궤도랩

Orbitrap
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Orbitrap 질량 분석기의 이온 궤적

질량분석학에서 Orbitrap은 [1][2]외측 배럴형 전극과 동축 내측 스핀들형 전극으로 구성된 이온 트랩 질량 분석기입니다.포착된 이온의 영상 전류를 검출하고 주파수 신호의 푸리에 변환을 사용하여 질량 스펙트럼으로 변환합니다.

역사

중심축 주위의 궤도에 이온을 정전적으로 가두는 개념은 1920년대 [3]초에 Kenneth Hay Kingdon에 의해 개발되었습니다.Kingdon 트랩은 얇은 중앙 와이어와 외부 원통형 전극으로 구성됩니다.정전압이 인가되면 전극 사이에 반경 로그 전위가 발생합니다.1981년 나이트는 트랩 [4]축에 이온을 가두는 축방향 4극 항을 포함하는 변형된 외부 전극을 도입했습니다.킹든과 나이트 구성 모두 질량 스펙트럼을 생성하는 것으로 보고되지 않았다.1990년대[1] 말 Makarov에 의해 Orbitrap 분석기의 발명과 그 원리 증명은 일련의 기술 개선을 시작하였고,[5][6] 2005년 Thermo Fisher Scientific에 의해 하이브리드 LTQ Orbitrap 계측기의 일부로 이 분석기가 상업적으로 도입되었습니다.

작동 원리

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C-trap 및 Orbitrap 분석기의 단면(이온 광학 및 차등 펌핑은 표시되지 않음).이온 패킷은 전압 램프 중에 분석기에 들어가 증폭기에 의해 감지된 전류를 유도하는 링을 형성합니다.

트래핑

Orbitrap에서 이온은 내부 전극에 대한 정전적 흡인력이 관성에 의해 균형을 이루기 때문에 갇힙니다.따라서 이온은 타원 궤적을 따라 내부 전극 주위를 순환합니다.또한 이온은 중심 전극의 축을 따라 앞뒤로 움직이며, 공간에서의 궤적이 헬리클과 유사합니다.4차 대수 [1]퍼텐셜의 특성으로 인해 축방향 운동은 고조파이며, 즉 내부 전극 주위의 움직임뿐만 아니라 질량 대 전하비 m/z를 제외한 이온의 모든 초기 파라미터와 완전히 독립적이다.각 주파수는 다음과 같습니다. 여기서 k는 전위의 힘 상수로 스프링 상수와 유사합니다.

주입

외부 이온원으로부터 이온을 주입하기 위해서, 우선 전극간의 전계를 저감 한다.이온 패킷이 전기장에 접선상으로 주입되면 내부 전극의 전압을 상승시켜 전계를 증가시킨다.이온은 트랩 내부의 원하는 궤도에 도달할 때까지 내부 전극을 향해 압착됩니다.램핑이 정지하면 필드가 정지하고 검출이 개시된다.각 패킷에는, 특정의 볼륨상에 퍼지는 다른 속도의 이온이 다수 포함되어 있습니다.이들 이온은 회전 주파수는 다르지만 축 주파수는 동일합니다.즉, 특정 질량 대 전하 비율의 이온이 내부 스핀들을 따라 진동하는 링으로 확산됩니다.

이 기술의 원리 증명은 외부 레이저 탈착 [1]이온원으로부터의 이온의 직접 주입을 이용해 실시되었다.이 주입 방법은 MALDI와 같은 펄스 공급원에서는 잘 작동하지만 일렉트로스프레이와 같은 연속 이온 공급원에서는 접촉할 수 없습니다.

모든 상용 Orbitrap 질량 분석기는 이온 주입(C-trap)을 위해 곡선 선형 트랩을 사용합니다.RF전압을 빠르게 내려 C트랩 전체에 DC구배를 적용함으로써 레이저 이온원으로부터의 것과 같은 짧은 패킷에 이온을 묶을 수 있습니다.C 트랩은 분석기, 주입 광학 및 차등 펌핑과 긴밀하게 통합되어 있습니다.

