أوربيتراب

الموسوعة الحرة

نص
مسارات الأيونات في مطياف الكتلة أوربيتراب

في مطيافية الكتلة ، يُعدّ جهاز أوربيتراب محلل كتلة أيوني يتكون من قطب كهربائي خارجي أسطواني الشكل وقطب كهربائي داخلي محوري مغزلي الشكل، حيث يقوم هذا القطب بحصر الأيونات في حركة مدارية حول المغزل. [ 1 ] [ 2 ] يتم الكشف عن تيار الصورة الناتج عن الأيونات المحصورة وتحويله إلى طيف كتلة باستخدام تحويل فورييه في المجال الزمني للتردد التوافقي لإنشاء إشارة ترددية تُحوّل بدورها إلى كتلة.

تاريخ

طُوِّر مفهوم حصر الأيونات كهربائيًا في مدار حول محور مركزي على يد كينيث هاي كينغدون في أوائل عشرينيات القرن العشرين. [ 3 ] يتكون مصيدة كينغدون من سلك مركزي رفيع وقطب كهربائي أسطواني خارجي. ويؤدي تطبيق جهد ثابت إلى جهد لوغاريتمي شعاعي بين القطبين. في عام 1981، قدم نايت قطبًا كهربائيًا خارجيًا مُعدَّلًا يتضمن حدًا رباعي الأقطاب محوريًا يحصر الأيونات على محور المصيدة. [ 4 ] لم يُبلَّغ عن إنتاج أطياف كتلة باستخدام أيٍّ من تصميمي كينغدون أو نايت.

في عام 1986، طوّر البروفيسور يوري كونستانتينوفيتش غوليكوف في الاتحاد السوفيتي نظرية حركة الأيونات في جهد رباعي لوغاريتمي، وقدّم طلبات براءات اختراع في الاتحاد السوفيتي لاستخدامها في محلل زمن الطيران. وقد وضع غوليكوف، الذي كان يقود فريقًا في كلية الفيزياء الإشعاعية بجامعة سانت بطرسبرغ الحكومية التربوية، الأساس النظري لتقنية أوربيتراب كأحد المخترعين المذكورين في شهادة المخترعين رقم 1247973 الصادرة عن الاتحاد السوفيتي عام 1986. [ 5 ] وصرح غوليكوف لاحقًا: "بناءً على أفكاري، تم بناء أجهزة تحليلية ذات معايير قياسية، ولكن للأسف ليس في روسيا، بل في الخارج." [ 6 ]

خلافًا للاعتقاد السائد، فإن ألكسندر ماكاروف ليس المخترع الأصلي للجهد الرباعي اللوغاريتمي الذي عُرف منذ خمسينيات القرن العشرين. [ 7 ] وبالعودة إلى لقاءاته الأولى مع غوليكوف، يتذكر ألكسندر ماكاروف قائلًا: "عندما كنت طالبًا في السنة الخامسة في معهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا، دخلتُ إحدى قاعات المعهد العديدة، حيث استقبلني يوري كونستانتينوفيتش غوليكوف. كنتُ أحمل معي مقتطفات (لم تكن النسخ المصورة متوفرة بكثرة آنذاك) من شهادة المؤلف رقم 1247973 الصادرة عن الاتحاد السوفيتي، والتي أشرتُ إليها في جميع أعمالي المتعلقة بجهاز تحليل أوربيتراب™ منذ ذلك الحين." [ 6 ] [ 8 ]

تطلبت جهود ألكسندر ماكاروف في تسويق محلل أوربيتراب في نهاية التسعينيات [ 1 ] عددًا من الابتكارات مثل الكشف عن تيار الصورة، [ 9 ] مصيدة C لحقن الأيونات، [ 10 ] وتحسينات تكنولوجية أخرى أدت إلى طرح هذا المحلل تجاريًا من قبل شركة Thermo Fisher Scientific كجزء من جهاز LTQ Orbitrap الهجين في عام 2005. [ 11 ] [ 12 ]

مبدأ التشغيل

نص
مقطع عرضي لمحلل C-trap و Orbitrap (لم يتم عرض بصريات الأيونات والضخ التفاضلي). تدخل حزمة الأيونات إلى المحلل أثناء ارتفاع الجهد وتشكل حلقات تحث تيارًا يتم اكتشافه بواسطة المضخم.

