草稿:軌道阱

Orbitrap 質譜儀中的離子軌跡

在質譜分析中，Orbitrap 是一種離子阱質譜分析儀，由外部桶狀電極與同軸的紡錘狀內電極構成，離子會繞著內部主軸進行軌道運動而被困住。被捕獲的離子會產生影像電流，該電流經由傅立葉轉換將時域中的簡諧振盪轉換為頻率訊號，進而轉換為質譜圖。

歷史

在 1920 年代初期，肯尼斯·海·金登（Kenneth Hay Kingdon）提出了利用靜電將離子困在繞著中央主軸運行的軌道上的概念。 Kingdon trap是由一根細長的中央導線與一個外部圓柱形電極組成。靜態施加的電壓會在電極之間產生徑向對數勢。1981 年，Knight 引入了一種改良的外部電極設計，加入了軸向四極項，使離子能被限制在陷阱軸線上 不過，無論是 Kingdon 還是 Knight 的設計，皆未被指出能產生質譜圖。

1986年，蘇聯的尤里·康斯坦丁諾維奇·戈利科夫教授開發了四重對數勢中離子運動的理論，並將其應用於飛行時間分析儀，在蘇聯申請了專利。戈利科夫領導著聖彼得堡國立師範大學無線電物理系的一個團隊，作為蘇聯發明人證書第1247973號的發明人之一，於1986年為軌道阱技術奠定了理論基礎。戈利科夫後來評論到：「有人用了我的想法製造了能記錄參數的分析儀器，但遺憾的是，不是在俄羅斯，而是在國外。」

與普遍的看法相反，亞歷山大·馬卡洛夫並不是四對數勢的最初發明者，這早在 20 世紀 50 年代就已為人所知。 亞歷山大·馬卡洛夫回憶起自己早年與戈利科夫的互動時曾提到：「那時我還在莫斯科物理技術學院念五年級，走進理工學院眾多房間中的其中一間，尤里·康斯坦丁諾維奇·戈利科夫就在那裡迎接我。我手裡拿著蘇聯編號為1247973的作者證書的摘錄（當時要取得影本還不太容易），從那時開始，我所有關於Orbitrap™分析儀的著作都參考了這份證書。”

20 世紀 90 年代末，Alexander Makarov 在商業化 Orbitrap 分析儀方面做出了努力其中需要做多項的創新，例如：鏡像電流檢測 、用於注入離子的 C-trap 以及其他技術改良。這些改良最終促使賽默飛世爾科技在 2005 年將此分析儀，作為混合式 LTQ Orbitrap 儀器的一部分，並進一步商業化

運作原理

C-trap與 Orbitrap 分析儀的剖面圖（未顯示離子光學與差動抽氣系統）。離子束在電壓上升期間進入分析儀，形成環狀分佈，並誘發電流，由放大器進行偵測。

捕捉

在 Orbitrap 中，離子之所以能被困住，是因為它們對內電極的靜電吸引力與自身的慣性達到平衡。因此，離子會沿著橢圓軌道環繞內電極運行。此外，離子也會沿著中央電極的軸向來回振盪，使其在空間中的運動軌跡呈現螺旋狀。由於四重對數勢的特性，它們的軸向運動具有簡諧性。也就是說，這種運動不僅與離子繞內電極的環向運動無關，甚至與所有初始參數皆無關，唯一相關的只有其荷質比（m/z）。其角頻率為：ω = √(k / (m/z))，其中k 是勢能的力常數，類似於彈簧的彈性常數。

注入

為了將離子從外部離子源注入 Orbitrap中，必須先降低內外電極之間的電場強度。當離子束以切線方向注入場中後，會逐漸升高內電極的電壓，從而增強電場。離子在此過程中會被「擠壓」向內電極，直到進入其內部並達到理想的軌道為止。此時電壓上升停止，電場變為靜態，偵測程序便可開始。

每一個注入的離子束包含大量具有不同速度的離子，這些離子分布在一定的體積中。雖然它們的旋轉頻率不同，但軸向振盪頻率相同。這也表示，同一荷質比（m/z）的離子會在陷阱中形成環狀分布，並沿著內部紡錘狀電極來回振盪。

此項技術的原理驗證（Proof-of-principle）是透過從外部雷射脫附與游離離子源（laser desorption and ionization ion source）直接注入離子的方式進行的。

這種注入方式適用於如 MALDI 等脈衝式離子源，但無法與electrospray等連續式離子源接軌使用。

所有商用的 Orbitrap 質譜儀皆採用彎曲線性阱（C-trap）來注入離子。透過快速降低捕獲用的射頻電壓（RF）並在 C-trap 施加直流電壓梯度，離子得以被壓縮成類似雷射離子源輸出的短脈衝束。

