Ионный циклотронный резонанс с преобразованием Фурье - Fourier-transform ion cyclotron resonance

Ионный циклотронный резонанс с преобразованием Фурье

Акроним	FTICR
Классификация	Масс-спектрометрии
Другие техники
Связанный	Ионная ловушка Квадрупольная ионная ловушка Ловушка Пеннинга Орбитальная ловушка

Масс-спектрометрия с ионным циклотронным резонансом с преобразованием Фурье тип масс-анализатора (или масс-спектрометр ) для определения отношение массы к заряду (м/z) из ионы на основе циклотронная частота ионов в фиксированном магнитном поле.^[1] Ионы захватываются Ловушка 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 спад свободной индукции (FID), переходный процесс или интерферограмма, состоящая из суперпозиции синусоидальные волны. Полезный сигнал извлекается из этих данных путем выполнения преобразование Фурье дать масс-спектр.

История

FT-ICR был изобретен Мелвин Б. Комисаров^[2] и Алан Дж. Маршалл на Университет Британской Колумбии. Первая статья появилась в Письма по химической физике в 1974 г.^[3] Вдохновением послужили более ранние разработки обычных ICR и Ядерный магнитный резонанс с преобразованием Фурье (FT-ЯМР) спектроскопия. Маршалл продолжал развивать эту технику в Государственный университет Огайо и Университет штата Флорида.

Теория

Линейная ионная ловушка - масс-спектрометр ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье (панели вокруг магнита отсутствуют)

Физика FTICR аналогична физике циклотрон по крайней мере в первом приближении.

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

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

куда ж = циклотронная частота, q = заряд иона, B = напряженность магнитного поля и м = масса иона.

Это чаще всего представлено в угловая частота:

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

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

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

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

куда ${\displaystyle \alpha }$ постоянная, аналогичная жесткости пружины гармонический осциллятор и зависит от приложенного напряжения, размеров ловушки и геометрии ловушки.

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 используется в качестве частоты, но приведенное выше соотношение не является точным из-за этого явления. Собственные угловые частоты движения равны

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

куда ${\displaystyle \omega _{\text{t}}}$ - аксиальная частота захвата из-за аксиального электрического захвата и ${\displaystyle \omega _{+}}$ - приведенная циклотронная (угловая) частота и ${\displaystyle \omega _{-}}$ - магнетронная (угловая) частота. Опять таки, ${\displaystyle \omega _{+}}$ это то, что обычно измеряется в FTICR. Смысл этого уравнения качественно можно понять, рассмотрев случай, когда ${\displaystyle \omega _{\text{t}}}$ маленький, что в целом верно. В этом случае значение радикала чуть меньше, чем ${\displaystyle \omega _{\text{c}}/2}$, а значение ${\displaystyle \omega _{+}}$ чуть меньше чем ${\displaystyle \omega _{\text{c}}}$ (циклотронная частота немного уменьшена). За ${\displaystyle \omega _{-}}$ значение радикала такое же (чуть меньше чем ${\displaystyle \omega _{\text{c}}/2}$), но вычитается из ${\displaystyle \omega _{\text{c}}/2}$, в результате получается небольшое число, равное ${\displaystyle \omega _{\text{c}}-\omega _{+}}$ (т.е. величина, на которую была уменьшена циклотронная частота).

Приборы

FTICR-MS существенно отличается от других масс-спектрометрии методы в том, что ионы не обнаруживаются при попадании в детектор, такой как электронный умножитель но только проходя мимо пластин обнаружения. Кроме того, массы не разрешаются в пространстве или времени, как с другими методами, а только с помощью ионный циклотронный резонанс (вращательная) частота, которую производит каждый ион при вращении в магнитном поле. Таким образом, разные ионы не обнаруживаются в разных местах, как с отраслевые инструменты или в разное время, как с время полета инструменты, но все ионы обнаруживаются одновременно в течение интервала обнаружения. Это обеспечивает увеличение наблюдаемого соотношение сигнал шум благодаря принципам Преимущество Феллгетта.^[1] В FTICR-MS разрешение можно улучшить либо за счет увеличения силы магнита (в теслас ) или увеличив длительность обнаружения.^[4]

Клетки

Цилиндрическая ячейка ИЦР. Стенки ячейки сделаны из меди, и ионы попадают в ячейку справа, передаваясь по октопольным ионопроводам.

