Resonancia ciclotrón de iones transformada de Fourier

Instrumento en espectrometría de masas.

La espectrometría de masas por resonancia ciclotrón de iones por transformada de Fourier es un tipo de analizador de masas (o espectrómetro de masas ) para determinar la relación masa-carga ( m / z ) de iones en función de la frecuencia del ciclotrón de los iones en un campo magnético fijo. ^[1] Los iones quedan atrapados en una trampa de Penning (un campo magnético con placas de captura eléctricas), donde son excitados (en sus frecuencias resonantes de ciclotrón) a un radio de ciclotrón más grande mediante un campo eléctrico oscilante ortogonal al campo magnético. Una vez eliminado el campo de excitación, los iones giran en fase a su frecuencia de ciclotrón (como un "paquete" de iones). Estos iones inducen una carga (detectada como una corriente de imagen) en un par de electrodos cuando los paquetes de iones pasan cerca de ellos. La señal resultante se denomina desintegración por inducción libre (FID), transitoria o interferograma y consiste en una superposición de ondas sinusoidales . La señal útil se extrae de estos datos realizando una transformada de Fourier para dar un espectro de masas .

Historia

FT-ICR fue inventado por Melvin B. Comisarow ^[2] y Alan G. Marshall en la Universidad de Columbia Británica . El primer artículo apareció en Chemical Physics Letters en 1974. ^[3] La inspiración fueron desarrollos anteriores en ICR convencional y espectrometría de resonancia magnética nuclear por transformada de Fourier (FT-NMR). Marshall ha seguido desarrollando la técnica en la Universidad Estatal de Ohio y la Universidad Estatal de Florida .

Teoría

Trampa de iones lineal: espectrómetro de masas de resonancia ciclotrón de iones de transformada de Fourier (faltan paneles alrededor del imán)

La física de FTICR es similar a la de un ciclotrón , al menos en una primera aproximación.

En la forma idealizada más simple, la relación entre la frecuencia del ciclotrón y la relación masa-carga está dada por

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

donde f = frecuencia del ciclotrón, q = carga de iones, B = intensidad del campo magnético y m = masa de iones.

Esto se representa más a menudo en frecuencia angular :

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

¿Dónde está la frecuencia angular del ciclotrón , que está relacionada con la frecuencia según la definición ? ${\displaystyle \omega _{\text{c}}}$ ${\displaystyle f={\frac {\omega }{2\pi }}}$

Debido al campo eléctrico cuadrupolar utilizado para atrapar los iones en la dirección axial, esta relación es sólo aproximada. La captura eléctrica axial produce oscilaciones axiales dentro de la trampa con la frecuencia (angular)

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

donde es una constante similar a la constante del resorte de un oscilador armónico y depende del voltaje aplicado, las dimensiones de la trampa y la geometría de la trampa. ${\displaystyle \alpha }$

El campo eléctrico y el movimiento armónico axial resultante reducen la frecuencia del ciclotrón e introducen un segundo movimiento radial llamado movimiento del magnetrón que ocurre a la frecuencia del magnetrón. El movimiento del ciclotrón sigue siendo la frecuencia que se utiliza, pero la relación anterior no es exacta debido a este fenómeno. Las frecuencias angulares naturales del movimiento son

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

donde es la frecuencia de atrapamiento axial debido al atrapamiento eléctrico axial y es la frecuencia reducida del ciclotrón (angular) y es la frecuencia del magnetrón (angular). Una vez más, es lo que normalmente se mide en FTICR. El significado de esta ecuación puede entenderse cualitativamente considerando el caso donde es pequeño, lo cual es generalmente cierto. En ese caso, el valor del radical es ligeramente menor que y el valor de es ligeramente menor que (la frecuencia del ciclotrón se ha reducido ligeramente). Porque el valor del radical es el mismo (un poco menos que ), pero se resta de , lo que da como resultado un pequeño número igual a (es decir, la cantidad en la que se redujo la frecuencia del ciclotrón). ${\displaystyle \omega _{\text{t}}}$ ${\displaystyle \omega _{+}}$ ${\displaystyle \omega _{-}}$ ${\displaystyle \omega _{+}}$ ${\displaystyle \omega _{\text{t}}}$ ${\displaystyle \omega _{\text{c}}/2}$ ${\displaystyle \omega _{+}}$ ${\displaystyle \omega _{\text{c}}}$ ${\displaystyle \omega _{-}}$ ${\displaystyle \omega _{\text{c}}/2}$ ${\displaystyle \omega _{\text{c}}/2}$ ${\displaystyle \omega _{\text{c}}-\omega _{+}}$

Instrumentación

FTICR-MS se diferencia significativamente de otras técnicas de espectrometría de masas en que los iones no se detectan al golpear un detector como un multiplicador de electrones , sino solo al pasar cerca de placas de detección. Además, las masas no se resuelven en el espacio o el tiempo como ocurre con otras técnicas, sino solo mediante la frecuencia de resonancia (rotación) del ciclotrón de iones que produce cada ion al girar en un campo magnético. Por lo tanto, los diferentes iones no se detectan en diferentes lugares como con los instrumentos sectoriales o en diferentes momentos como con los instrumentos de tiempo de vuelo , sino que todos los iones se detectan simultáneamente durante el intervalo de detección. Esto proporciona un aumento en la relación señal-ruido observada debido a los principios de la ventaja de Fellgett . ^[1] En FTICR-MS, la resolución se puede mejorar aumentando la fuerza del imán (en teslas ) o aumentando la duración de la detección. ^[4]

Células

Una celda ICR cilíndrica. Las paredes de la celda están hechas de cobre y los iones ingresan a la celda desde la derecha, transmitidos por las guías de iones octopolo.

