質譜那些事——Orbitrap的誕生

　　Orbitrap始于一個物理學家離開他的舒適區。

　　舒適區，現在很流行的概念。

　　Alexander Alexeyevich Makarov（后面簡稱Makarov）（1966 -），俄羅斯人。

　　1988年，設計針對火花電離源的“multi-electrode TOF analyser with hyper-logarithmic field”。

　　1992年，獲得 Moscow Physics Engineering Institute 的PhD，博士方向意在開發TOF理想的聚焦方式，發明了“rotational TOF mirrors with axial reflection”。

　　技術細節不了解，只知道Makarov是研究TOF起家的。

　　恰逢蘇聯解體，博士剛畢業的Makarov不得不把目光放在俄羅斯以外的地方，尋找合適的職業機會。

　　1993年，作為Kratos Analytical（位于英國曼徹斯特）的技術顧問，參與改進了KRATOS Kompact MALDI III 設備——TOF飛行時間質譜。

　　1994-1996年，Makarov在英國的University of Warwick做博士后，參與多個TOF飛行時間質譜相關的儀器項目研究和開發，在這里打下了深厚的基礎，包括人脈資源。

　　1996年，加入HD Technologies——專門從事TOF質譜技術開發的公司，這家公司同樣位于英國曼徹斯特，創始人之一的 Steve Davis是Makarov的朋友。

　　怎么都是曼徹斯特？

　　我們在質譜那些事12——祖師爺之VG提過，英國曼徹斯特是質譜之都。

　　進入HD Technologies之后，Makarov主要項目如下：

　　1 臺式氣相色譜-飛行時間質譜聯用儀GC-TOFMS，配置EI電離源的原型設計，在被Thermo收購后型號為Tempus；

　　2 臺式ICP-TOFMS，Optimass 8000，獲得1998年的R&D 100大獎。

　　經過了GBC公司，最終2013年被北京東西分析收購，現在最新型號是OptiMass 9600，屈指可數的ICP-TOF技術的產品。

　　3 Orbitrap的概念的成熟和原型機的逐步完善。

　　時間很快到了2000年，HD Technologies被Thermo收購。

　　期間，Makarov大部分時間是在從事TOF相關的研究工作。

　　此處做個小結：

　　一直研究TOF的科學家（帶領的團隊）發明了Orbitrap。

　　技術的本源

　　那么2000年的時候，Thermo收購HD Technology是為了一個還處于雛形的Orbitrap？

　　我認為是為了TOF技術。

　　Orbitrap能像孫悟空一樣突然從石頭里面蹦出來的？

　　那不符合科學技術發展的規律。

　　科學技術的大廈都是一塊磚一塊磚壘起來的。

　　那要從1842年說起，一個數學家用數學證明了：穩定的電場無法維持約束住靜止的帶電粒子。這個結論稱之為：恩紹定理（Earnshaw’s theorem）。

　　按現代的話說：Hold 不住。

　　時間跳到1895年，荷蘭物理學家洛倫茲提出了洛倫茲力：穩定的磁場可以約束運動的帶電粒子！

　　到了1922年，從第一次世界大戰戰場上回歸的Aston（參考質譜那些事2——經典永恒）已經設計制造出成熟的基于洛倫茲力用于分離不同m/z帶電粒子的裝置。

　　穩定的磁場不但可以約束帶電粒子，還可以分離并進行定量分析。這是扇形磁質譜。

　　磁場相對電場在應用在儀器上有天生的劣勢：

　　1 高強度的磁場很難獲得；

　　2 均勻的磁場也很難獲得；

　　3 產生磁場的裝置都很大。

　　如果能用穩定電場約束運動的帶電粒子并分離檢測不同m/z的粒子，這樣操作起來豈不是方便很多很多？

　　就像運動的衛星保持在固定的軌道，如果衛星不動，那就直接墜落了。

　　1923年，K. H. Kingdon在“A Method for the Neutralization of Electron Space Charge by Positive Ionization at Very Low Gas Pressures”文章中提出了一種穩定靜電場約束帶電粒子的方法，現在稱之為“Kingdon trap”。

　　結構模型很易懂：一根金屬管，中心放一根金屬線，靜電場對運動的帶電粒子提供向心力。

　　帶電粒子是約束住了，不過如何進行質量分離并檢測卻一直沒有找到好的方法，漸漸地作為質譜分析的嘗試也銷聲匿跡。

　　轉角見希望

　　一直到了1981年，有個叫Knight的科學家提出了一個改進的設計：把外環電極分割成左右兩段，形狀也從圓環形變成如下的形狀。我們稱之為“Knight trap”。

　　該結構模型實現了三個功能：

　　1 帶電粒子圍繞中心電極做圓周運動（被約束）

　　2 圓周運動的同時，不同m/z的粒子，在兩段外部電極之間做特異性的來回運動

　　3 來回運動的頻率跟m/z相關

　　可以說Knight trap相對于Kingdon trap在設計上前進了一大步，然而從質譜應用上來看，還差了臨門一腳。

　　首先，外電極是有兩段不同斜率的直線組成，無法形成平滑的電場分布，帶電粒子在阱內左右震蕩的時間太短；

　　其次，這個阱不關注鏡像電流的檢測。

　　之所以Knight trap止步于此，個人認為跟Knight不從事質譜研究有直接關系。

　　然而，這個非常重要的貢獻，卻總是被有意或無意的忽略。

　　十年磨一劍

　　1999年，還沒有被Thermo收購的英國曼徹斯特 HD Technologies 公司在當年的ASMS上首次公開軌道阱Orbitrap技術（Orbital軌道+trap阱）。

　　在Knight trap基礎上，Orbitrap的特征體現在：

　　1 中心電極和外電極設計的水準 Ultra 高；

　　2 探測兩個外電極之間的鏡像電流，以便進行FFT快速傅立葉變換（借鑒FT-ICRMS的思路）；

　　3 高水平的電極設計和加工提供了平滑的電場，粒子在阱內左右震蕩的時間大大加長，采集到的數據更多，可以解析出更高的分辨率。

　　從傅立葉變換那些事2——萬變不離其宗的FTMS/FTNMR/FTIR知道，此時FFT處理在儀器上的應用已經非常廣泛成熟，從事質譜研究的Makarov團隊不可能不了解FTMS的原理。

　　機會總是留給有準備的人，強大的Makarov團隊具備的專業性和敏感性在非常恰當的時機把握好機會，現在看來也是情理之中。