Орбитальная ловушка
В масс-спектрометрии Orbitrap представляет собой с ионной ловушкой масс-анализатор , состоящий из внешнего бочкообразного электрода и коаксиального внутреннего веретенообразного электрода, который улавливает ионы при орбитальном движении вокруг шпинделя. [1] [2] Ток изображения от захваченных ионов обнаруживается и преобразуется в масс-спектр путем сначала использования преобразования Фурье временной области гармоники для создания частотного сигнала, который преобразуется в массу.
История
[ редактировать ]Идея электростатического захвата ионов на орбите вокруг центрального веретена была разработана Кеннетом Хэем Кингдоном в начале 1920-х годов. [3] Ловушка Кингдона состоит из тонкой центральной проволоки и внешнего цилиндрического электрода. Статическое приложенное напряжение приводит к возникновению радиального логарифмического потенциала между электродами. В 1981 году Найт представил модифицированный внешний электрод, который включал аксиальный квадрупольный член, удерживающий ионы на оси ловушки. [4] Сообщалось, что ни конфигурация Кингдона, ни конфигурация Найта не дают масс-спектров.
В 1986 году профессор Юрий Константинович Голиков в СССР разработал основные принципы и теорию анализатора орбитальных ловушек и подал в СССР патенты на анализатор орбитальных ловушек. Голиков, возглавлявший группу радиофизического факультета Санкт-Петербургского государственного педагогического университета, заложил теоретическую основу технологии «Орбитрап» как ее первоначальный изобретатель в свидетельстве СССР № 1247973 в 1986 году. Как первоначальный изобретатель анализатора «Орбитрап», Голиков заметил: «Основываясь на моих идеи, аналитические приборы с рекордными параметрами были построены, но, к сожалению, не в России, а за рубежом». [5]
Вопреки распространенному мнению, Александр Макаров не является первоначальным изобретателем анализатора Orbitrap, а лишь применил анализатор Orbitrap на практике, а затем разработал и коммерциализировал анализатор Orbitrap в компании Thermo Fisher Scientific. Вспоминая свое раннее общение с Голиковым, Александр Макаров вспоминал: «Будучи студентом пятого курса МФТИ, я вошел в одну из многочисленных комнат Политехнического института, где меня встретил Юрий Константинович Голиков. Я держал отрывки (фотокопии были тогда не так доступно) из авторского свидетельства СССР № 1247973, на которое я с тех пор ссылаюсь во всех своих работах по анализатору Орбитрап™." [5] [6]
Усилия Александра Макарова по коммерциализации анализатора Orbitrap в конце 1990-х годов. [1] начал серию технологических усовершенствований, результатом которых стало коммерческое внедрение этого анализатора компанией Thermo Fisher Scientific как часть гибридного прибора LTQ Orbitrap в 2005 году. [7] [8]
Принцип работы
[ редактировать ]
Захват
[ редактировать ]В орбитальной ловушке ионы улавливаются, поскольку их электростатическое притяжение к внутреннему электроду уравновешивается их инерцией. Таким образом, ионы движутся вокруг внутреннего электрода по эллиптическим траекториям. Кроме того, ионы еще и движутся вперед и назад вдоль оси центрального электрода, так что их траектории в пространстве напоминают спирали. В силу свойств квадрологарифмического потенциала [1] их осевое движение является гармоническим , т. е. совершенно независимым не только от движения вокруг внутреннего электрода, но и от всех начальных параметров ионов, за исключением их отношения массы к заряду m/z . Его угловая частота равна: ω = √k / ( m / z ) , где k — силовая константа потенциала, аналогичная жесткости пружины .
Инъекция
[ редактировать ]Чтобы инжектировать ионы из внешнего источника ионов, сначала уменьшают поле между электродами. Поскольку ионные пакеты вводятся в поле по касательной, электрическое поле увеличивается за счет увеличения напряжения на внутреннем электроде. Ионы прижимаются к внутреннему электроду, пока не достигнут желаемой орбиты внутри ловушки. В этот момент линейное изменение прекращается, поле становится статичным, и можно начать обнаружение. Каждый пакет содержит множество ионов с разными скоростями, распределенных по определенному объему. Эти ионы движутся с разными частотами вращения, но с одинаковой осевой частотой. Это означает, что ионы с определенным соотношением массы к заряду распределяются по кольцам, которые колеблются вдоль внутреннего веретена.
Апробация технологии была проведена с использованием прямой инъекции ионов из внешнего источника ионов лазерной десорбции и ионизации. [1] Этот метод инъекции хорошо работает с импульсными источниками, такими как MALDI , но не может быть сопряжен с непрерывными источниками ионов, такими как электроспрей .
Во всех коммерческих масс-спектрометрах Orbitrap используется изогнутая линейная ловушка для ввода ионов ( C-ловушка ). Быстро снижая напряжение захвата РЧ и применяя градиенты постоянного тока к C-ловушке, ионы можно объединять в короткие пакеты, аналогичные пакетам из лазерного источника ионов. C-ловушка тесно интегрирована с анализатором, инжекционной оптикой и дифференциальной откачкой.