C-trap 與分析儀、注入光學系統及差動抽氣系統緊密接合。

激發

理論上，如文獻及其引述所示，可透過對外電極施加射頻（RF）波形來激發離子環的同調軸向振盪。然而，若離子束是在軸向勢能最低點（對應於電極最厚的位置）以外的區域注入，則其軸向振盪會自動啟動，無需額外激發。

此外，由於不需額外激發，偵測程序便可在注入所需的電壓階梯結束後、偵測電子元件恢復的瞬間立即開始，大幅提升整體效率。

偵測

標準型（上）與高場型（下）Orbitrap 分析儀的剖面圖。

離子環的軸向振盪是透過它們在外電極上感應出的影像電流來偵測的，外電極被分成兩個對稱的拾取感測器，並連接至一個差動放大器。透過類似於傅立葉轉換離子迴旋共振質譜（FTICR-MS）中使用的資料處理方式，該陷阱可以作為質量分析器使用。與 FTICR-MS 相同，所有離子會在某個給定的時間區間內同時被偵測，且解析度可以透過增加電場強度或延長偵測時間來提升。Orbitrap 與 FTICR-MS 的不同之處在於它不使用磁場，因此在荷質比（m/z）增加時，其解析度下降得比較慢。

變體

LTQ Orbitrap

目前 Orbitrap 分析儀有兩種變體：標準型阱（standard trap）與緊湊型高場阱（compact high-field trap）。在實際應用中，外電極維持在虛擬接地狀態，而僅對內電極施加 3.5 或 5 kV 的電壓。因此，在 m/z 400 且偵測時間為 768 毫秒的條件下，解析度可從 3.5 kV 標準阱的 60,000 提升至 5 kV 高場阱並搭配強化傅立葉轉換處理（enhanced FT processing）時的 280,000。

如同 FTICR-MS（傅立葉轉換迴旋共振質譜），Orbitrap 的解析度與離子進行諧波振盪的次數成正比；因此，解析度與 m/z 的平方根成反比，與訊號採集時間成正比。例如，若為 m/z 100，解析度將加倍；若為 m/z 1600，則解析度減半。若使用最短的 96 毫秒瞬變，解析度將減少約 8 倍；而在 3 秒的瞬變中，已實現超過 1,000,000 的超高解析度。

Orbitrap 分析儀可以與多種質譜前端裝置結合使用，包括線性離子阱（LTQ Orbitrap 系列）、四極桿質量分析器（Q Exactive 系列）或直接連接離子源（如 Exactive 儀器，以上皆由 Thermo Fisher Scientific 推出）。此外，還可在 C-trap 後方加裝高能量碰撞池（HCD cell），並進一步結合電子轉移解離（ETD）模組以進行更廣泛的碎裂分析。

這些儀器多數使用常壓離子源（如電噴灑 ESI），但也可搭配中壓 MALDI 離子源（如 MALDI LTQ Orbitrap）。這些儀器具備下列優點：

• 高質量準確度：使用外部校正可達 <2–3 ppm，內部校正則可達 <1–2 ppm。
• 高解析度：在 m/z 400 處可達最高 240,000。
• 高動態範圍：能同時偵測高強度與低強度訊號。
• 高靈敏度：適合進行微量分析和複雜樣品研究。

因此，Orbitrap 已成為高解析度質譜分析中的關鍵技術之一，廣泛應用於蛋白質體學、代謝體學與精密化學分析等領域。

應用

以 Orbitrap為基礎的質譜儀廣泛應用於各種生命科學與分析化學領域，特別在以下方面表現突出：

• 蛋白質體學（Proteomics）：Orbitrap 提供高解析度與高質量準確度，能有效區分並鑑定大量蛋白質，適用於定量分析、翻譯後修飾（PTMs）研究與複雜樣品分離。
• 代謝研究與代謝體學（Metabolomics）：對小分子代謝物進行高靈敏度、高精度的檢測與結構鑑定。
• 環境分析：可精準追蹤環境樣品中極低濃度的污染物，如農藥、重金屬代謝產物與內分泌干擾物。
• 食品與安全分析：包括食品中添加劑、污染物、毒素等的監測，符合日益嚴格的法規要求。
• 分子結構研究：利用其高解析度特性，可分析同位素標記化合物的分子結構與分佈。

分離技術搭配：

• 液相層析（LC）：是最常見的搭配方式，用於複雜樣品的分離與預處理。
• 氣相層析（GC）：雖較少見，但 Orbitrap 也可應用於易揮發樣品。
• 二次離子質譜（SIMS）與環境離子化（Ambient ionization）：拓展其於表面分析與快速現場檢測的應用可能性。

總結而言，Orbitrap 質譜因其在解析度、準確性與多樣化的適應性上的優勢，已成為現代質譜分析中不可或缺的核心技術之一。

參見

• 傅立葉變換離子回旋共振

外部連結

• 普渡大學 Orbitrap