质谱那些事——Orbitrap的诞生

　　Orbitrap始于一个物理学家离开他的舒适区。

　　舒适区，现在很流行的概念。

　　Alexander Alexeyevich Makarov（后面简称Makarov）（1966 -），俄罗斯人。

　　1988年，设计针对火花电离源的“multi-electrode TOF analyser with hyper-logarithmic field”。

　　1992年，获得 Moscow Physics Engineering Institute 的PhD，博士方向意在开发TOF理想的聚焦方式，发明了“rotational TOF mirrors with axial reflection”。

　　技术细节不了解，只知道Makarov是研究TOF起家的。

　　恰逢苏联解体，博士刚毕业的Makarov不得不把目光放在俄罗斯以外的地方，寻找合适的职业机会。

　　1993年，作为Kratos Analytical（位于英国曼彻斯特）的技术顾问，参与改进了KRATOS Kompact MALDI III 设备——TOF飞行时间质谱。

　　1994-1996年，Makarov在英国的University of Warwick做博士后，参与多个TOF飞行时间质谱相关的仪器项目研究和开发，在这里打下了深厚的基础，包括人脉资源。

　　1996年，加入HD Technologies——专门从事TOF质谱技术开发的公司，这家公司同样位于英国曼彻斯特，创始人之一的 Steve Davis是Makarov的朋友。

　　怎么都是曼彻斯特？

　　我们在质谱那些事12——祖师爷之VG提过，英国曼彻斯特是质谱之都。

　　进入HD Technologies之后，Makarov主要项目如下：

　　1 台式气相色谱-飞行时间质谱联用仪GC-TOFMS，配置EI电离源的原型设计，在被Thermo收购后型号为Tempus；

　　2 台式ICP-TOFMS，Optimass 8000，获得1998年的R&D 100大奖。

　　经过了GBC公司，最终2013年被北京东西分析收购，现在最新型号是OptiMass 9600，屈指可数的ICP-TOF技术的产品。

　　3 Orbitrap的概念的成熟和原型机的逐步完善。

　　时间很快到了2000年，HD Technologies被Thermo收购。

　　期间，Makarov大部分时间是在从事TOF相关的研究工作。

　　此处做个小结：

　　一直研究TOF的科学家（带领的团队）发明了Orbitrap。

　　技术的本源

　　那么2000年的时候，Thermo收购HD Technology是为了一个还处于雏形的Orbitrap？

　　我认为是为了TOF技术。

　　Orbitrap能像孙悟空一样突然从石头里面蹦出来的？

　　那不符合科学技术发展的规律。

　　科学技术的大厦都是一块砖一块砖垒起来的。

　　那要从1842年说起，一个数学家用数学证明了：稳定的电场无法维持约束住静止的带电粒子。这个结论称之为：恩绍定理（Earnshaw’s theorem）。

　　按现代的话说：Hold 不住。

　　时间跳到1895年，荷兰物理学家洛伦兹提出了洛伦兹力：稳定的磁场可以约束运动的带电粒子！

　　到了1922年，从第一次世界大战战场上回归的Aston（参考质谱那些事2——经典永恒）已经设计制造出成熟的基于洛伦兹力用于分离不同m/z带电粒子的装置。

　　稳定的磁场不但可以约束带电粒子，还可以分离并进行定量分析。这是扇形磁质谱。

　　磁场相对电场在应用在仪器上有天生的劣势：

　　1 高强度的磁场很难获得；

　　2 均匀的磁场也很难获得；

　　3 产生磁场的装置都很大。

　　如果能用稳定电场约束运动的带电粒子并分离检测不同m/z的粒子，这样操作起来岂不是方便很多很多？

　　就像运动的卫星保持在固定的轨道，如果卫星不动，那就直接坠落了。

　　1923年，K. H. Kingdon在“A Method for the Neutralization of Electron Space Charge by Positive Ionization at Very Low Gas Pressures”文章中提出了一种稳定静电场约束带电粒子的方法，现在称之为“Kingdon trap”。

　　结构模型很易懂：一根金属管，中心放一根金属线，静电场对运动的带电粒子提供向心力。

　　带电粒子是约束住了，不过如何进行质量分离并检测却一直没有找到好的方法，渐渐地作为质谱分析的尝试也销声匿迹。

　　转角见希望

　　一直到了1981年，有个叫Knight的科学家提出了一个改进的设计：把外环电极分割成左右两段，形状也从圆环形变成如下的形状。我们称之为“Knight trap”。

　　该结构模型实现了三个功能：

　　1 带电粒子围绕中心电极做圆周运动（被约束）

　　2 圆周运动的同时，不同m/z的粒子，在两段外部电极之间做特异性的来回运动

　　3 来回运动的频率跟m/z相关

　　可以说Knight trap相对于Kingdon trap在设计上前进了一大步，然而从质谱应用上来看，还差了临门一脚。

　　首先，外电极是有两段不同斜率的直线组成，无法形成平滑的电场分布，带电粒子在阱内左右震荡的时间太短；

　　其次，这个阱不关注镜像电流的检测。

　　之所以Knight trap止步于此，个人认为跟Knight不从事质谱研究有直接关系。

　　然而，这个非常重要的贡献，却总是被有意或无意的忽略。

　　十年磨一剑

　　1999年，还没有被Thermo收购的英国曼彻斯特 HD Technologies 公司在当年的ASMS上首次公开轨道阱Orbitrap技术（Orbital轨道+trap阱）。

　　在Knight trap基础上，Orbitrap的特征体现在：

　　1 中心电极和外电极设计的水准 Ultra 高；

　　2 探测两个外电极之间的镜像电流，以便进行FFT快速傅立叶变换（借鉴FT-ICRMS的思路）；

　　3 高水平的电极设计和加工提供了平滑的电场，粒子在阱内左右震荡的时间大大加长，采集到的数据更多，可以解析出更高的分辨率。

　　从傅立叶变换那些事2——万变不离其宗的FTMS/FTNMR/FTIR知道，此时FFT处理在仪器上的应用已经非常广泛成熟，从事质谱研究的Makarov团队不可能不了解FTMS的原理。

　　机会总是留给有准备的人，强大的Makarov团队具备的专业性和敏感性在非常恰当的时机把握好机会，现在看来也是情理之中。