نصب الفخاخ

في جهاز أوربيتراب، تُحصر الأيونات لأن جاذبيتها الكهروستاتيكية للقطب الداخلي تتوازن مع قصورها الذاتي. وبالتالي، تدور الأيونات حول القطب الداخلي في مسارات بيضاوية. إضافةً إلى ذلك، تتحرك الأيونات ذهابًا وإيابًا على طول محور القطب المركزي، بحيث تشبه مساراتها في الفضاء الحلزونات. نظرًا لخصائص الجهد الرباعي اللوغاريتمي، [ 1 ] فإن حركتها المحورية توافقية ، أي أنها مستقلة تمامًا ليس فقط عن الحركة حول القطب الداخلي ، بل أيضًا عن جميع المعاملات الأولية للأيونات باستثناء نسب الكتلة إلى الشحنة m/z . ترددها الزاوي هو: ω = √k /( m / z ) ، حيث k هو ثابت قوة الجهد، وهو مشابه لثابت الزنبرك .

حقن

لحقن الأيونات من مصدر أيوني خارجي، يُخفَّض المجال الكهربائي بين الأقطاب أولًا. ومع حقن حزم الأيونات بشكل مماس في المجال، يزداد المجال الكهربائي تدريجيًا بزيادة الجهد على القطب الداخلي. تُضغط الأيونات باتجاه القطب الداخلي حتى تصل إلى المسار المطلوب داخل المصيدة. عندئذٍ، يتوقف رفع الجهد، ويصبح المجال ثابتًا، ويمكن بدء عملية الكشف. تحتوي كل حزمة على عدد كبير من الأيونات ذات سرعات مختلفة موزعة على حجم معين. تتحرك هذه الأيونات بترددات دورانية مختلفة، ولكن بنفس التردد المحوري. هذا يعني أن الأيونات ذات نسبة كتلة إلى شحنة محددة تنتشر في حلقات تتذبذب على طول المحور الداخلي.

تم إثبات مبدأ هذه التقنية باستخدام الحقن المباشر للأيونات من مصدر أيونات خارجي يعمل بتقنية التأين بالليزر والتحليل الطيفي. [ 1 ] تعمل هذه الطريقة بكفاءة مع المصادر النبضية مثل MALDI، ولكن لا يمكن ربطها بمصادر الأيونات المستمرة مثل الرش الكهروستاتيكي .

تستخدم جميع أجهزة قياس الطيف الكتلي التجارية من نوع أوربيتراب مصيدة خطية منحنية لحقن الأيونات ( مصيدة C ). ومن خلال خفض جهد الترددات الراديوية للحصر بسرعة وتطبيق تدرجات التيار المستمر عبر مصيدة C، يمكن تجميع الأيونات في حزم قصيرة مماثلة لتلك الصادرة من مصدر أيونات الليزر. وتُدمج مصيدة C بشكل محكم مع المحلل، وبصريات الحقن، ونظام الضخ التفاضلي.

الإثارة

من حيث المبدأ، يمكن إثارة التذبذبات المحورية المتماسكة لحلقات الأيونات بتطبيق موجات ترددات راديوية على القطب الخارجي، كما هو موضح في المرجع [ 13 ] والمراجع المذكورة فيه. مع ذلك، إذا تم حقن حزم الأيونات بعيدًا عن أدنى قيمة للجهد المحوري (والتي تتوافق مع الجزء الأكثر سمكًا من أي من القطبين)، فإن ذلك يُحفز تذبذباتها المحورية تلقائيًا، مما يُلغي الحاجة إلى أي إثارة إضافية. علاوة على ذلك، يسمح غياب الإثارة الإضافية ببدء عملية الكشف بمجرد أن تستعيد إلكترونيات الكشف قدرتها على استيعاب زيادة الجهد اللازمة لحقن الأيونات.

