Orbitrap

Orbitrap-Massenspektrometer

Eine in der hochauflösenden Massenspektrometrie eingesetzte Ionenfalle, in der Molekül- oder Molekülfragment-Ionen auf einen Orbit um eine zentral gelegene, spindelförmige Elektrode gezwungen werden, auf ihrer Kreisbahn zusätzlich horizontal entlang dieser Elektrode oszillieren, der daraus resultierende (oszillierende) Stromfluss aufgezeichnet und durch sog. Fourier-Transformation mathematisch einem Masse-Ladungs-Verhältnis (m/z) zugeordnet wird.

Dabei bilden Ionen identischer m/z-Verhältnisse individuelle Cluster, die in schmalen Streifen homogen auf ihrer Umlaufbahn verteilt um die Zentralelektrode rotieren (ähnlich den Ringen um den Planeten Saturn). Diese Ringe bewegen sich (oszillieren) zusätzlich in Richtung der Längsachse der Zentralelektrode zwischen zwei Außenelektroden hin und her und induzieren dadurch einen Strom, dessen Strom-Zeit-Kurve charakteristisch für ein bestimmtes m/z-Verhältnis ist.

Die Abbildung zeigt den Querschnitt mit in Richtung Längsachse der Zentralelektrode oszillierendem Ring aus Ionen eines definiertem Masse-Ladungs-Verhältnisses m/z:

Radius der Ringe und Frequenz der Rotation sind zwar von der Masse und der Ladung der Ionen (kinetischen Energie) abhängig, jedoch für die Identifikation von m/z-Verhältnissen aufgrund elektrophysikalischer Zusammenhänge hier nicht geeignet. Diese Identifikation basiert ausschließlich auf der Frequenz der Oszillation der Ionen längs der spindelförmigen Zentralelektrode.

Orbitrap-Massenspektrometer erreichen hohe Auflösungen von 70.000 bis >200.000 (auch bis 450.000; FWHM, m/z 200)*, sind vergleichsweise kompakt, haben allerdings eine geringere Scanrate (Scans/Sekunde) als andere Massenspektrometer.

Klassische Anwendungsgebiete von Orbitrap-Massenspektrometern sind die Analyse und Strukturaufklärung großer Moleküle z. B. im Rahmen von Proteomics- und Lipidomics-Studien. Die Analyse von kleineren Molekülen, sog. „small molecules“ mit Molmassen <1000–1500 Da, ist unabhängig hiervon möglich und vielfach beschrieben.

* FWHM: „full width half maximum“ = Halbwertsbreite; im o. g. Sinne vollständige Trennung zweier gleich großer Signale auf der Hälfte ihrer Signalhöhe. Bei der genannten Molekülmasse von 200 Da (g/mol) entspricht eine Auflösung (R) von 200.000 bzw. 450.000 entsprechend der Beziehung R = Masse/Masseunterschied (IUPAC-Definition) einem Massenunterschied von 0,001 bzw. 0,0004 Da, d. h. 0,0005 % bzw. 0,0002 % der Molekülmasse.