Возбуждение
[ редактировать ]В принципе, когерентные осевые колебания ионных колец можно возбуждать, прикладывая радиочастотные сигналы к внешнему электроду, как показано на рис. [9] 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 начать процесс обнаружения, как только электроника обнаружения восстановится после скачка напряжения, необходимого для инжекции ионов.
Обнаружение
[ редактировать ]
Осевые колебания ионных колец обнаруживаются по току их изображения, индуцированному на внешнем электроде, который разделен на два симметричных датчика, подключенных к дифференциальному усилителю. Обрабатывая данные способом, аналогичным тому, который используется в масс-спектрометрии ионно-циклотронного резонанса 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 силу поля или увеличив период обнаружения. Орбитрап отличается от FTICR-MS отсутствием магнитного поля и, следовательно, имеет значительно более медленное снижение разрешающей способности с увеличением m/z .
Варианты
[ редактировать ]
В настоящее время анализатор Orbitrap существует в двух вариантах: стандартная ловушка и компактная сильнопольная 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 сильнопольной ловушки при 5 кВ и с улучшенной обработкой Фурье. Как и в FTICR -MS, разрешающая способность Орбитальной ловушки пропорциональна числу 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 в 96 мс эти значения будут уменьшены в 8 раз, тогда как разрешающая способность, превышающая 1 000 000, была продемонстрирована в 3 -вторые переходные процессы. [10]
Анализатор Orbitrap можно подключить к линейной ионной ловушке (семейство приборов LTQ Orbitrap), квадрупольному массовому фильтру (семейство Q Exactive) или непосредственно к источнику ионов (прибор Exactive, все продается компанией Thermo Fisher Scientific ). Кроме того, к С-ловушке можно присоединить ячейку столкновений с более высокой энергией с дальнейшим добавлением диссоциации с переносом электрона на обратной стороне. [11] среднего давления MALDI Большинство этих инструментов имеют источники ионов при атмосферном давлении, хотя также можно использовать источник (MALDI LTQ Orbitrap). Все эти приборы обеспечивают высокую точность определения массы (<2–3 ppm при внешнем калибранте и <1–2 ppm при внутреннем), высокую разрешающую способность (до 240 000 при m/z 400), широкий динамический диапазон и высокую чувствительность. . [7] [8]
Приложения
[ редактировать ]Масс-спектрометры на основе орбитальных ловушек используются в протеомике. [9] [12] а также используются в масс-спектрометрии в области биологических наук, таких как метаболизм , метаболомика , [13] относящийся к окружающей среде, [14] анализ пищевых продуктов и безопасности. [15] Большинство из них сопряжены с жидкостной хроматографией . [14] хотя они также используются с газовой хроматографией , [16] вторичный ион [17] и ионизации окружающей среды методы . Их также использовали для определения молекулярных структур изотопно-замещенных молекулярных разновидностей. [18]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Макаров А (март 2000 г.). «Электростатический аксиально-гармонический орбитальный захват: высокопроизводительный метод массового анализа». Аналитическая химия . 72 (6): 1156–1162. дои : 10.1021/ac991131p . ПМИД 10740853 .
- ^ Ху Кью, Нолл Р.Дж., Ли Х., Макаров А., Хардман М., Грэм Кукс Р. (апрель 2005 г.). «Орбитрап: новый масс-спектрометр». Журнал масс-спектрометрии . 40 (4): 430–443. Бибкод : 2005JMSp...40..430H . дои : 10.1002/jms.856 . ПМИД 15838939 .
- ^ Кингдон К.Х. (1923). «Метод нейтрализации пространственного заряда электронов путем положительной ионизации при очень низких давлениях газа». Физический обзор . 21 (4): 408–418. Бибкод : 1923PhRv...21..408K . дои : 10.1103/PhysRev.21.408 .
- ^ Найт Р.Д. (1981). «Хранение ионов из лазерной плазмы» . Письма по прикладной физике . 38 (4): 221–223. Бибкод : 1981АпФЛ..38..221К . дои : 10.1063/1.92315 . Архивировано из оригинала 22 декабря 2015 года . Проверено 30 ноября 2007 г.
- ^ Jump up to: а б Makarov A (2005). "Памяти профессора Голикова Юрия Константиновича" [In memory of Professor Golikov Yuri Konstantinovich] (PDF) . iairas.ru (in Russian) . Retrieved 2023-10-13 .
- ^ Макаров А, Сцигелова М (декабрь 2014 г.). «Масс-анализатор Orbitrap: обзор и применение в протеомике» . СлайдСерв.