كشف

نص
قطع من محلل أوربيتراب قياسي (أعلى) ومحلل عالي المجال (أسفل)

تُكتشف التذبذبات المحورية لحلقات الأيونات بواسطة تيار الصورة المُستحث على القطب الخارجي، والذي يُقسّم إلى مستشعري التقاط متناظرين متصلين بمضخم تفاضلي. وبمعالجة البيانات بطريقة مشابهة لتلك المستخدمة في مطيافية الكتلة بالرنين السيكلوتروني الأيوني بتحويل فورييه (FTICR-MS) ، يُمكن استخدام المصيدة كمحلل للكتلة. وكما هو الحال في FTICR-MS، تُكتشف جميع الأيونات في وقت واحد خلال فترة زمنية محددة، ويمكن تحسين الدقة بزيادة شدة المجال أو بزيادة فترة الكشف. ويختلف جهاز Orbitrap عن FTICR-MS في غياب المجال المغناطيسي، وبالتالي يتميز بانخفاض أبطأ بكثير في قدرة الفصل مع زيادة نسبة الكتلة إلى الشحنة (m/z) .

المتغيرات

أوربيتراب LTQ
أوربيتراب LTQ

يتوفر محلل أوربيتراب حاليًا بنوعين: مصيدة قياسية ومصيدة مدمجة عالية المجال. في المصائد العملية، يُثبَّت القطب الخارجي عند جهد أرضي افتراضي ، ويُطبَّق جهد 3.5 أو 5 كيلوفولت على القطب الداخلي فقط. ونتيجةً لذلك، تتراوح قدرة الفصل عند نسبة الكتلة إلى الشحنة 400 وزمن الكشف 768 مللي ثانية من 60,000 للمصيدة القياسية عند 3.5 كيلوفولت إلى 280,000 للمصيدة عالية المجال عند 5 كيلوفولت مع معالجة محسَّنة بتقنية فورييه التحويلية. وكما هو الحال في مطياف الكتلة بالرنين الأيوني السيكلوتروني بتحويل فورييه، تتناسب قدرة الفصل في أوربيتراب طرديًا مع عدد التذبذبات التوافقية للأيونات؛ وبالتالي، تتناسب قدرة الفصل عكسيًا مع الجذر التربيعي لنسبة الكتلة إلى الشحنة، وتتناسب طرديًا مع زمن الاكتساب. على سبيل المثال، تتضاعف القيم المذكورة أعلاه عند m/z 100 وتنخفض إلى النصف عند m/z 1600. أما بالنسبة لأقصر فترة عابرة تبلغ 96 مللي ثانية، فتنخفض هذه القيم بمقدار 8 أضعاف، في حين تم إثبات قدرة تحليلية تتجاوز 1,000,000 في فترات عابرة مدتها 3 ثوانٍ. [ 14 ]

يمكن ربط محلل Orbitrap بمصيدة أيونية خطية (أجهزة عائلة LTQ Orbitrap)، أو مرشح كتلة رباعي الأقطاب (أجهزة عائلة Q Exactive)، أو مباشرةً بمصدر أيوني (جهاز Exactive، جميعها من تسويق شركة Thermo Fisher Scientific ). إضافةً إلى ذلك، يمكن إلحاق خلية تصادم عالية الطاقة بمصيدة الأيونات، مع إمكانية إضافة تفكك نقل الإلكترون في الجزء الخلفي منها. [ 15 ] تحتوي معظم هذه الأجهزة على مصادر أيونية تعمل بالضغط الجوي، مع إمكانية استخدام مصدر MALDI متوسط ​​الضغط (MALDI LTQ Orbitrap). توفر جميع هذه الأجهزة دقة كتلة عالية (أقل من 2-3 جزء في المليون مع معاير خارجي، وأقل من 1-2 جزء في المليون مع معاير داخلي)، وقدرة فصل عالية (تصل إلى 240,000 عند m/z 400)، ونطاق ديناميكي واسع، وحساسية عالية. [ 11 ] [ 12 ]

التطبيقات

تُستخدم مطيافات الكتلة القائمة على تقنية أوربيتراب في علم البروتينات [ 13 ] [ 16 ] ، كما تُستخدم في مطيافية الكتلة في علوم الحياة ، مثل الأيض ، وعلم الأيض [ 17 ] ، والتحليل البيئي [ 18 ] ، وتحليل سلامة الأغذية [ 19 ] . معظم هذه المطيافات مُرتبطة بفصل الكروماتوغرافيا السائلة [ 18 ] ، على الرغم من استخدامها أيضًا مع كروماتوغرافيا الغاز [ 20 ] ، وطرق التأين الثانوي [ 21 ] ، وطرق التأين المحيطي . كما استُخدمت مطيافات الكتلة أوربيتراب لتحديد نسب النظائر الكلية والموضعية عند وفرتها الطبيعية [ 22 ] .

