Orbitrap - Orbitrap
En espectrometría de masas , Orbitrap es un analizador de masas con trampa de iones que consta de un electrodo externo en forma de barril y un electrodo coaxial interno en forma de eje que atrapa iones en un movimiento orbital alrededor del eje. La corriente de imagen de los iones atrapados se detecta y se convierte en un espectro de masas utilizando la transformada de Fourier de la señal de frecuencia.
Historia
El concepto de atrapar iones electrostáticamente en una órbita alrededor de un eje central fue desarrollado por Kenneth Hay Kingdon a principios de la década de 1920. La trampa Kingdon consta de un alambre central delgado y un electrodo cilíndrico exterior. Un voltaje aplicado estático da como resultado un potencial logarítmico radial entre los electrodos. En 1981, Knight introdujo un electrodo externo modificado que incluía un término cuadrupolo axial que confina los iones en el eje de la trampa. No se informó que las configuraciones Kingdon ni Knight produjeran espectros de masas. La invención del analizador Orbitrap y su prueba de principio por Makarov a finales de la década de 1990 inició una secuencia de mejoras tecnológicas que dieron como resultado la introducción comercial de este analizador por Thermo Fisher Scientific como parte del instrumento híbrido LTQ Orbitrap en 2005.
Principio de funcionamiento
Captura
En el Orbitrap, los iones quedan atrapados porque su atracción electrostática hacia el electrodo interno se equilibra con su inercia. Por lo tanto, los iones giran alrededor del electrodo interno en trayectorias elípticas. Además, los iones también se mueven hacia adelante y hacia atrás a lo largo del eje del electrodo central de modo que sus trayectorias en el espacio se asemejan a hélices. Debido a las propiedades del potencial cuadrilogarítmico, su movimiento axial es armónico , es decir, es completamente independiente no solo del movimiento alrededor del electrodo interno sino también de todos los parámetros iniciales de los iones excepto sus relaciones masa-carga m / z . Su frecuencia angular es: ω = √ k / ( m / z ) , donde k es la constante de fuerza del potencial, similar a la constante del resorte .
Inyección
Para inyectar iones de una fuente de iones externa, primero se reduce el campo entre los electrodos. A medida que los paquetes de iones se inyectan tangencialmente en el campo, el campo eléctrico aumenta aumentando el voltaje en el electrodo interno. Los iones se aprietan hacia el electrodo interno hasta que alcanzan la órbita deseada dentro de la trampa. En ese momento se detiene la rampa, el campo se vuelve estático y puede comenzar la detección. Cada paquete contiene una multitud de iones de diferentes velocidades repartidos en un cierto volumen. Estos iones se mueven con diferentes frecuencias de rotación pero con la misma frecuencia axial. Esto significa que los iones de una relación masa-carga específica se esparcen en anillos que oscilan a lo largo del eje interno.
La prueba de principio de la tecnología se llevó a cabo mediante la inyección directa de iones de una fuente de ionización y desorción láser externa. Este método de inyección funciona bien con fuentes pulsadas como MALDI, pero no se puede conectar a fuentes de iones continuos como la electropulverización .
Todos los espectrómetros de masas Orbitrap comerciales utilizan una trampa lineal curva para inyección de iones ( trampa C ). Al reducir rápidamente los voltajes de RF atrapados y aplicar gradientes de CC a través de la trampa C, los iones se pueden agrupar en paquetes cortos similares a los de la fuente de iones láser. La trampa C está estrechamente integrada con el analizador, la óptica de inyección y el bombeo diferencial.
Excitación
En principio, las oscilaciones axiales coherentes de los anillos de iones podrían excitarse aplicando formas de onda de RF al electrodo exterior como se demuestra en el mismo y en sus referencias. Sin embargo, si los paquetes de iones se inyectan lejos del mínimo del potencial axial (que corresponde a la parte más gruesa de cualquiera de los electrodos), esto inicia automáticamente sus oscilaciones axiales, eliminando la necesidad de cualquier excitación adicional. Además, la ausencia de excitación adicional permite que el proceso de detección comience tan pronto como la electrónica de detección se recupere de la rampa de voltaje necesaria para la inyección de iones.
Detección
Las oscilaciones axiales de los anillos de iones se detectan mediante su corriente de imagen inducida en el electrodo exterior, que se divide en dos sensores captadores simétricos conectados a un amplificador diferencial. Al procesar los datos de una manera similar a la que se usa en la espectrometría de masas por resonancia de ciclotrón de iones por transformada de Fourier (FTICR-MS) , la trampa se puede usar como analizador de masas. Al igual que en FTICR-MS, todos los iones se detectan simultáneamente durante un período de tiempo determinado y la resolución se puede mejorar aumentando la intensidad del campo o aumentando el período de detección. El Orbitrap se diferencia de FTICR-MS por la ausencia de un campo magnético y, por lo tanto, tiene una disminución significativamente más lenta del poder de resolución al aumentar m / z.
Variantes
Actualmente, el analizador Orbitrap existe en dos variantes: una trampa estándar y una trampa compacta de campo alto. En las trampas prácticas, el electrodo exterior se mantiene en tierra virtual y se aplica un voltaje de 3,5 o 5 kV únicamente al electrodo interior. Como resultado, el poder de resolución en m / z 400 y el tiempo de detección de 768 ms puede variar de 60.000 para una trampa estándar a 3,5 kV a 280.000 para una trampa de campo alto a 5 kV y con procesamiento FT mejorado. Como en FTICR -MS, el poder de resolución de Orbitrap es proporcional al número de oscilaciones armónicas de los iones; como resultado, el poder de resolución es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de m / zy proporcional al tiempo de adquisición. Por ejemplo, los valores anteriores se duplicarían para m / z 100 y se reducirían a la mitad para m / z 1600. Para el transitorio más corto de 96 ms, estos valores se reducirían 8 veces, mientras que un poder de resolución superior a 1.000.000 se ha demostrado en 3 -segundos transitorios.
El analizador Orbitrap se puede conectar a una trampa de iones lineal (familia de instrumentos LTQ Orbitrap), un filtro de masa cuadrupolo (familia Q Exactive) o directamente a una fuente de iones (instrumento Exactive, todos comercializados por Thermo Fisher Scientific ). Además, se puede agregar una celda de colisión de mayor energía a la trampa C, con la adición adicional de disociación por transferencia de electrones en su parte posterior. La mayoría de estos instrumentos tienen fuentes de iones a presión atmosférica, aunque también se puede utilizar una fuente MALDI de presión intermedia (MALDI LTQ Orbitrap). Todos estos instrumentos proporcionan una alta precisión de masa (<2-3 ppm con calibrante externo y <1-2 ppm con interno), un alto poder de resolución (hasta 240.000 a m / z 400), un alto rango dinámico y alta sensibilidad. .
Aplicaciones
Los espectrómetros de masas basados en Orbitrap se utilizan en la proteómica y también en la espectrometría de masas de las ciencias de la vida , como el metabolismo , la metabolómica , el análisis medioambiental, de los alimentos y de la seguridad. La mayoría de ellos están interconectados con separaciones por cromatografía líquida , aunque también se utilizan con cromatografía de gases y métodos de ionización ambiental . También se han utilizado para determinar estructuras moleculares de especies moleculares sustituidas isotópicamente.