Ионный циклотронный резонанс с преобразованием Фурье

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 попадают в ловушку Пеннинга.(магнитное поле с электрическими захватывающими пластинами), где они возбуждаются (на их резонансных циклотронных частотах) до большего циклотронного радиуса осциллирующим электрическим полем, ортогональным магнитному полю. После снятия поля возбуждения ионы вращаются на своей циклотронной частоте синфазно (как «пакет» ионов). Эти ионы индуцируют заряд (определяемый как ток изображения) на паре электродов, когда пакеты ионов проходят рядом с ними. Результирующий сигнал называется свободным индукционным затуханием (FID), переходным процессом или интерферограммой, который состоит из суперпозиции синусоидальных волн . Полезный сигнал извлекается из этих данных путем преобразования Фурье для получения масс-спектра .

История [ править ]

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

Теория [ править ]

Линейная ионная ловушка - масс-спектрометр с ионным циклотронным резонансом с преобразованием Фурье (панели вокруг магнита отсутствуют)

Физика FTICR аналогична физике циклотрона, по крайней мере, в первом приближении.

В простейшем идеализированном виде соотношение между циклотронной частотой и отношением массы к заряду дается выражением

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

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

Это чаще всего выражается в угловой частоте :

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

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

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

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

где - постоянная, аналогичная жесткости пружины гармонического осциллятора, и зависит от приложенного напряжения, размеров ловушки и геометрии ловушки.${\displaystyle \alpha }$

Электрическое поле и возникающее в результате осевое гармоническое движение снижает циклотронную частоту и вводит второе радиальное движение, называемое движением магнетрона, которое происходит на частоте магнетрона. Циклотронное движение по-прежнему является используемой частотой, но приведенное выше соотношение не является точным из-за этого явления. Собственные угловые частоты движения равны

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

где - осевая частота захвата из-за аксиального электрического захвата, - приведенная циклотронная (угловая) частота, - магнетронная (угловая) частота. Опять же, это то , что обычно измеряется в FTICR. Смысл этого уравнения можно понять качественно, рассмотрев случай, когда мала, что в общем случае верно. В этом случае значение радикала чуть меньше , а значение чуть меньше (циклотронная частота немного уменьшена). Ибо значение радикала такое же (немного меньше ), но оно вычитается из него , в результате получается небольшое число, равное${\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 _{+}}$ (т.е. величина, на которую была уменьшена циклотронная частота).

Инструменты [ править ]

FTICR-MS значительно отличается от других методов масс-спектрометрии в том, что ионы обнаруживаются не при попадании в детектор, такой как электронный умножитель, а только при прохождении рядом с детекторными пластинами. Кроме того, массы не разрешаются в пространстве или времени, как в других методах, а только с помощью частоты ионного циклотронного резонанса (вращения), которую каждый ион производит при вращении в магнитном поле. Таким образом, разные ионы не обнаруживаются в разных местах, как с помощью секторных приборов, или в разное время, как с помощью времяпролетных приборов, 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 можно улучшить либо за счет увеличения силы магнита (в теслах ), либо за счет увеличения продолжительности обнаружения. ^[4]

Ячейки [ править ]

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

Было изготовлено несколько закрытых ячеек ИЦР с различной геометрией и охарактеризована их работа. Сетки использовались в качестве торцевых заглушек для приложения осевого электрического поля для захвата ионов в осевом направлении (параллельно силовым линиям магнитного поля). Ионы могут генерироваться внутри ячейки или вводиться в ячейку от внешнего источника ионизации . Также были изготовлены вложенные ячейки ICR с двойной парой решеток для одновременного улавливания как положительных, так и отрицательных ионов.

Наиболее распространенной геометрией открытых ячеек является цилиндр, который сегментирован в осевом направлении для получения электродов в форме кольца. Центральный кольцевой электрод обычно используется для приложения радиального возбуждающего электрического поля и обнаружения. Электрическое напряжение постоянного тока подается на контактные кольцевые электроды для захвата ионов вдоль силовых линий магнитного поля. ^[6] Также были разработаны открытые цилиндрические ячейки с кольцевыми электродами разного диаметра. ^[7]Они доказали свою способность не только захватывать и регистрировать обе полярности ионов одновременно, но также им удалось отделить положительные ионы от отрицательных в радиальном направлении. Это представляет собой большую дискриминацию в кинетическом ускорении ионов между положительными и отрицательными ионами, одновременно захваченными внутри новой ячейки. Недавно было написано несколько схем аксиального ускорения ионов для исследования ион-ионных столкновений. ^[8]

Обратное преобразование Фурье с сохраненной формой сигнала [ править ]

Обратное преобразование Фурье с сохраненной формой сигнала (SWIFT) - это метод создания сигналов 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. Процедуру SWIFT можно использовать для отбора ионов для тандемных масс-спектрометрических экспериментов.

Приложения [ править ]

Масс-спектрометрия с ионным циклотронным резонансом (FTICR) с преобразованием Фурье - это метод высокого разрешения, который можно использовать для определения масс с высокой точностью. Многие приложения FTICR-MS используют эту точность измерения массы, чтобы помочь определить состав молекул на основе точной массы. Это возможно из-за массового брака элементов. FTICR-MS позволяет достичь более высокого уровня точности измерения массы, чем другие виды масс-спектрометров , отчасти потому, что сверхпроводящий магнит намного более стабилен, чем радиочастотное (RF) напряжение. ^[10]

Еще одно место, где FTICR-MS полезна, - это работа со сложными смесями, такими как биомасса или продукты сжижения отходов, ^{[11] [12],} поскольку разрешение (узкая ширина пика) позволяет получать сигналы двух ионов с одинаковой массой к заряду. отношения ( m / z ), которые должны быть обнаружены как отдельные ионы. ^{[13] [14] [15]} Это высокое разрешение также полезно при изучении крупных макромолекул, таких как белки с множественными зарядами, которые могут быть получены ионизацией электрораспылением . Например, сообщалось об аттомольном уровне обнаружения двух пептидов. ^[16] Эти большие молекулы содержат распределение изотоповкоторые производят серию изотопных пиков. Поскольку изотопные пики близки друг к другу на оси m / z , из-за множественных зарядов высокая разрешающая способность FTICR чрезвычайно полезна. FTICR-MS также очень полезен в других исследованиях протеомики. Он обеспечивает исключительное разрешение как в нисходящей, так и в восходящей протеомике. Диссоциация с захватом электронов (ECD), диссоциация, индуцированная столкновениями (CID) и инфракрасная многофотонная диссоциация (IRMPD) - все они используются для получения спектров фрагментов в тандемных масс-спектрометрических экспериментах. ^[17]Хотя CID и IRMPD используют колебательное возбуждение для дальнейшей диссоциации пептидов путем разрыва амидных связей основной цепи, которые обычно имеют низкую энергию и слабые, 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 [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Что в капле масла? Введение в ионный циклотронный резонанс с преобразованием Фурье (FT-ICR) для лиц, не являющихся учеными, Национальная лаборатория сильных магнитных полей
• Шотландский центр ресурсов по приборостроению для продвинутой масс-спектрометрии
• Ионный циклотронный резонанс с преобразованием Фурье (FT-ICR) FT-ICR Введение в Бристольский университет