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 4 ماكاروف أ (مارس 2000). "الاحتجاز المداري التوافقي المحوري الكهروستاتيكي: تقنية عالية الأداء لتحليل الكتلة". الكيمياء التحليلية . 72 (6): 1156-1162 . doi : 10.1021/ac991131p . PMID 10740853 . 
  2. ↑ هو كيو، نول آر جيه، لي إتش، ماكاروف إيه، هاردمان إم، غراهام كوكس آر (أبريل 2005). "الأوربيتراب: مطياف كتلة جديد". مجلة مطياف الكتلة . 40 (4): 430-443 . Bibcode : 2005JMSp...40..430H . doi : 10.1002/jms.856 . PMID 15838939 . 
  3. ↑ كينغدون، ك. هـ. (1923). "طريقة لمعادلة الشحنة الفضائية للإلكترون عن طريق التأين الموجب عند ضغوط غاز منخفضة للغاية". مجلة Physical Review ، 21 (4): 408-418 . Bibcode : 1923PhRv...21..408K . doi : 10.1103/PhysRev.21.408 .
  4. ↑ نايت، آر. دي. (1981). "تخزين الأيونات من البلازما المُنتَجة بالليزر" . رسائل الفيزياء التطبيقية . 38 (4): 221-223 . رمز Bibcode : 1981ApPhL..38..221K . doi : 10.1063/1.92315 . مؤرشف من الأصل في 22 ديسمبر 2015. تم الاسترجاع في 30 نوفمبر 2007 .
  5. ↑ https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/021157361/publication/SU1247973A1?q=Su1247973
  6. 1 2 ماكاروف أ (2005). "Памяти проfeссора Голикова Юriya Konstantinovича" [ في ذكرى البروفيسور جوليكوف يوري كونستانتينوفيتش ] (PDF) . iiras.ru (بالروسية) . تم الاسترجاع 2023-10-13 .
  7. ↑ https://m.mathnet.ru/php/archive.phtml?wshow=paper&jrnid=dan&paperid=21839&option_lang=eng
  8. ↑ ماكاروف أ، سكيجيلوفا م (ديسمبر 2014). "محلل الكتلة أوربيتراب: نظرة عامة وتطبيقات في علم البروتينات" . سلايدسيرف.
  9. ↑ https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/010772277/publication/US5886346A?q=Makarov%20us5886346
  10. ↑ https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/026245890/publication/WO02078046A2?q=Wo02078046
  11. 1 2 ماكاروف أ، دينيسوف إي، خولوميف أ، بالشون و، لانج أو، ستروبات ك، وآخرون . (أبريل 2006). "تقييم أداء مطياف الكتلة الهجين ذي المصيدة الأيونية الخطية/المصيدة المدارية". الكيمياء التحليلية . 78 (7): 2113-2120 . doi : 10.1021/ac0518811 . PMID 16579588 .  
  12. 1 2 ماكاروف أ، دينيسوف إي، لانج أو، هورنينج إس (يوليو 2006). "النطاق الديناميكي لدقة الكتلة في مطياف الكتلة الهجين LTQ Orbitrap" . مجلة الجمعية الأمريكية لعلم قياس الطيف الكتلي . 17 (7): 977-982 . doi : 10.1016/j.jasms.2006.03.006 . PMID 16750636 . 
  13. 1 2 بيري، آر إتش، كوكس، آر جي، نول، آر جيه (2008). "مطيافية الكتلة أوربيتراب: الأجهزة، حركة الأيونات، والتطبيقات". مراجعات مطيافية الكتلة . 27 (6): 661-699 . Bibcode : 2008MSRv...27..661P . doi : 10.1002/mas.20186 . PMID 18683895 . 
