ऑर्बिट्रैप

द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री में, ऑर्बिट्रैप आयन ट्रैप द्रव्यमान विश्लेषक है, जिसमें बाहरी बैरल जैसा इलेक्ट्रोड और समाक्षीय आंतरिक स्पिंडल जैसा इलेक्ट्रोड होता है, जो स्पिंडल के चारों ओर कक्षीय गति में आयनों को ट्रैप करता है। ट्रैप आयनों से छवि धारा का पता लगाया जाता है और आवृत्ति सिग्नल के फूरियर रूपांतरण का उपयोग करके द्रव्यमान स्पेक्ट्रम में परिवर्तित किया जाता है।

इतिहास
केंद्रीय धुरी के चारों ओर एक कक्षा में इलेक्ट्रोस्टैटिक रूप से आयनों को ट्रैप करने की अवधारणा 1920 के दशक के प्रारंभ में केनेथ हे किंग्डन द्वारा विकसित की गई थी। किंग्डन ट्रैप में पतला केंद्रीय तार और बाहरी बेलनाकार इलेक्ट्रोड होता है। स्थिर प्रयुक्त वोल्टेज के परिणामस्वरूप इलेक्ट्रोड के बीच रेडियल लॉगरिदमिक क्षमता उत्पन्न होती है। 1981 में, नाइट ने संशोधित बाहरी इलेक्ट्रोड प्रस्तुत किया जिसमें अक्षीय चतुर्भुज शब्द सम्मिलित था, जो ट्रैप अक्ष पर आयनों को सीमित करता है। बड़े पैमाने पर स्पेक्ट्रा का उत्पादन करने के लिए न तो किंग्डन और न ही नाइट कॉन्फ़िगरेशन की सूचना दी गई थी।

1990 के दशक के अंत में अलेक्जेंडर अलेक्सेयेविच मकारोव द्वारा ऑर्बिट्रैप विश्लेषक का आविष्कार और इसके सिद्धांत का प्रमाण प्रौद्योगिकी संशोधनों का क्रम प्रारंभ किया, जिसके परिणामस्वरूप 2005 में हाइब्रिड एलटीक्यू ऑर्बिट्रैप उपकरण के भाग के रूप में थर्मो फिशर वैज्ञानिक द्वारा इस विश्लेषक की व्यावसायिक प्रारंभ हुई।

ट्रैपिंग
ऑर्बिट्रैप में, आयन फंस जाते हैं क्योंकि आंतरिक इलेक्ट्रोड के प्रति उनका इलेक्ट्रोस्टैटिक आकर्षण उनकी जड़ता से संतुलित होता है। इस प्रकार, आयन अण्डाकार प्रक्षेप पथ पर आंतरिक इलेक्ट्रोड के चारों ओर चक्र बनाते हैं। इसके अतिरिक्त, आयन केंद्रीय इलेक्ट्रोड की धुरी के साथ आगे और पीछे भी चलते हैं जिससे अंतरिक्ष में उनके प्रक्षेप पथ हेलीकॉप्टर के समान हों। चतुष्कोणीय विभव के गुणों के कारण, उनकी अक्षीय गति हार्मोनिक है, अर्थात् यह न केवल आंतरिक इलेक्ट्रोड के चारों ओर गति से बल्कि उनके द्रव्यमान-से-आवेश अनुपात m/z को छोड़कर आयनों के सभी प्रारंभिक मापदंडों से भी पूरी तरह से स्वतंत्र है। इसकी कोणीय आवृत्ति: ω = $\sqrt{k/(m/z)}$ है, जहां k स्प्रिंग स्थिरांक के समान, क्षमता का बल स्थिरांक है।

इंजेक्शन
बाहरी आयन स्रोत से आयनों को इंजेक्ट करने के लिए, इलेक्ट्रोड के बीच का क्षेत्र पहले कम किया जाता है। जैसे ही आयन पैकेट को क्षेत्र में स्पर्शरेखा से इंजेक्ट किया जाता है, आंतरिक इलेक्ट्रोड पर वोल्टेज बढ़ाकर विद्युत क्षेत्र को बढ़ाया जाता है। आयन आंतरिक इलेक्ट्रोड की ओर तब तक सिकुड़ते रहते हैं, जब तक वे ट्रैप के अंदर वांछित कक्षा तक नहीं पहुंच जाते। उस क्षण रैंपिंग बंद हो जाती है, फ़ील्ड स्थिर हो जाती है, और पता लगाना प्रारंभ हो सकता है।

