Фурье-преобразование ионный циклотронный резонанс

Прибор в масс-спектрометрии

Масс-спектрометрия с ионным циклотронным резонансом с преобразованием Фурье — это тип масс-анализатора (или масс-спектрометра ) для определения отношения массы к заряду ( m / z ) ионов на основе циклотронной частоты ионов в фиксированном магнитном поле. ^[1] Ионы захватываются в ловушку Пеннинга (магнитное поле с электрическими улавливающими пластинами), где они возбуждаются (на своих резонансных циклотронных частотах) до большего циклотронного радиуса осциллирующим электрическим полем, ортогональным магнитному полю. После того, как возбуждающее поле снимается, ионы вращаются на своей циклотронной частоте в фазе (как «пакет» ионов). Эти ионы индуцируют заряд (обнаруживаемый как ток изображения) на паре электродов, когда пакеты ионов проходят близко к ним. Результирующий сигнал называется спадом свободной индукции (СИД), переходным процессом или интерферограммой, которая состоит из суперпозиции синусоидальных волн . Полезный сигнал извлекается из этих данных путем выполнения преобразования Фурье для получения масс-спектра .

История

FT-ICR был изобретен Мелвином Б. Комисароу ^[2] и Аланом Г. Маршаллом в Университете Британской Колумбии . Первая статья появилась в Chemical Physics Letters в 1974 году. ^[3] Вдохновением послужили более ранние разработки в области обычного ICR и спектрометрии ядерного магнитного резонанса с преобразованием Фурье (FT-NMR). Маршалл продолжил развивать эту технику в Университете штата Огайо и Университете штата Флорида .

Теория

Линейная ионная ловушка – Фурье-преобразование ионно-циклотронного резонансного масс-спектрометра (панели вокруг магнита отсутствуют)

Физика FTICR, по крайней мере в первом приближении, похожа на физику циклотрона .

В простейшей идеализированной форме соотношение между циклотронной частотой и отношением массы к заряду определяется выражением

${\displaystyle f={\frac {qB}{2\pi m}},}$

где f = циклотронная частота, q = заряд иона, B = напряженность магнитного поля и m = масса иона.

Чаще всего это выражается в угловой частоте :

${\displaystyle \omega _{\text{c}}={\frac {qB}{m}},}$

где - угловая циклотронная частота , которая связана с частотой по определению . ${\displaystyle \omega _{\text{c}}}$ ${\displaystyle f={\frac {\omega }{2\pi }}}$

Из-за квадрупольного электрического поля, используемого для захвата ионов в аксиальном направлении, это соотношение является лишь приблизительным. Аксиальный электрический захват приводит к аксиальным колебаниям внутри ловушки с (угловой) частотой

${\displaystyle \omega _{\text{t}}={\sqrt {\frac {q\alpha }{m}}},}$

где — константа, аналогичная константе пружины гармонического осциллятора , и зависит от приложенного напряжения, размеров ловушки и геометрии ловушки. ${\displaystyle \alpha }$

Электрическое поле и результирующее аксиальное гармоническое движение уменьшают циклотронную частоту и вводят второе радиальное движение, называемое магнетронным движением, которое происходит на магнетронной частоте. Циклотронное движение по-прежнему является используемой частотой, но соотношение выше не является точным из-за этого явления. Собственные угловые частоты движения

${\displaystyle \omega _{\pm }={\frac {\omega _{\text{c}}}{2}}\pm {\sqrt {\left({\frac {\omega _{\text{c}}}{2}}\right)^{2}-{\frac {\omega _{\text{t}}^{2}}{2}}}},}$

где — частота аксиального захвата из-за аксиального электрического захвата, — приведенная циклотронная (угловая) частота, — магнетронная (угловая) частота. Опять же, — то, что обычно измеряется в FTICR. Значение этого уравнения можно понять качественно, рассмотрев случай, когда — мало, что в целом верно. В этом случае значение радикала всего лишь немного меньше, чем , а значение всего лишь немного меньше (циклотронная частота была немного уменьшена). Поскольку значение радикала то же самое (немного меньше ), но оно вычитается из , в результате чего получается небольшое число, равное (т. е. величина, на которую была уменьшена циклотронная частота). ${\displaystyle \omega _{\text{t}}}$ ${\displaystyle \omega _{+}}$ ${\displaystyle \omega _{-}}$ ${\displaystyle \omega _{+}}$ ${\displaystyle \omega _{\text{t}}}$ ${\displaystyle \omega _{\text{c}}/2}$ ${\displaystyle \omega _{+}}$ ${\displaystyle \omega _{\text{c}}}$ ${\displaystyle \omega _{-}}$ ${\displaystyle \omega _{\text{c}}/2}$ ${\displaystyle \omega _{\text{c}}/2}$ ${\displaystyle \omega _{\text{c}}-\omega _{+}}$