  14. ↑ دينيسوف إي، داموك إي، ماكاروف أ، لانج أو. "مطيافية الكتلة أوربيتراب بقدرات فصل تتجاوز 500,000 و1,000,000 على مقياس زمني كروماتوغرافي" (ملف PDF) . شركة ثيرمو فيشر ساينتيفيك . بريمن، ألمانيا . تاريخ الاسترجاع: 3 أكتوبر 2020 .
  15. ↑ ماكاليستر جي سي، بيرغرين دبليو تي، غريب-رامينغ جيه، هورنينغ إس، ماكاروف إيه، فانستيل دي، وآخرون . (أغسطس 2008). "مطياف كتلة هجين من نوع مصيدة أيونية خطية-أوربيتراب، مزود بتقنية تفكك نقل الإلكترون، مناسب لتحليل البروتينات" . مجلة أبحاث البروتينات . 7 (8): 3127-3136 . doi : 10.1021/pr800264t . PMC 2601597. PMID 18613715 .   
  16. ↑ سكيجيلوفا م، ماكاروف أ (سبتمبر 2006). "محلل الكتلة أوربيتراب - نظرة عامة وتطبيقات في علم البروتينات". علم البروتينات . 6 (ملحق 2): 16-21 . doi : 10.1002/pmic.200600528 . PMID 17031791. S2CID 12774202 .  
  17. ↑ لو و، كلاسكوين إم إف، ميلامود إي، أمادور-نوغيز دي، كودي إيه إيه، رابينوفيتز جيه دي (أبريل 2010). " التحليل الأيضي باستخدام كروماتوغرافيا السائل ذات الطور العكسي المقترنة بالأيونات والمقترنة بجهاز مطياف الكتلة المداري المستقل" . الكيمياء التحليلية . 82 (8): 3212-3221 . doi : 10.1021/ac902837x . PMC 2863137. PMID 20349993 .  
  18. 1 2 وانغ جيه، غاردينالي بي آر (يوليو 2014). "تحديد مستقلبات الأدوية من المرحلة الثانية في المياه المُستصلحة باستخدام مطياف الكتلة عالي الدقة من نوع أوربيتراب". كيموسفير . 107 : 65-73 . Bibcode : 2014Chmsp.107...65W . doi : 10.1016/j.chemosphere.2014.03.021 . PMID 24875872 . 
  19. ↑ ماكاروف أ، سكيجيلوفا م (يونيو 2010). "ربط كروماتوغرافيا السائل بقياس الطيف الكتلي أوربيتراب" . مجلة الكروماتوغرافيا أ . 1217 (25): 3938-3945 . doi : 10.1016/j.chroma.2010.02.022 . PMID 20299023 . 
  20. ↑ بيترسون إيه سي، ماكاليستر جي سي، كوارمبي إس تي، غريب-رامينغ جيه، كون جيه جيه (أكتوبر 2010). "تطوير وتوصيف جهاز كروماتوغرافيا الغاز QLT-Orbitrap المُزوّد ​​بتقنية كروماتوغرافيا الغاز للحصول على دقة عالية في التحليل الكروماتوغرافي الغازي/مطياف الكتلة". الكيمياء التحليلية . 82 (20): 8618-8628 . doi : 10.1021/ac101757m . PMID 20815337 . 
  21. ↑ باساريلي إم كيه، بيركل إيه، مولرز آر، غرينفيلد دي، كولمر إف، هافيلوند آر، وآخرون . (ديسمبر 2017). "التصوير الأيضي ثلاثي الأبعاد بتقنية OrbiSIMS بدون استخدام علامات، بدقة مكانية دون خلوية وقدرة عالية على فصل الكتلة" (ملف PDF) . مجلة Nature Methods . 14 (12): 1175-1183 . doi : 10.1038/nmeth.4504 . PMID 29131162. S2CID 54550356 .   
  22. ↑ إيلر ج، سيزار ج، تشيمياك ل، دالاس ب، غريس ك، غريب-رامينغ ج، وآخرون (2017). "تحليل البنى النظائرية الجزيئية بدقة عالية باستخدام مطياف الكتلة أوربيتراب" . المجلة الدولية لمطياف الكتلة . 422 : 126-142 . Bibcode : 2017IJMSp.422..126E . doi : 10.1016/j.ijms.2017.10.002 .