- ^ Jump up to: а б Макаров А, Денисов Е, Холомеев А, Бальшун В, Ланге О, Струпат К и др. (апрель 2006 г.). «Оценка характеристик гибридного масс-спектрометра с линейной ионной ловушкой/орбитальной ловушкой». Аналитическая химия . 78 (7): 2113–2120. дои : 10.1021/ac0518811 . ПМИД 16579588 .
- ^ Jump up to: а б Макаров А, Денисов Е, Ланге О, Хорнинг С (июль 2006 г.). «Динамический диапазон точности масс гибридного масс-спектрометра LTQ Orbitrap» . Журнал Американского общества масс-спектрометрии . 17 (7): 977–982. дои : 10.1016/j.jasms.2006.03.006 . ПМИД 16750636 .
- ^ Jump up to: а б Перри Р.Х., Кукс Р.Г., Нолл Р.Дж. (2008). «Масс-спектрометрия с орбитальной ловушкой: приборы, движение ионов и приложения». Обзоры масс-спектрометрии . 27 (6): 661–699. Бибкод : 2008MSRv...27..661P . дои : 10.1002/mas.20186 . ПМИД 18683895 .
- ^ Денисов Э., Дамок Э., Макаров А., Ланге О. «Масс-спектрометрия на орбитальной ловушке с разрешающей способностью выше 500 000 и 1 000 000 в хроматографической шкале времени» (PDF) . Термо Фишер Сайентифик . Бремен, Германия . Проверено 3 октября 2020 г.
- ^ Макалистер Г.К., Берггрен В.Т., Грип-Рамин Дж., Хорнинг С., Макаров А., Фэнстил Д. и др. (август 2008 г.). «Гибридный масс-спектрометр с линейной ионной ловушкой и орбитальной ловушкой с возможностью диссоциации с переносом электронов» . Журнал исследований протеома . 7 (8): 3127–3136. дои : 10.1021/pr800264t . ПМК 2601597 . ПМИД 18613715 .
- ^ Сцигелова М., Макаров А. (сентябрь 2006 г.). «Масс-анализатор Orbitrap - обзор и применение в протеомике». Протеомика . 6 (Приложение 2): 16–21. дои : 10.1002/pmic.200600528 . ПМИД 17031791 . S2CID 12774202 .
- ^ Лу В., Класкен М.Ф., Меламуд Э., Амадор-Ногез Д., Коди А.А., Рабиновиц Дж.Д. (апрель 2010 г.). «Метаболомный анализ с помощью обращенно-фазовой ионно-парной жидкостной хроматографии в сочетании с автономным масс-спектрометром с орбитальной ловушкой» . Аналитическая химия . 82 (8): 3212–3221. дои : 10.1021/ac902837x . ПМЦ 2863137 . ПМИД 20349993 .
- ^ Jump up to: а б Ван Дж., Гардинали PR (июль 2014 г.). «Идентификация фармацевтических метаболитов фазы II в очищенной воде с использованием настольной масс-спектрометрии Orbitrap высокого разрешения». Хемосфера . 107 : 65–73. Бибкод : 2014Chmsp.107...65W . doi : 10.1016/j.chemSphere.2014.03.021 . ПМИД 24875872 .
- ^ Макаров А, Сцигелова М (июнь 2010 г.). «Сочетание жидкостной хроматографии с масс-спектрометрией с орбитальной ловушкой» . Журнал хроматографии А. 1217 (25): 3938–3945. дои : 10.1016/j.chroma.2010.02.022 . ПМИД 20299023 .
- ^ Петерсон AC, Макалистер GC, Куармби СТ, Грип-Рамин Дж, Кун Джей Джей (октябрь 2010 г.). «Разработка и характеристика QLT-Orbitrap с поддержкой ГХ для ГХ/МС с высоким разрешением и высокой точностью». Аналитическая химия . 82 (20): 8618–8628. дои : 10.1021/ac101757m . ПМИД 20815337 .
- ^ Пассарелли М.К., Пиркл А., Мёллерс Р., Гринфельд Д., Коллмер Ф., Хавелунд Р. и др. (декабрь 2017 г.). «3D-метаболическая визуализация OrbiSIMS без меток с субклеточным латеральным разрешением и высокой разрешающей способностью по массе» (PDF) . Природные методы . 14 (12): 1175–1183. дои : 10.1038/nmeth.4504 . ПМИД 29131162 . S2CID 54550356 .
- ^ Эйлер Дж., Сезар Дж., Чимиак Л., Даллас Б., Грайс К., Грип-Раминг Дж. и др. (2017). «Анализ молекулярных изотопных структур с высокой точностью и точностью с помощью масс-спектрометрии Orbitrap» . Международный журнал масс-спектрометрии . 422 : 126–142. Бибкод : 2017IJMSp.422..126E . дои : 10.1016/j.ijms.2017.10.002 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]
| Источник ионов | |
|---|---|
| Масс-анализатор | |
| Детектор | |
| Комбинация МС | |
| Фрагментация | |
