrument, alt markedsført av Thermo Fisher Scientific). I tillegg kan en høyenergisk kollisjonscelle legges til C-fellen, med ytterligere tilsetning av elektronoverføringsdissosiasjon på baksiden.^[9] De fleste av disse instrumentene har atmosfæriske trykkionkilder, men en MALDI-kilde med mellomtrykk kan også 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.^[5][6]

Bruksområder

Orbitrap-baserte massespektrometre brukes i proteomikk^[7][10] og brukes også i livsvitenskapelig massespektrometri som metabolisme, metabolomikk, miljøforskning,^[11] mat og sikkerhetsanalyse.^[12] De fleste av dem er grensesnittet til væskekromatografiseparasjoner^[11], selv om de også brukes med gasskromatografi^[13] og omgivende ioniseringsmetoder.

Referanser

1. ^ Makarov, Alexander (Mars 2000). «Electrostatic Axially Harmonic Orbital Trapping: A High-Performance Technique of Mass Analysis». Analytical Chemistry. 6 (på engelsk). 72: 1156–1162. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/ac991131p. Besøkt 11. februar 2021. 
2. Hu, Qizhi; Noll, Robert J.; Li, Hongyan; Makarov, Alexander; Hardman, Mark; Graham Cooks, R. (April 2005). «The Orbitrap: a new mass spectrometer». Journal of Mass Spectrometry. 4 (på engelsk). 40: 430–443. ISSN 1076-5174. doi:10.1002/jms.856. Besøkt 11. februar 2021. 
3. Kingdon, K. H. (1. april 1923). «A Method for the Neutralization of Electron Space Charge by Positive Ionization at Very Low Gas Pressures». Physical Review. 4 (på engelsk). 21: 408–418. ISSN 0031-899X. doi:10.1103/PhysRev.21.408. Besøkt 11. februar 2021. 
4. Knight, R. D. (15. februar 1981). «Storage of ions from laser‐produced plasmas». Applied Physics Letters. 4. 38: 221–223. ISSN 0003-6951. doi:10.1063/1.92315. Besøkt 11. februar 2021. 
5. ^ Makarov, Alexander; Denisov, Eduard; Kholomeev, Alexander; Balschun, Wilko; Lange, Oliver; Strupat, Kerstin; Horning, Stevan (April 2006). «Performance Evaluation of a Hybrid Linear Ion Trap/Orbitrap Mass Spectrometer». Analytical Chemistry. 7 (på engelsk). 78: 2113–2120. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/ac0518811. Besøkt 11. februar 2021. 
6. ^ Makarov, Alexander; Denisov, Eduard; Lange, Oliver; Horning, Stevan (Juli 2006). «Dynamic range of mass accuracy in LTQ orbitrap hybrid mass spectrometer». Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 7 (på engelsk). 17: 977–982. ISSN 1044-0305. doi:10.1016/j.jasms.2006.03.006. Besøkt 11. februar 2021. 
7. ^ Perry, Richard H.; Cooks, R. Graham; Noll, Robert J. (November 2008). «Orbitrap mass spectrometry: Instrumentation, ion motion and applications». Mass Spectrometry Reviews. 6 (på engelsk). 27: 661–699. doi:10.1002/mas.20186. Besøkt 11. februar 2021. 
8. Denisov, E.; Damoc, E.; Makarov, A.; Lange, O. «Orbitrap Mass Spectrometry With Resolving Powers Above 500,000 and 1,000,000 on a Chromatographic Time Scale». Thermo Fisher Scientific. Bremen, Tyskland. 
9. McAlister, Graeme C.; Berggren, W. Travis; Griep-Raming, Jens; Horning, Stevan; Makarov, Alexander; Phanstiel, Doug; Stafford, George; Swaney, Danielle L.; Syka, John E. P. (August 2008). «A Proteomics Grade Electron Transfer Dissociation-Enabled Hybrid Linear Ion Trap-Orbitrap Mass Spectrometer». Journal of Proteome Research. 8 (på engelsk). 7: 3127–3136. ISSN 1535-3893. PMC 2601597 . PMID 18613715. doi:10.1021/pr800264t. Besøkt 11. februar 2021. CS1-vedlikehold: PMC-format (link)
10. Scigelova, Michaela; Makarov, Alexander (September 2006). «Orbitrap Mass Analyzer – Overview and Applications in Proteomics». PROTEOMICS. S2 (på engelsk). 6: 16–21. doi:10.1002/pmic.200600528. Besøkt 11. februar 2021. 
11. ^ Wang, Jian; Gardinali, Piero R. (Juli 2014). «Identification of phase II pharmaceutical metabolites in reclaimed water using high resolution benchtop Orbitrap mass spectrometry». Chemosphere (på engelsk). 107: 65–73. doi:10.1016/j.chemosphere.2014.03.021. Besøkt 11. februar 2021. 
12. Makarov, Alexander; Scigelova, Michaela (Juni 2010). «Coupling liquid chromatography to Orbitrap mass spectrometry». Journal of Chromatography A. 25 (på engelsk). 1217: 3938–3945. doi:10.1016/j.chroma.2010.02.022. Besøkt 11. februar 2021. 
13. Peterson, Amelia C.; McAlister, Graeme C.; Quarmby, Scott T.; Griep-Raming, Jens; Coon, Joshua J. (15. oktober 2010). «Development and Characterization of a GC-Enabled QLT-Orbitrap for High-Resolution and High-Mass Accuracy GC/MS». Analytical Chemistry. 20 (på engelsk). 82: 8618–8628. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/ac101757m. Besøkt 11. februar 2021. 

Autoritetsdata