Инструментарий

FTICR-MS существенно отличается от других методов масс-спектрометрии тем, что ионы не обнаруживаются путем попадания в детектор, такой как электронный умножитель , а только проходя вблизи пластин обнаружения. Кроме того, массы не разрешаются в пространстве или времени, как в других методах, а только с помощью ионно-циклотронной резонансной (вращательной) частоты, которую производит каждый ион при вращении в магнитном поле. Таким образом, различные ионы не обнаруживаются в разных местах, как в случае с секторными приборами , или в разное время, как в случае с приборами времени пролета , но все ионы обнаруживаются одновременно в течение интервала обнаружения. Это обеспечивает увеличение наблюдаемого отношения сигнал/шум благодаря принципам преимущества Феллгетта . ^[1] В FTICR-MS разрешение может быть улучшено либо за счет увеличения силы магнита (в теслах ), либо за счет увеличения продолжительности обнаружения. ^[4]

Клетки

Цилиндрическая ячейка ИЦР. Стенки ячейки изготовлены из меди, ионы поступают в ячейку справа, передаются октопольными ионопроводами.

Обзор различных геометрий ячеек с их конкретными электрическими конфигурациями доступен в литературе. ^[5] Однако ячейки ICR могут относиться к одной из следующих двух категорий: закрытые ячейки или открытые ячейки.

Было изготовлено несколько закрытых ячеек ИЦР с различной геометрией, и была охарактеризована их производительность. Сетки использовались в качестве торцевых крышек для приложения аксиального электрического поля для захвата ионов аксиально (параллельно линиям магнитного поля). Ионы могут либо генерироваться внутри ячейки, либо могут быть введены в ячейку из внешнего источника ионизации . Вложенные ячейки ИЦР с двойной парой сеток также были изготовлены для захвата как положительных, так и отрицательных ионов одновременно.

Наиболее распространенной геометрией открытой ячейки является цилиндр, который аксиально сегментирован для получения электродов в форме кольца. Центральный кольцевой электрод обычно используется для приложения радиального возбуждающего электрического поля и обнаружения. Постоянное электрическое напряжение подается на концевые кольцевые электроды для улавливания ионов вдоль линий магнитного поля. ^[6] Также были разработаны открытые цилиндрические ячейки с кольцевыми электродами разного диаметра. ^[7] Они доказали свою способность не только улавливать и обнаруживать обе полярности ионов одновременно, но и успешно разделять положительные и отрицательные ионы радиально. Это представило большую дискриминацию в кинетическом ускорении ионов между положительными и отрицательными ионами, захваченными одновременно внутри новой ячейки. Недавно было написано несколько схем аксиального ускорения ионов для исследований столкновений ионов. ^[8]

Обратное преобразование Фурье с сохраненной формой сигнала

Обратное преобразование Фурье с сохраненной формой волны (SWIFT) — это метод создания форм волн возбуждения для FTMS. ^[9] Форма волны возбуждения во временной области формируется из обратного преобразования Фурье соответствующего спектра возбуждения в частотной области, который выбирается для возбуждения резонансных частот выбранных ионов. Процедура SWIFT может использоваться для выбора ионов для экспериментов по тандемной масс-спектрометрии .