들뜨다

원칙적으로[7] 외부전극에 RF파형을 가함으로써 이온링의 간섭성 축방향 진동을 들뜨게 할 수 있다.단, 이온 패킷이 축전위의 최소값(양쪽 전극의 가장 두꺼운 부분에 해당)에서 떨어져 주입되면 축방향 진동이 자동으로 시작되므로 추가적인 들뜸이 필요하지 않습니다.또, 추가 들뜸이 없기 때문에, 검출 전자 장치가 이온 주입에 필요한 전압 램프로부터 회복하는 즉시 검출 처리를 개시할 수 있다.

검출

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표준(상단) 및 고전계(하단) Orbitrap 분석기의 컷아웃

차동증폭기에 접속된 2개의 대칭 촬상센서로 분할된 외부전극에 유도되는 화상전류에 의해 이온링의 축방향 진동을 검출한다.푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석법(FTICR-MS)과 같은 방법으로 데이터를 처리함으로써 질량 분석기로서 트랩을 이용할 수 있다.또, FTICR-MS와 같이, 소정의 기간에 걸쳐 모든 이온을 동시에 검출해, 필드 강도를 높이거나 검출 기간을 늘리는 것으로 분해능을 향상시킬 수 있다.Orbitrap은 자기장이 없다는 점에서 FTICR-MS와 다르므로 m/z가 증가할수록 분해능의 감소가 현저하게 느려집니다.

변종

LTQ Orbitrap
LTQ 궤도랩

현재 Orbitrap 분석기는 표준 트랩과 소형 하이필드 트랩의 두 가지 변형으로 존재합니다.실제 트랩에서는 외부전극은 가상접지에서 유지되며 내부전극에만 3.5 또는 5kV의 전압이 인가된다.그 결과, m/z 400 및 768 ms의 검출 시간에서의 분해능은, 3.5 kV의 표준 트랩의 경우 60,000에서 5 kV의 하이필드 트랩의 경우 280,000까지로, FT 처리를 강화한다.FTICR-MS와 마찬가지로 Orbitrap 분해력은 이온의 고조파 진동수에 비례합니다. 그 결과 분해력은 m/z의 제곱근에 반비례하고 수집 시간에 비례합니다.예를 들어, 위의 값은 m/z 100의 경우 2배, m/z 1600의 경우 2배입니다.96ms의 최단 과도에서는 이 값이 8배 감소하는 반면 1,000,000을 초과하는 분해능력은 3초 [8]과도에서 입증되었습니다.

Orbitrap 분석기는 선형 이온 트랩(LTQ Orbitrap 기기 제품군), 4극 질량 필터(Q Exactive 제품군) 또는 이온 소스(Thermo Fisher Scientific에서 판매하는 정확한 기기)에 직접 연결할 수 있습니다.또한 C-트랩에 고에너지 충돌 셀을 부가할 수 있으며,[9] C-트랩의 배면에는 전자전달 해리가 추가된다.중간 압력 MALDI 선원도 사용할 수 있지만, 이러한 기기의 대부분은 대기압 이온 선원을 가지고 있다(MALDI LTQ Orbitrap).이 모든 계측기는 높은 질량 정확도(외부 교정기의 경우 2-3ppm 미만, 내부 교정기의 경우 1-2ppm 미만), 높은 분해능(m/z 400의 경우 최대 240,000), 높은 동적 범위 및 [5][6]높은 감도를 제공합니다.

