超高分辨质量分析器——静电场轨道阱 Orbitrap 简介

 Exactive质谱硬件结构图如下图1。分析 物在Ion Source中经过离子化后，将依次进入 四极杆质量分析器(Quadrupole)、C形阱（CTrap），以及静电场轨道阱（Orbitrap）。如 果需要采集碎片，还将在进入Orbitrap前在高 能碰撞池（HCD Collision Cell）中进行碎裂。 Orbitrap的功能是进行高精度质量扫描。其不 但有高达140,000的超高分辨（ESI-TOF的 分辨率一般为50,000左右）与高精度性能，更 具有*的稳定性。如果您询问有Orbitrap使 用经验的朋友使用感受，常听到的一定是 “稳定”这两个字。Orbitrap是如何赢得出众 的稳定性口碑呢？主要有以下几点原因：

1）当您看到图1中赛默飞Q Exactive图的结构时， 您可能会惊讶的发现——Orbitrap的体积竟然 如此“娇小”。确实Orbitrap质量分析器的内径与日常使用的硬币差不多。而小的体积正 是Orbitrap具有*稳定性的一个关键因素。 我们知道，质谱是必须在高真空下工作的， 真空度越好，灵敏度、分辨率、准确度越高。 高真空度需要机械泵、分子涡轮泵等一些类 真空维持系统的不间断高强度工作来实现。 Orbitrap仅有TOF体积的几十分之一甚至更小， 这就极大地降低了真空维持系统的工作压力， 从而极大地降低了故障率。

2）Orbitrap的*稳定性还源于其数据记 录模式。从表面看，Orbitrap与TOF的采集频 率都为几十赫兹。但实际上，TOF的离子飞行 是在纳秒级完成的。但由于单张图谱的信号 过于微弱，终直观看到每一张TOF质谱图都 是由上百张图谱叠加而成。不间断地纳秒级 数据产出，造成了TOF数据记录系统的巨大的工作压力，这是TOF系统容易在数据采集时发 生文件损坏的重要原因。相比之下，Orbitrap 采用傅里叶变换算法采集处理数据，数据记 录系统的工作强度为毫秒级，因此也具有了 更好的系统稳定性。

3）TOF是以离子到达检测器时间差来分辨 离子的，这个差别需要到皮秒（10-12 S） 甚至更低。因此环境温度的一点点变化所引 起的飞行管金属部件微小的热胀冷缩都会导 致飞行距离的改变，以至于巨大地影响离子 到达检测器的时间。正因为此，在TOF类仪器 设计时，需要用到复杂的温度补偿校正，以 及外标或内标的添加。而无论是补偿校正还 是标准品添加，都需要通过安装一系列硬件 和软件来实现。我们知道，一个仪器组件越 多，整体出现故障的概率就越大，所以这也 大大地影响了TOF的稳定性。而Orbitrap不存 在这些问题，并可在更为宽松的环境条件下 保持高稳定性，并且无额外部件引起的故障 问题。以上是从仪器构造及采集方式上比较赛默飞Q Exactive与TOF的稳定性差异，那么实际中呢？ 图2中为近年来Nature、Science、Cell系列刊物 使用Orbitrap发表论文的数量——达到了

的2-3篇/天。我们知道，作为科学领域的 刊物，这三个系列期刊对稿件质量要求*— —不但要求数据，更要求大量实验的反复 验证。如此高频率地文献发表，正证明 了Orbitrap面对海量分析任务时，在满足高数 据质量的要求下，表现出了*的稳定性。 而稳定性对于生物医药企业成本风险控制的 重要性是不言而喻的。

当然，稳定只代表仪器的耐用性，对于仪 器性能方面，Orbitrap是否同样能带给分析人 员惊喜呢？答案是肯定的。从上面提到的在 Nature 、 Science 、 Cell 系列刊物中 ， Orbitrap的高频使用率就可见一斑。更为直观 的是当对比图谱数据，特别是当比较Orbitrap 与 TOF 二级碎片质谱图谱时 ， 可以发现 Orbitrap的碎片信息更为丰富和清晰。这一方 面是由Orbitrap的超高分辨能力，以及与之相 伴的高准确度所带来的。另一方面，Orbitrap 的高灵敏是又一重要原因（高灵敏度是获得 高信噪比与高分辨率数据的重要基础）。 Orbitrap系列质谱出众的灵敏度源于以下几个 因素的综合作用。 

1）如前所述Orbitrap的腔体体积仅为TOF 的几十分之一甚至更低。这不但减轻了维持 系统的工作压力，更利于获得超高的真空度。 相比TOF，Orbitrap内的真空度为10-10mBar量 级，而TOF为10-6至10-7mBar。无论是Orbitrap 还是TOF质量分析器，离子在其腔体内进行检 测时，都存在待分析离子与残留气体分子碰 撞而造成离子损失，从而导致灵敏度降低。 相比之下Orbitrap具有高达三个数量级的真空 度优势，离子损失大大减少，成为其获得更 高灵敏度的重要原因之一。

