Орбитальная ловушка ионов

В 2005 года появился коммерческий серийный масс-спектрометр, использующий в качестве масс-анализатора орбитальную ловушку ионов. В орбитальной ловушке ионов (английское сокращение Orbitrap), не используется ни магнитные поля, как в масс-спектрометре с двойной фокусировкой или в ионно-циклотронном резонансе, ни радиочастоты, как в квадруполях или квадрупольных ионные ловушках. Этот масс-анализатор базируется на электростатической аксиально-гармонической орбитальной ловушке ионов (рис. 8.13).

Рис. 8.13. Схематическое представление орбитальной ловушки ионов

Орбитальная ионная ловушка использует симметричное статическое электрическое поле между внешним и внутренним электродами специальной формы. Попадающие в поле ионы начинают двигаться по стабильным циклическим траекториям вокруг центрального электрода и одновременно осциллировать вдоль его оси. Хотя радиальная и угловая частоты также зависят от m/z иона, гармоническая осцилляция ионов вдоль оси z не зависит от этих частот. По аналогии с ионно-циклотронным резонансом ион детектируется по наведенному току на внешних электродах. Частоты, соответствующие различным m/z, выделяются с помощью фурье-преобразования, а затем, трансформируются в масс-спектр.

Размеры орбитальной ловушки ионов невелики – диаметр внутреннего электрода в центральной его части 8 мм, а наибольший диаметр внутренней поверхности внешнего электрода – 20 мм. Ионы внутри электростатической орбитальной ловушки двигаются в виде плотного шнура. Для того, чтобы не происходило его рассеяния необходим очень высокий вакуум; он поддерживается внутри орбитальной ловушки на уровне 10^-10 Торр с помощью трех турбомолекулярных насосов.

Отметим несколько достоинств орбитальной ловушки. Во-первых, ее высокое разрешение. Оно достигается благодаря тому, что аксиальная осцилляция не зависит от энергии ионов, а электрическое поле может быть устанавлено с высокой стабильностью. Во-вторых, ловушка характеризуется большей емкостью ионов, что позволяет достигать бóльшей точности измерения массы, более широкого динамического диапазона соотношений величин массы к заряду. В-третьих, орбитальная ловушка легко комбинируется с различными масс-анализаторами. И, наконец, четвертое. Она совместима с непрерывными методами разделения, и, в первую очередь, с колонкой жидкостного хроматографа. Эти достоинства, несомненно, перевешивают недостатки, главным из которых являются очень высокие требования к стабильности электрического питания и относительно небольшое, как у всех ловушек, быстродействие.

Сравнительные характеристики различных масс-анализаторов сведены в Таблицу 8.2. Точность измерения приведена в ppm (от английского parts per million 10^-6). Из нее видно, что два типа масс-анализаторов, использующими фурье-преобразование для получения окончательного вида масс-спектра (масс-спектроскопия циклотронного резонанса и орбитальная ловушка), являются на сегодняшний день рекордсменами по разрешению и точности.

Таблица 8.2. Сравнительное описание возможностей различных типов масс-анализаторов

Анализатор	Обозначение	Точность	Разрешение	Интервал m/z	Скорость сканирования
Квадруполь	Q	100 ppm	4,000	4,000	секунды
Ионная ловушка	IT	100 ppm	4,000	4,000	секунды
Времяпролетная методика	TOF	200 ppm	8,000	>300,000	милисекунды
Ортогональная времяпролетная методика	oTOF	10 ppm	15,000	10,000	милисекунды
Магнитный сектор	B	<5 ppm	30,000	10,000	секунды
Масс-спектрометрия с фурье- преобразованием	FT-MS	<<5 ppm	100,000	10,000	секунды
Квадруполь с времяпролетной методикой	Q-TOF	10 ppm	10,000	10,000	секунды
Орбитальная ловушка	OT	1-3 ppm	100,000	50-2000, 200-4000	менее секунды