적용들

오비탈랩 기반 질량 분석기는 단백질학에서[7][10] 사용되며 신진대사, 대사, 환경,[11] 식품 및 안전 [12]분석과 같은 생명과학 질량 분석에서도 사용됩니다.가스 크로마토그래피[13] 및 주변 이온화 방법에도 사용되지만, 대부분은 액체 크로마토그래피 [11]분리에 대한 인터페이스이다.그것들은 또한 동위원소적으로 치환된 분자종의 [14]분자 구조를 결정하는 데 사용되어 왔다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b c d Makarov, A (2000). "Electrostatic axially harmonic orbital trapping: A high-performance technique of mass analysis". Analytical Chemistry. 72 (6): 1156–62. doi:10.1021/ac991131p. PMID 10740853.
  2. ^ Hu, Q; Noll, RJ; Li, H; Makarov, A; Hardman, M; Graham Cooks, R (2005). "The Orbitrap: a new mass spectrometer". Journal of Mass Spectrometry. 40 (4): 430–43. Bibcode:2005JMSp...40..430H. doi:10.1002/jms.856. PMID 15838939.
  3. ^ Kingdon KH (1923). "A Method for the Neutralization of Electron Space Charge by Positive Ionization at Very Low Gas Pressures". Physical Review. 21 (4): 408–418. Bibcode:1923PhRv...21..408K. doi:10.1103/PhysRev.21.408.
  4. ^ Knight, R. D. (1981). "Storage of ions from laser-produced plasmas". Applied Physics Letters. 38 (4): 221–223. Bibcode:1981ApPhL..38..221K. doi:10.1063/1.92315. Archived from the original on 22 December 2015. Retrieved 2007-11-30.
  5. ^ a b Makarov, A; Denisov, E; Kholomeev, A; Balschun, W; Lange, O; Strupat, K; Horning, S (2006). "Performance evaluation of a hybrid linear ion trap/orbitrap mass spectrometer". Anal. Chem. 78 (7): 2113–20. doi:10.1021/ac0518811. PMID 16579588.
  6. ^ a b Makarov, A; Denisov, E; Lange, O; Horning, S (2006). "Dynamic range of mass accuracy in LTQ Orbitrap hybrid mass spectrometer". J. Am. Soc. Mass Spectrom. 17 (7): 977–82. doi:10.1016/j.jasms.2006.03.006. PMID 16750636.
  7. ^ a b Perry, R.; Cooks, G.; Noll, R. (2008). "Orbitrap mass spectrometry: Instrumentation, ion motion and applications". Mass Spectrometry Reviews. 27 (6): 661–699. Bibcode:2008MSRv...27..661P. doi:10.1002/mas.20186. PMID 18683895.
  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" (PDF). Thermo Fisher Scientific. Bremen, Germany. Retrieved 3 October 2020.
  9. ^ McAlister, G.; Berggren, W.; Griep-Raming, J.; Horning, S.; Makarov, A.; Phanstiel, D.; Stafford, G.; Swaney, D.; Syka, J.; Zabrouskov, V; Coon, J. (2008). "Proteomics Grade Electron Transfer Dissociation-Enabled Hybrid Linear Ion Trap-Orbitrap Mass Spectrometer". J. Proteome Res. 7 (8): 3127–3136. doi:10.1021/pr800264t. PMC 2601597. PMID 18613715.
  10. ^ Scigelova, M; Makarov, A (2006). "Orbitrap mass analyzer - overview and applications in proteomics". Proteomics. 6: 16–21. doi:10.1002/pmic.200600528. PMID 17031791.
  11. ^ a b Wang, Jian; Gardinali, Piero R. (July 2014). "Identification of phase II pharmaceutical metabolites in reclaimed water using high resolution benchtop Orbitrap mass spectrometry". Chemosphere. 107: 65–73. Bibcode:2014Chmsp.107...65W. doi:10.1016/j.chemosphere.2014.03.021. PMID 24875872.
  12. ^ Makarov, A.; Scigelova, M. (2010). "Coupling liquid chromatography to Orbitrap mass spectrometry" (PDF). J. Chromatogr. A. 1217 (25): 3938–3945. doi:10.1016/j.chroma.2010.02.022. PMID 20299023.
  13. ^ Peterson, A.; McAlister, G.; Quarmby, S.; Griep-Raming, J.; Coon, J. (2010). "Development and Characterization of a GC-Enabled QLT-Orbitrap for High-Resolution and High-Mass Accuracy GC/MS"". Analytical Chemistry. 82 (20): 8618–8628. doi:10.1021/ac101757m. PMID 20815337.
  14. ^ Eiler, J.; Cesar, J.; Chimiak, L.; et al. (2017). "Analysis of molecular isotopic structures at high precision and accuracy by Orbitrap mass spectrometry". International Journal of Mass Spectrometry. 422: 126–142. doi:10.1016/j.ijms.2017.10.002.

외부 링크

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