2）从仪器结构看，在Orbitrap系列质谱 中，还存在了一个在TOF类质谱中并不具备的 组件——C trap（图3）。C trap组件除了负责 向Orbitrap传递离子外，其还有一个重要的功 能：蓄积离子。在离子进入Orbitrap之前，先 要有C trap对离子进行“点数”。如要对某特 定肽段进行分析时，C trap会将此肽段的离子 数积蓄到一个设定的数量（如106个离子）后 再传递给Orbitrap。也就是说通过C trap实现了 离子浓度的提高。这无疑对高灵敏度起到了 巨大的贡献，这种优势在获取真实样本中的 低浓度离子的二级碎片信息上表现地更为明 显。而TOF质量分析器， 不能使用类似于C trap的技术将离子大量聚集，提高离子浓度。 这是因为：1）在TOF分析起始的瞬间，不同 的离子需要聚中压平在一起，也就是说需要 浓缩在一个极小的空间内，这样才能保证各 种离子在同一个起跑线上，具有尽可能相同 的飞行距离。但由于离子具有同性电荷相互 排斥的问题，因此TOF无法在分析时大量蓄积 离子后再做分析；2）由于TOF检测器采用碰撞检测的方式，大量离子的同时到达很容 易造成检测器过饱和，造成飞行时间计算误 差。这是TOF不能通过大量蓄积离子提高灵敏 度的又一个原因。

此外， Q Exactive质谱并不存在离子阱质 量分析器的“三分之一效应”问题。三分之 一效应是指离子阱对某个特定离子进行碎裂并进行碎片质量测量时，碎片质量在母离子 质量前三分之一范围内的碎片将无法被记录。 这在肽段分析中将可能导致丢失肽段的b1、 b2、y1、y2等小质量碎片。而Orbitrap系列质 谱 ， 采用了在 HCD 碰撞池 （ High Collision Energy Collision Cell）中进行碎裂，在Orbitrap 中完成质量扫描的方式。在碎裂及质量扫描 的过程中都没有离子阱的参与，因此无三分 之一效应。事实上，通过PQD和Trap-HCD技术 （Pulsed - Q Dissociation），Thermo也已经解 决了离子阱质谱的三分之一效应问题。

3）信噪比是与灵敏度相辅相成的，而在 信噪比指标上，Orbitrap同样具有先天优势。 图4是在完整蛋白分析时，TOF与Orbitrap的原 始数据对比图。可以发现即使在两者的分辨 率近似的数据中，Orbitrap获得了更高的信噪 比及图谱质量。这是因为目前普遍采用的 质谱分辨率的计算方法是使用质谱峰的质荷 比值除以其峰高一半处的峰宽。如某离子测 得质荷比为1000m/z，其质谱峰峰高的一半处 峰宽为0.1m/z，则其分辨率为10 000。可以看 出在这种*的质谱分辨率计算方法中，只 考虑了质谱峰高一半处的图谱质量，而对更 接近信号基线的图谱质量不作考量。而在这 一点上正是Orbitrap能够产生的图谱质量 的关键因素之一：高信噪比。相似的分辨率， 不同的图谱质量是由什么原因造成的呢？当 有物质撞击TOF质量分析器飞行管的末端的检 测器时，一个信号将被记录。这里需要指出 的是，不仅是离子，中性杂质分子的撞击同 样会产生信号。观察任何一个ESI-TOF类串联 质谱就会发现，在此类质谱结构中，含有多 个转弯结构。这些转弯结构重要的作用就是在转弯处甩出中性分子，避免对检测器 的干扰，否则将会对信噪比产生巨大的影响。 （虽然在Orbitrap质谱中也有转弯设计，但这 些转弯主要是为了减小仪器长度、简化清洗 操作而设计的，并不必考虑中性分子对检测 信号信噪比的影响。）这个优势是由Orbitrap 检测原理所带来的。当离子进入Orbitrap腔体 中，同类离子将发生同步化旋转，根据电磁 效应，离子旋转将产生磁场，产生的电磁信 号被检测器记录，不同离子电磁信息特征不 同，因而被分辨。显而易见，中性分子是不 能产生离子那样的电磁效应的，因而不会造 成干扰，而使Orbitrap具有更好的信噪比。这 是在相近分辨率情况下，Orbitrap之所以能更 有效地实现质谱信号基线分辨，获得更高质 量质谱数据的一个重要原因。

读到这里，您可能想到了一个词“两全其 美”。是的，Orbitrap系列质谱实现了*稳 定性与的性能的统一。于是水到渠成， Orbitrap系列质谱已经成为蛋白质质谱分析领 域*高的质谱品牌。Orbitrap于 2005年推出，适逢蛋白质组学爆发拐点。十 年间，Orbitrap经受住了蛋白质组学表达谱、 修饰谱、定量蛋白质组学、结构蛋白质组学， 以及糖组学等严酷分析需求的琢磨与考验。 这些领域的工作内容不但*覆盖了蛋白质 药物质谱分析的所有需求，在分析难度上更 是远远超出——蛋白质组学的分析目标蛋白数 少则数百多则至万。因此，无论是全蛋白分 子量测定、肽图分析、修饰定量、二硫键发 现、糖基化解析等针对蛋白药物自身结构的 表征分析，还是代谢定量、杂质蛋白鉴定等 复杂背景中的质量研究，Orbitrap通过长达十年的方法开发与经验积累，已经*具备了 各种蛋白质药物所需的全部质谱分析方法与 解决方案。并在与其它类型高分辨质谱的比 较中表现出了极大的应用优势。

稳定的品质、的性能、全面的应用， 赛默飞Q Exactive的这些优点，无疑会为身在激烈的产 业竞争环境中的使用者提供为有力、保障的支持。