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 как торцевые крышки для приложения осевого электрического поля для захвата ионов в осевом направлении (параллельно силовым линиям магнитного поля). Ионы могут либо генерироваться внутри ячейки, либо вводиться в ячейку из внешнего источника. источник ионизации. Также были изготовлены вложенные ячейки ICR с двойной парой решеток для одновременного улавливания как положительных, так и отрицательных ионов.

Наиболее распространенная геометрия открытой ячейки - это 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] Разработаны также открытые цилиндрические ячейки с кольцевыми электродами разного диаметра.^[7] Они доказали, что способны не только захватывать и обнаруживать 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

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. Процедура SWIFT может использоваться для выбора ионов для тандемная масс-спектрометрия эксперименты.

Приложения

Масс-спектрометрия с ионным циклотронным резонансом (FTICR) с преобразованием Фурье - это метод с высоким разрешением, 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 благодаря массовый дефект элементов. FTICR-MS позволяет достичь более высокого уровня точности массы, чем другие формы масс-спектрометр отчасти потому, что сверхпроводящий магнит намного стабильнее, чем радиочастота (RF) напряжение.^[10] Еще одна область применения FTICR-MS - это работа со сложными смесями, такими как биомасса или продукты сжижения отходов,^[11][12] поскольку разрешение (малая ширина пика) допускает сигналы двух ионов с одинаковым отношением массы к заряду (м/z), чтобы быть обнаруженными 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 ионизация электрораспылением. Например, сообщалось об аттомольном уровне обнаружения двух пептидов.^[16] Эти большие молекулы содержат распределение изотопы которые производят серию изотопных пиков. Поскольку изотопные пики близки друг к другу на м/z оси, благодаря множеству 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]