Приложения

Масс-спектрометрия с ионным циклотронным резонансом с преобразованием Фурье (FTICR) — это метод с высоким разрешением, который можно использовать для определения масс с высокой точностью. Многие приложения FTICR-MS используют эту точность массы, чтобы помочь определить состав молекул на основе точной массы. Это возможно из-за дефекта массы элементов. FTICR-MS способен достигать более высоких уровней точности массы, чем другие формы масс-спектрометра , отчасти потому, что сверхпроводящий магнит намного более стабилен, чем радиочастотное (РЧ) напряжение. ^[10]

Другое место, где FTICR-MS полезен, - это работа со сложными смесями, такими как биомасса или продукты разжижения отходов, ^{[11] [12],} поскольку разрешение (узкая ширина пика) позволяет обнаруживать сигналы двух ионов с аналогичными отношениями массы к заряду ( m / z ) как отдельные ионы. ^{[13] [14] [15]} Это высокое разрешение также полезно при изучении больших макромолекул, таких как белки с несколькими зарядами, которые могут быть получены с помощью ионизации электрораспылением . Например, сообщалось об уровне обнаружения двух пептидов в аттомоль. ^[16] Эти большие молекулы содержат распределение изотопов , которые производят серию изотопных пиков. Поскольку изотопные пики расположены близко друг к другу на оси m / z , из-за нескольких зарядов высокая разрешающая способность FTICR чрезвычайно полезна. FTICR-MS очень полезен и в других исследованиях протеомики. Он достигает исключительного разрешения как в протеомике сверху вниз, так и снизу вверх. Диссоциация с захватом электронов (ECD), диссоциация, вызванная столкновениями (CID), и инфракрасная многофотонная диссоциация (IRMPD) используются для получения спектров фрагментов в экспериментах по тандемной масс-спектрометрии. ^[17] Хотя CID и IRMPD используют колебательное возбуждение для дальнейшей диссоциации пептидов путем разрыва амидных связей основной цепи, которые обычно имеют низкую энергию и слабы, CID и IRMPD также могут вызывать диссоциацию посттрансляционных модификаций. ECD, с другой стороны, позволяет сохранять определенные модификации. Это весьма полезно при анализе состояний фосфорилирования, O- или N-связанного гликозилирования и сульфатирования. ^[17]