प्रत्येक पैकेट में निश्चित आयतन में फैले विभिन्न वेगों के अनेक आयन होते हैं। ये आयन विभिन्न घूर्णी आवृत्तियों के साथ लेकिन समान अक्षीय आवृत्ति के साथ चलते हैं। इसका अर्थ यह है कि विशिष्ट द्रव्यमान-से-आवेश अनुपात के आयन छल्ले में फैलते हैं, जो आंतरिक धुरी के साथ दोलन करते हैं।

प्रौद्योगिकी के सिद्धांत का प्रमाण बाहरी लेजर डिसोर्प्शन और आयनीकरण आयन स्रोत से आयनों के प्रत्यक्ष इंजेक्शन का उपयोग करके किया गया था। इंजेक्शन की यह विधि एमएएलडीआई जैसे स्पंदित स्रोतों के साथ अच्छी तरह से कार्य करती है, लेकिन इसे इलेक्ट्रोस्प्रे जैसे निरंतर आयन स्रोतों से नहीं जोड़ा जा सकता है।

सभी वाणिज्यिक ऑर्बिट्रैप द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर आयन इंजेक्शन (C-ट्रैप) के लिए घुमावदार रैखिक ट्रैप का उपयोग करते हैं। तेजी से ट्रैपिंग आरएफ वोल्टेज को कम करके और C-ट्रैप में डीसी ग्रेडिएंट प्रयुक्त करके, आयनों को लेजर आयन स्रोत के समान छोटे पैकेट में बांटा जा सकता है। C-ट्रैप को विश्लेषक, इंजेक्शन ऑप्टिक्स और डिफरेंशियल पंपिंग के साथ कसकर एकीकृत किया गया है।

उत्तेजना
सिद्धांत रूप में, आयन रिंगों के सुसंगत अक्षीय दोलनों को बाहरी इलेक्ट्रोड पर आरएफ तरंगों को प्रयुक्त करके उत्तेजित किया जा सकता है जैसा कि इसमें दिखाया गया है और इसमें संदर्भ दिए गए हैं। चूँकि, यदि आयन पैकेट को न्यूनतम अक्षीय क्षमता (जो कि इलेक्ट्रोड के सबसे मोटे हिस्से से मेल खाती है) से दूर इंजेक्ट किया जाता है, तो यह स्वचालित रूप से उनके अक्षीय दोलनों को प्रारंभ करता है, जिससे किसी भी अतिरिक्त उत्तेजना की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। इसके अतिरिक्त, जैसे ही पता लगाने वाले इलेक्ट्रॉनिक्स आयन इंजेक्शन के लिए आवश्यक वोल्टेज रैंप से ठीक हो जाते हैं, वैसे ही अतिरिक्त उत्तेजना की अनुपस्थिति से पता लगाने की प्रक्रिया प्रारंभ हो जाती है।

पहचान
आयन रिंगों के अक्षीय दोलनों का पता बाहरी इलेक्ट्रोड पर प्रेरित उनकी छवि धारा द्वारा लगाया जाता है जो अंतर एम्पलीफायर से जुड़े दो सममित पिक-अप सेंसर में विभाजित होता है। फूरियर-ट्रांसफॉर्म आयन साइक्लोट्रॉन रेज़ोनेंस (द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री) (एफटीआईसीआर-एमएस) में उपयोग किए जाने वाली विधियों के समान डेटा को संसाधित करके, ट्रैप का उपयोग द्रव्यमान विश्लेषक के रूप में किया जा सकता है। एफटीआईसीआर-एमएस की तरह, कुछ निश्चित अवधि में सभी आयनों का एक साथ पता लगाया जाता है और क्षेत्र की शक्ति बढ़ाकर या पता लगाने की अवधि बढ़ाकर रिज़ॉल्यूशन में संशोधन किया जा सकता है। ऑर्बिट्रैप चुंबकीय क्षेत्र की अनुपस्थिति के कारण एफटीआईसीआर-एमएस से भिन्न होता है और इसलिए m/z में वृद्धि के साथ रिज़ॉल्यूशन (द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री) में अत्यधिक धीमी कमी होती है।

