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 interno coaxial en forma de huso que atrapa iones en un movimiento orbital alrededor del huso. [1] [2] La corriente de imagen de los iones atrapados se detecta y se convierte en un espectro de masas utilizando primero la transformada de Fourier del dominio del tiempo del armónico para crear una señal de frecuencia que se convierte en masa.
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. [3] La trampa de Kingdon consta de un alambre central delgado y un electrodo cilíndrico exterior. Un voltaje estático aplicado da como resultado un potencial logarítmico radial entre los electrodos. En 1981, Knight introdujo un electrodo exterior modificado que incluía un término cuadrupolo axial que confina los iones en el eje de la trampa. [4] Ni la configuración de Kingdon ni la de Knight produjeron espectros de masas.
En 1986, el profesor Yuri Konstantinovich Golikov, de la URSS, desarrolló la teoría del movimiento de iones en potencial cuadrilogarítmico y solicitó patentes en la URSS para su uso en un analizador de tiempo de vuelo. Golikov, que dirigía un equipo en la Facultad de Radiofísica de la Universidad Pedagógica Estatal de San Petersburgo, sentó las bases teóricas para la tecnología Orbitrap como uno de los inventores en el certificado de inventor de la URSS n.º 1247973 en 1986. [5] Golikov comentó más tarde: "Basándonos en mis ideas, se construyeron instrumentos analíticos con parámetros récord, pero desafortunadamente no en Rusia, sino en el extranjero". [6]
Contrariamente a la creencia popular, Alexander Makarov no es el inventor original del potencial cuadrilogarítmico, conocido desde los años 1950. [7] Al reflexionar sobre su interacción temprana con Golikov, Alexander Makarov recordó: "Cuando era estudiante de quinto año en el MIPT, entré en una de las numerosas salas del Instituto Politécnico, donde me recibió Yuri Konstantinovich Golikov. Tenía en la mano extractos (las fotocopias no eran tan accesibles en ese entonces) del certificado de autor URSS № 1247973 al que he hecho referencia en todos mis trabajos sobre el analizador Orbitrap™ desde entonces". [6] [8]
El esfuerzo de Alexander Makarov por comercializar el analizador Orbitrap a finales de los años 1990 [1] requirió una serie de innovaciones como la detección de corriente de imagen, [9] C-trap para inyección de iones, [10] y otras 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. [11] [12]
En el Orbitrap, los iones quedan atrapados porque su atracción electrostática hacia el electrodo interior se equilibra con su inercia. Por tanto, los iones circulan alrededor del electrodo interior en trayectorias elípticas. Además, los iones también se mueven de un lado a otro 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 cuadrologarítmico, [1] su movimiento axial es armónico , es decir, es completamente independiente no solo del movimiento alrededor del electrodo interior 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 de resorte .
Para inyectar iones desde una fuente externa de iones, 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 la tensión en el electrodo interior. Los iones se comprimen hacia el electrodo interior hasta que alcanzan la órbita deseada dentro de la trampa. En ese momento se detiene la variación, el campo se vuelve estático y puede comenzar la detección. Cada paquete contiene una multitud de iones de diferentes velocidades repartidos en un determinado 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 distribuyen en anillos que oscilan a lo largo del huso interior.
Se llevó a cabo una prueba de principio de la tecnología utilizando la inyección directa de iones desde una fuente externa de iones de ionización y desorción por láser. [1] Este método de inyección funciona bien con fuentes pulsadas como MALDI, pero no se puede interconectar con fuentes de iones continuas como la electropulverización .
Todos los espectrómetros de masas Orbitrap comerciales utilizan una trampa lineal curva para la inyección de iones ( trampa C ). Al reducir rápidamente los voltajes de RF de la trampa 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.
En principio, las oscilaciones axiales coherentes de los anillos de iones podrían excitarse aplicando formas de onda de RF al electrodo externo, como se demuestra en [13] y las referencias allí citadas. Sin embargo, si los paquetes de iones se inyectan lejos del mínimo del potencial axial (que corresponde a la parte más gruesa de cada electrodo), 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.
Las oscilaciones axiales de los anillos de iones se detectan mediante la corriente de imagen inducida en el electrodo externo, que se divide en dos sensores de captación simétricos conectados a un amplificador diferencial. Al procesar los datos de una manera similar a la utilizada en la espectrometría de masas por resonancia ciclotrónica de iones por transformada de Fourier (FTICR-MS) , la trampa se puede utilizar como analizador de masas. Al igual que en la 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. La trampa Orbitrap se diferencia de la FTICR-MS por la ausencia de un campo magnético y, por lo tanto, tiene una disminución significativamente más lenta del poder de resolución con el aumento de m/z .
Actualmente, el analizador Orbitrap existe en dos variantes: una trampa estándar y una trampa compacta de alto campo. En las trampas prácticas, el electrodo externo se mantiene en tierra virtual y se aplica un voltaje de 3,5 o 5 kV solo al electrodo interno. Como resultado, el poder de resolución a m/z 400 y un 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 alto campo a 5 kV y con procesamiento FT mejorado. Al igual que 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/z y 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 se ha demostrado un poder de resolución superior a 1.000.000 en transitorios de 3 segundos. [14]
El analizador Orbitrap se puede interconectar con una trampa de iones lineal (familia de instrumentos LTQ Orbitrap), un filtro de masas cuadrupolo (familia Q Exactive) o directamente con una fuente de iones (instrumento Exactive, todos comercializados por Thermo Fisher Scientific ). Además, se puede añadir 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. [15] 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 calibrador 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. [11] [12]
Los espectrómetros de masas basados en orbitrap se utilizan en proteómica [13] [16] y también se utilizan en espectrometría de masas de ciencias de la vida, como el metabolismo , la metabolómica , [17] el medio ambiente, [18] los análisis de alimentos y seguridad. [19] La mayoría de ellos están interconectados con separaciones por cromatografía líquida , [18] aunque también se utilizan con cromatografía de gases , [20] iones secundarios [21] y métodos de ionización ambiental . También se han utilizado para determinar estructuras moleculares de especies moleculares sustituidas isotópicamente. [22]