Рекомендации

1. Marshall, A. G .; Hendrickson, C.L .; Джексон, Г. С. (1998). «Масс-спектрометрия ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье: праймер». Масс-спектрометрия. Rev. 17 (1): 1–35. Bibcode:1998MSRv ... 17 .... 1M. Дои:10.1002 / (sici) 1098-2787 (1998) 17: 1 <1 :: aid-mas1> 3.0.co; 2-k. PMID  9768511.
2. "Химический персонал UBC: Мелвин Б. Комисаров". Университет Британской Колумбии. Получено 2009-11-05.
3. Комисаров, Мелвин Б. (1974). «Спектроскопия ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье». Письма по химической физике. 25 (2): 282–283. Bibcode:1974CPL .... 25..282C. Дои:10.1016/0009-2614(74)89137-2.
4. Маршалл, А. (2002). "Детектирование ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье: принципы и экспериментальные схемы". Международный журнал масс-спектрометрии. 215 (1–3): 59–75. Bibcode:2002IJMSp.215 ... 59M. Дои:10.1016 / S1387-3806 (01) 00588-7.
5. Гуань, Шэньхэн; Маршалл, Алан Г. (1995). «Ионные ловушки для масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье: принципы и конструкция геометрических и электрических конфигураций». Международный журнал масс-спектрометрии и ионных процессов. 146–147: 261–296. Bibcode:1995IJMSI.146..261G. Дои:10.1016 / 0168-1176 (95) 04190-В.
6. Маршалл, Алан Дж .; Хендриксон, Кристофер Л .; Джексон, Джордж С. (1998). "Масс-спектрометрия ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье: Праймер". Обзоры масс-спектрометрии. 17 (1): 1–35. Bibcode:1998MSRv ... 17 .... 1M. Дои:10.1002 / (SICI) 1098-2787 (1998) 17: 1 <1 :: AID-MAS1> 3.0.CO; 2-K. ISSN  0277-7037. PMID  9768511.
7. Kanawati, B .; Ванчек, К. П. (2007). «Описание новой открытой цилиндрической ячейки ионного циклотронного резонанса необычной геометрии». Обзор научных инструментов. 78 (7): 074102–074102–8. Bibcode:2007RScI ... 78g4102K. Дои:10.1063/1.2751100. PMID  17672776.
8. Kanawati, B .; Ванчек, К. (2008). «Характеристика новой открытой цилиндрической ячейки ИЦР для исследования ион-ионных столкновений ☆». Международный журнал масс-спектрометрии. 269 (1–2): 12–23. Bibcode:2008IJMSp.269 ... 12K. Дои:10.1016 / j.ijms.2007.09.007.
9. Cody, R. B .; Hein, R.E .; Goodman, S.D .; Маршалл, Алан Г. (1987). «Сохраненная форма волны возбуждения с обратным преобразованием Фурье для повышения селективности родительских ионов при диссоциации, активируемой столкновениями: предварительные результаты». Быстрые коммуникации в масс-спектрометрии. 1 (6): 99–102. Bibcode:1987RCMS .... 1 ... 99C. Дои:10.1002 / RCM.1290010607.
10. Ши, S; Дрейдер, Джаред Дж .; Freitas, Michael A .; Хендриксон, Кристофер Л .; Маршалл, Алан Г. (2000). «Сравнение и взаимное преобразование двух наиболее распространенных функций калибровки частоты к массе для масс-спектрометрии с ионным циклотронным резонансом с преобразованием Фурье». Международный журнал масс-спектрометрии. 195–196: 591–598. Bibcode:2000IJMSp.195..591S. Дои:10.1016 / S1387-3806 (99) 00226-2.
11. Леонардис, Ирэн; Кьяберге, Стефано; Фьорани, Тициана; Спера, Сильвия; Баттистель, Эцио; Бозетти, Альдо; Чести, Пьетро; Реале, Саманта; Де Анжелис, Франческо (8 ноября 2012 г.). «Характеристика бионефти от гидротермального сжижения органических отходов с помощью ЯМР-спектроскопии и масс-спектрометрии FTICR». ChemSusChem. 6 (2): 160–167. Дои:10.1002 / cssc.201200314. PMID  23139164.
12. Судасингхе, Нилуша; Корт, Джон; Халлен, Ричард; Оларте, Марифель; Шмидт, Эндрю; Шауб, Таннер (1 декабря 2014 г.). «Масло гидротермального сжижения и продукт гидроочистки из соснового сырья, охарактеризованный методами гетероядерной двумерной ЯМР-спектроскопии и масс-спектрометрии FT-ICR». Топливо. 137: 60–69. Дои:10.1016 / j.fuel.2014.07.069.
13. Слено Л., Фольмер Д. А., Маршалл А. Г. (февраль 2005 г.). «Определение ионов продукта из комплексных МС / МС спектров: важность неопределенности массы и разрешающей способности». Варенье. Soc. Масс-спектрометрия. 16 (2): 183–98. Дои:10.1016 / j.jasms.2004.10.001. PMID  15694769.
14. Боссио Р. Э., Маршалл А. Г. (апрель 2002 г.). «Базовое разрешение изобарных фосфорилированных и сульфатированных пептидов и нуклеотидов с помощью ионизации электрораспылением FTICR ms: еще один шаг к протеомике на основе масс-спектрометрии». Анальный. Chem. 74 (7): 1674–9. Дои:10.1021 / ac0108461. PMID  12033259.
15. Хе Ф., Хендриксон С. Л., Маршалл А. Г. (февраль 2001 г.). «Базовое массовое разрешение пептидных изобар: рекорд разрешения молекулярной массы». Анальный. Chem. 73 (3): 647–50. Дои:10.1021 / ac000973h. PMID  11217775.
16. Солоуки Т., Марто Дж. А., Уайт Ф. М., Гуан С., Маршалл А. Г. (ноябрь 1995 г.). "Анализ массы биомолекул Attomole с помощью матричной лазерной десорбции / ионизации с преобразованием Фурье ионного циклотронного резонанса". Анальный. Chem. 67 (22): 4139–44. Дои:10.1021 / ac00118a017. PMID  8633766.
17. Щигелова, М .; Хорншоу, М .; Giannakopulos, A .; Макаров, А. (2011). «Масс-спектрометрия с преобразованием Фурье». Молекулярная и клеточная протеомика. 10 (7): M111.009431. Дои:10.1074 / mcp.M111.009431. ISSN  1535-9476. ЧВК  3134075. PMID  21742802.

внешняя ссылка

• Что в капле масла? Введение в ионный циклотронный резонанс с преобразованием Фурье (FT-ICR) для не-ученых Национальная лаборатория сильного магнитного поля
• Шотландский центр ресурсов по приборостроению для расширенной масс-спектрометрии
• Ионный циклотронный резонанс с преобразованием Фурье (FT-ICR) FT-ICR Введение Бристольский университет