वेरिएंट
वर्तमान में ऑर्बिट्रैप विश्लेषक दो प्रकारों में उपलब्ध है: मानक ट्रैप और कॉम्पैक्ट हाई-फील्ड ट्रैप। व्यावहारिक ट्रैप में, बाहरी इलेक्ट्रोड को आभासी सतह पर बनाए रखा जाता है और 3.5 या 5 Kv का वोल्टेज केवल आंतरिक इलेक्ट्रोड पर लगाया जाता है। परिणामस्वरूप, m/z 400 और 768 ms डिटेक्शन समय पर रिज़ॉल्यूशन पावर 3.5 Kv पर मानक ट्रैप के लिए 60,000 से लेकर 5 Kv पर उच्च-क्षेत्र ट्रैप के लिए 280,000 तक और उन्नत एफटी प्रसंस्करण के साथ हो सकती है। एफटीआईसीआर-एमएस की तरह ऑर्बिट्रैप विभेदन शक्ति आयनों के हार्मोनिक दोलनों की संख्या के समानुपाती होती है; परिणामस्वरूप, समाधान शक्ति m/z के वर्गमूल के व्युत्क्रमानुपाती और अधिग्रहण समय के समानुपाती होती है। उदाहरण के लिए, उपरोक्त मान m/z 100 के लिए दोगुना हो जाएगा और m/z 1600 के लिए आधा हो जाएगा। 96 ms के सबसे छोटे क्षणिक के लिए ये मान 8 गुना कम हो जाएंगे, जबकि 3-सेकंड के क्षणिक में 1,000,000 से अधिक की समाधान शक्ति का प्रदर्शन किया गया है।

ऑर्बिट्रैप विश्लेषक को रैखिक आयन ट्रैप (एलटीक्यू ऑर्बिट्रैप परिवार के उपकरणों), क्वाड्रुपोल द्रव्यमान फिल्टर (क्यू एक्सएक्टिव परिवार) या सीधे आयन स्रोत (एक्सएक्टिव उपकरण, सभी थर्मो फिशर साइंटिफिक द्वारा विपणन) से जोड़ा जा सकता है। इसके अतिरिक्त, उच्च-ऊर्जा टकराव सेल को C-ट्रैप में जोड़ा जा सकता है, इसके पीछे इलेक्ट्रॉन-स्थानांतरण पृथक्करण को और जोड़ा जा सकता है। इनमें से अधिकांश उपकरणों में वायुमंडलीय दबाव आयन स्रोत होते हैं, चूँकि मध्यवर्ती दबाव एमएएलडीआई स्रोत (एमएएलडीआई एलटीक्यू ऑर्बिट्रैप) का भी उपयोग किया जा सकता है।

ये सभी उपकरण उच्च द्रव्यमान स्पष्टता (बाहरी अंशांकन के साथ <2-3 ppm और आंतरिक के साथ <1-2 ppm), उच्च विभेदन शक्ति (m/z 400 पर 240,000 तक), उच्च गतिशील रेंज और उच्च संवेदनशीलता प्रदान करते हैं।

अनुप्रयोग
ऑर्बिट्रैप-आधारित द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग प्रोटिओमिक्स में किया जाता है और जीवन विज्ञान द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री जैसे मेटाबोलॉमिक, मेटाबोलॉमिक्स पर्यावरण, भोजन और सुरक्षा विश्लेषण में भी उपयोग किया जाता है। उनमें से अधिकांश तरल क्रोमाटोग्राफी पृथक्करणों से जुड़े हैं, चूँकि इनका उपयोग गैस क्रोमाटोग्राफी, माध्यमिक आयन द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री और परिवेश आयनीकरण विधियों के साथ भी किया जाता है। उनका उपयोग समस्थानिक रूप से प्रतिस्थापित आणविक प्रजातियों की आणविक संरचनाओं को निर्धारित करने के लिए भी किया गया है।

यह भी देखें

 * फूरियर-रूपांतरण आयन साइक्लोट्रॉन अनुनाद

बाहरी संबंध

 * Purdue University Orbitrap Page