En la literatura se encuentra disponible una revisión de diferentes geometrías de celdas con sus configuraciones eléctricas específicas. ^[5] Sin embargo, las células ICR pueden pertenecer a una de las dos categorías siguientes: células cerradas o células abiertas.

Se fabricaron varias celdas ICR cerradas con diferentes geometrías y se caracterizó su rendimiento. Se utilizaron rejillas como tapas de los extremos para aplicar un campo eléctrico axial para atrapar iones axialmente (paralelos a las líneas del campo magnético). Los iones pueden generarse dentro de la célula o pueden inyectarse en la célula desde una fuente de ionización externa . También se fabricaron células ICR anidadas con doble par de rejillas para atrapar iones positivos y negativos simultáneamente.

La geometría de celda abierta más común es un cilindro, que está segmentado axialmente para producir electrodos en forma de anillo. El electrodo de anillo central se usa comúnmente para aplicar campo eléctrico de excitación radial y detección. Se aplica voltaje eléctrico de CC en los electrodos del anillo terminal para atrapar iones a lo largo de las líneas del campo magnético. ^[6] También se han diseñado celdas cilíndricas abiertas con electrodos anulares de diferentes diámetros. ^[7] Demostraron no sólo ser capaces de atrapar y detectar ambas polaridades de iones simultáneamente, sino que también lograron separar radialmente los iones positivos de los negativos. Esto presentó una gran discriminación en la aceleración cinética de los iones entre iones positivos y negativos atrapados simultáneamente dentro de la nueva célula. Recientemente se escribieron varios esquemas de aceleración axial de iones para estudios de colisión ion-ion. ^[8]

Transformada de Fourier inversa de forma de onda almacenada

La transformada inversa de Fourier de forma de onda almacenada (SWIFT) es un método para la creación de formas de onda de excitación para FTMS. ^[9] La forma de onda de excitación en el dominio del tiempo se forma a partir de la transformada inversa de Fourier del espectro de excitación en el dominio de la frecuencia apropiado, que se elige para excitar las frecuencias de resonancia de los iones seleccionados. El procedimiento SWIFT se puede utilizar para seleccionar iones para experimentos de espectrometría de masas en tándem .

Aplicaciones

La espectrometría de masas por resonancia ciclotrón de iones por transformada de Fourier (FTICR) es una técnica de alta resolución que se puede utilizar para determinar masas con alta precisión. Muchas aplicaciones de FTICR-MS utilizan esta precisión de masa para ayudar a determinar la composición de las moléculas en función de una masa precisa. Esto es posible debido al defecto masivo de los elementos. FTICR-MS puede alcanzar niveles más altos de precisión de masa que otras formas de espectrómetro de masas , en parte porque un imán superconductor es mucho más estable que el voltaje de radiofrecuencia (RF). ^[10]

Otro lugar en el que FTICR-MS es útil es al tratar con mezclas complejas, como biomasa o productos de licuefacción residual, ^{[11] [12]} ya que la resolución (ancho de pico estrecho) permite las señales de dos iones con masa a carga similar. relaciones ( m / z ) para detectarse como iones distintos. ^{[13] [14] [15]} Esta alta resolución también es útil para estudiar macromoléculas grandes, como proteínas con múltiples cargas, que pueden producirse mediante ionización por electropulverización . Por ejemplo, se ha informado del nivel atómico de detección de dos péptidos. ^[16] Estas grandes moléculas contienen una distribución de isótopos que producen una serie de picos isotópicos. Debido a que los picos isotópicos están cerca unos de otros en el eje m / z , debido a las múltiples cargas, el alto poder de resolución del FTICR es extremadamente útil. FTICR-MS también es muy útil en otros estudios de proteómica. Logra una resolución excepcional en proteómica tanto de arriba hacia abajo como de abajo hacia arriba. La disociación por captura de electrones (ECD), la disociación inducida por colisiones (CID) y la disociación multifotónica infrarroja (IRMPD) se utilizan para producir espectros de fragmentos en experimentos de espectrometría de masas en tándem. ^[17] Aunque CID e IRMPD utilizan excitación vibratoria para disociar aún más los péptidos rompiendo los enlaces amida de la columna vertebral, que generalmente tienen poca energía y son débiles, CID e IRMPD también pueden causar disociación de modificaciones postraduccionales. El DCE, por otro lado, permite preservar modificaciones específicas. Esto es bastante útil para analizar estados de fosforilación, glicosilación ligada a O o N y sulfatación. ^[17]