Ссылки

1. Маршалл, AG; Хендриксон, CL; Джексон, GS (1998). "Фурье-преобразование ионно-циклотронной резонансной масс-спектрометрии: учебник". Mass Spectrom. Rev. 17 ( 1): 1–35. Bibcode :1998MSRv...17....1M. doi :10.1002/(sici)1098-2787(1998)17:1<1::aid-mas1>3.0.co;2-k. PMID  9768511.
2. "UBC Chemistry Personnel: Melvin B. Comisarow". Университет Британской Колумбии . Получено 2009-11-05 .
3. Комисаров, Мелвин Б. (1974). "Фурье-преобразование ионной циклотронной резонансной спектроскопии". Chemical Physics Letters . 25 (2): 282–283. Bibcode : 1974CPL....25..282C. doi : 10.1016/0009-2614(74)89137-2.
4. Маршалл, А. (2002). «Обнаружение ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье: принципы и экспериментальные конфигурации». Международный журнал масс-спектрометрии . 215 (1–3): 59–75. Bibcode : 2002IJMSp.215...59M. doi : 10.1016/S1387-3806(01)00588-7.
5. Гуань, Шэньхэн; Маршалл, Алан Г. (1995). «Ионные ловушки для масс-спектрометрии с преобразованием Фурье и ионным циклотронным резонансом: принципы и конструкция геометрических и электрических конфигураций». Международный журнал масс-спектрометрии и ионных процессов . 146–147: 261–296. Bibcode : 1995IJMSI.146..261G. doi : 10.1016/0168-1176(95)04190-V.
6. Маршалл, Алан Г.; Хендриксон, Кристофер Л.; Джексон, Джордж С. (1998). "Фурье-преобразование ионно-циклотронной резонансной масс-спектрометрии: учебник". Mass Spectrometry Reviews . 17 (1): 1–35. Bibcode : 1998MSRv...17....1M. doi : 10.1002/(SICI)1098-2787(1998)17:1<1::AID-MAS1>3.0.CO;2-K. ISSN  0277-7037. PMID  9768511.
7. Канавати, Б.; Ванчек, КП (2007). «Характеристика новой открытой цилиндрической ионно-циклотронной резонансной ячейки с необычной геометрией». Обзор научных инструментов . 78 (7): 074102–074102–8. Bibcode : 2007RScI...78g4102K. doi : 10.1063/1.2751100. PMID  17672776.
8. Канавати, Б.; Ванчек, К. (2008). «Характеристика новой открытой цилиндрической ячейки ИЦР для исследований столкновений ион-ион☆». Международный журнал масс-спектрометрии . 269 (1–2): 12–23. Bibcode : 2008IJMSp.269...12K. doi : 10.1016/j.ijms.2007.09.007.
9. Коди, Р. Б.; Хайн, Р. Э.; Гудман, С. Д.; Маршалл, Алан Г. (1987). «Возбуждение с использованием обратного преобразования Фурье с сохраненной формой сигнала для получения повышенной селективности родительских ионов при диссоциации, активированной столкновениями: предварительные результаты». Rapid Communications in Mass Spectrometry . 1 (6): 99–102. Bibcode :1987RCMS....1...99C. doi :10.1002/rcm.1290010607.
10. Ши, С.; Дрейдер, Джаред Дж.; Фрейтас, Майкл А.; Хендриксон, Кристофер Л.; Маршалл, Алан Г. (2000). «Сравнение и взаимопревращение двух наиболее распространенных функций калибровки частоты в массу для масс-спектрометрии с преобразованием Фурье и ионным циклотронным резонансом». Международный журнал масс-спектрометрии . 195–196: 591–598. Bibcode : 2000IJMSp.195..591S. doi : 10.1016/S1387-3806(99)00226-2.
11. Леонардис, Ирен; Чиаберге, Стефано; Фиорани, Тициана; Спера, Сильвия; Баттистель, Эцио; Бозетти, Альдо; Чести, Пьетро; Реале, Саманта; Де Анджелис, Франческо (8 ноября 2012 г.). «Характеристика бионефти, полученной в результате гидротермального сжижения органических отходов, с помощью ЯМР-спектроскопии и масс-спектрометрии FTICR». ChemSusChem . 6 (2): 160–167. doi : 10.1002/cssc.201200314. ПМИД  23139164.
12. Судасингхе, Нилуша; Корт, Джон; Халлен, Ричард; Оларте, Мариефель; Шмидт, Эндрю; Шауб, Таннер (1 декабря 2014 г.). «Гидротермальное сжижение нефти и гидроочищенного продукта из соснового сырья, охарактеризованного с помощью гетероядерной двумерной ЯМР-спектроскопии и масс-спектрометрии FT-ICR». Топливо . 137 : 60–69. doi : 10.1016/j.fuel.2014.07.069 .
13. Sleno L.; Volmer DA; Marshall AG (февраль 2005 г.). «Назначение ионов-продуктов из сложных спектров MS/MS: важность неопределенности массы и разрешающей способности». J. Am. Soc. Mass Spectrom. 16 (2): 183–98. doi :10.1016/j.jasms.2004.10.001. PMID  15694769.
14. Bossio RE; Marshall AG (апрель 2002 г.). «Базовое разрешение изобарических фосфорилированных и сульфатированных пептидов и нуклеотидов с помощью электрораспылительной ионизации FTICR ms: еще один шаг к протеомике на основе масс-спектрометрии». Anal. Chem. 74 (7): 1674–9. doi :10.1021/ac0108461. PMID  12033259.
15. He F.; Hendrickson CL; Marshall AG (февраль 2001 г.). «Базовое разрешение масс пептидных изобар: рекорд для разрешения молекулярной массы». Anal. Chem. 73 (3): 647–50. doi :10.1021/ac000973h. PMID  11217775.
16. Solouki T.; Marto JA; White FM; Guan S.; Marshall AG (ноябрь 1995 г.). «Анализ массы аттомолярной биомолекулы методом матрично-ассистированной лазерной десорбции/ионизации с преобразованием Фурье и ионным циклотронным резонансом». Anal. Chem. 67 (22): 4139–44. doi :10.1021/ac00118a017. PMID  8633766.
17. Scigelova, M.; Hornshaw, M.; Giannakopulos, A.; Makarov, A. (2011). "Масс-спектрометрия с преобразованием Фурье". Молекулярная и клеточная протеомика . 10 (7): M111.009431. doi : 10.1074/mcp.M111.009431 . ISSN  1535-9476. PMC 3134075. PMID 21742802  . 

Внешние ссылки

• Что находится в капле масла? Введение в ионно-циклотронный резонанс с преобразованием Фурье (FT-ICR) для неспециалистов Национальная лаборатория сильных магнитных полей
• Шотландский центр инструментальных ресурсов для передовой масс-спектрометрии
• Ионный циклотронный резонанс с преобразованием Фурье (FT-ICR) Введение в FT-ICR Университет Бристоля