Referencias

1. Marshall, AG; Hendrickson, CL; Jackson, GS (1998). "Espectrometría de masas por resonancia ciclotrón de iones por transformada de Fourier: una introducción". Espectro de masas. Rdo . 17 (1): 1–35. Código Bib : 1998MSRv...17....1M. doi :10.1002/(sici)1098-2787(1998)17:1<1::aid-mas1>3.0.co;2-k. PMID  9768511.
2. "Personal de Química de la UBC: Melvin B. Comisarow". Universidad de Columbia Britanica . Consultado el 5 de noviembre de 2009 .
3. Comisarow, Melvin B. (1974). "Espectroscopia de resonancia ciclotrón de iones por transformada de Fourier". Letras de Física Química . 25 (2): 282–283. Código bibliográfico : 1974CPL....25..282C. doi :10.1016/0009-2614(74)89137-2.
4. Marshall, A. (2002). "Detección de resonancia de ciclotrón de iones por transformada de Fourier: principios y configuraciones experimentales". Revista internacional de espectrometría de masas . 215 (1–3): 59–75. Código Bib : 2002IJMSp.215...59M. doi :10.1016/S1387-3806(01)00588-7.
5. Guan, Shenheng; Marshall, Alan G. (1995). "Trampas de iones para espectrometría de masas por resonancia ciclotrón de iones por transformada de Fourier: principios y diseño de configuraciones geométricas y eléctricas". Revista internacional de espectrometría de masas y procesos iónicos . 146–147: 261–296. Código Bib : 1995IJMSI.146..261G. doi :10.1016/0168-1176(95)04190-V.
6. Marshall, Alan G.; Hendrickson, Christopher L.; Jackson, George S. (1998). "Espectrometría de masas por resonancia ciclotrón de iones por transformada de Fourier: introducción". Reseñas de espectrometría de masas . 17 (1): 1–35. Código Bib : 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. Kanawati, B.; Wanczek, KP (2007). "Caracterización de una nueva celda de resonancia de ciclotrón de iones cilíndrico abierto con geometría inusual". Revisión de Instrumentos Científicos . 78 (7): 074102–074102–8. Código Bib : 2007RScI...78g4102K. doi : 10.1063/1.2751100. PMID  17672776.
8. Kanawati, B.; Wanczek, K. (2008). "Caracterización de una nueva celda ICR cilíndrica abierta para estudios de colisión ion-ion ☆". Revista internacional de espectrometría de masas . 269 ​​(1–2): 12–23. Código Bib : 2008IJMSp.269...12K. doi :10.1016/j.ijms.2007.09.007.
9. Cody, RB; Hein, RE; Goodman, SD; Marshall, Alan G. (1987). "Excitación por transformada de Fourier inversa de forma de onda almacenada para obtener una mayor selectividad del ion original en disociación activada por colisión: resultados preliminares". Comunicaciones rápidas en espectrometría de masas . 1 (6): 99-102. Código bibliográfico : 1987RCMS....1...99C. doi :10.1002/rcm.1290010607.
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11. Leonardis, Irene; Chiaberge, Stefano; Fiorani, Tiziana; Spera, Silvia; Battistel, Ezio; Bosetti, Aldo; Cesti, Pietro; Reale, Samantha; De Angelis, Francesco (8 de noviembre de 2012). "Caracterización de bioaceite procedente de licuefacción hidrotermal de residuos orgánicos mediante espectroscopia de RMN y espectrometría de masas FTICR". ChemSusChem . 6 (2): 160–167. doi : 10.1002/cssc.201200314. PMID  23139164.
12. Sudasinghe, Nilusha; Cortés, Juan; Hallen, Richard; Olarte, Mariefel; Schmidt, Andrés; Schaub, Tanner (1 de diciembre de 2014). "Aceite de licuefacción hidrotérmica y producto hidrotratado a partir de materia prima de pino caracterizado por espectroscopia de RMN bidimensional heteronuclear y espectrometría de masas FT-ICR". Combustible . 137 : 60–69. doi : 10.1016/j.fuel.2014.07.069 .
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17. Scigelova, M.; Hornshaw, M.; Giannakopulos, A.; Makárov, A. (2011). "Espectrometría de masas por transformada de Fourier". Proteómica molecular y celular . 10 (7): M111.009431. doi : 10.1074/mcp.M111.009431 . ISSN  1535-9476. PMC 3134075 . PMID  21742802. 

enlaces externos

• ¿Qué hay en una gota de aceite? Introducción a la resonancia ciclotrón de iones por transformada de Fourier (FT-ICR) para no científicos Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético
• Centro escocés de recursos de instrumentación para espectrometría de masas avanzada
• Transformada de Fourier Resonancia ciclotrón de iones (FT-ICR) FT-ICR Introducción Universidad de Bristol