Resonancia ciclotrónica iónica por transformada de Fourier

Instrumento en espectrometría de masas

La espectrometría de masas por resonancia 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 de 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 atrapamiento eléctricas), donde se excitan (a sus frecuencias de ciclotrón resonantes) a un radio de ciclotrón mayor mediante un campo eléctrico oscilante ortogonal al campo magnético. Después de que se elimina el campo de excitación, los iones giran a su frecuencia de ciclotrón en fase (como un "paquete" de iones). Estos iones inducen una carga (detectada como una corriente de imagen) en un par de electrodos a medida que los paquetes de iones pasan cerca de ellos. La señal resultante se denomina decaimiento por inducción libre (FID), transitorio o interferograma que consiste en una superposición de ondas sinusoidales . La señal útil se extrae de estos datos realizando una transformada de Fourier para obtener un espectro de masas .

Historia

La FT-ICR fue inventada 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 la ICR convencional y la espectrometría de resonancia magnética nuclear por transformada de Fourier (FT-NMR). Marshall ha continuado desarrollando la técnica en la Universidad Estatal de Ohio y la Universidad Estatal de Florida .

Teoría

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

La física del FTICR es similar a la de un ciclotrón , al menos en la 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 iónica, B = intensidad del campo magnético y m = masa iónica.

Esto se representa más a menudo en frecuencia angular :

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

donde es la frecuencia angular del ciclotrón , que está relacionada con la frecuencia por 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 solo aproximada. El atrapamiento eléctrico axial da como resultado 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 de 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 se produce en 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). Nuevamente, es lo que normalmente se mide en FTICR. El significado de esta ecuación se puede entender cualitativamente considerando el caso donde es pequeño, lo que generalmente es cierto. En ese caso, el valor del radical es apenas ligeramente menor que , y el valor de es apenas ligeramente menor que (la frecuencia del ciclotrón se ha reducido levemente). Para el valor del radical es el mismo (apenas menor que ), pero se resta de , lo que resulta en un número pequeño 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

La espectrometría de masas por radiofrecuencia (FTICR-MS) difiere significativamente de otras técnicas de espectrometría de masas en que los iones no se detectan al chocar con un detector, como un multiplicador de electrones , sino solo al pasar cerca de las placas de detección. Además, las masas no se resuelven en el espacio o el tiempo como con otras técnicas, sino solo por la frecuencia de resonancia ciclotrónica iónica (rotacional) que cada ion produce al rotar 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 la espectrometría de masas por radiofrecuencia (FTICR-MS), la resolución se puede mejorar ya sea aumentando la fuerza del imán (en teslas ) o aumentando la duración de la detección. ^[4]

Células

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

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

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

La geometría de celda abierta más común es un cilindro, que se segmenta axialmente para producir electrodos en forma de anillo. El electrodo de anillo central se usa comúnmente para aplicar un campo eléctrico de excitación radial y detección. Se aplica voltaje eléctrico de CC en los electrodos de anillo terminales para atrapar iones a lo largo de las líneas de campo magnético. ^[6] También se han diseñado celdas cilíndricas abiertas con electrodos de anillo de diferentes diámetros. ^[7] Demostraron no solo ser capaces de atrapar y detectar ambas polaridades de iones simultáneamente, sino que también lograron separar los iones positivos de los negativos radialmente. Esto presentó una gran discriminación en la aceleración cinética de iones entre iones positivos y negativos atrapados simultáneamente dentro de la nueva celda. 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 de Fourier inversa 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 de Fourier inversa 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 iónica por transformada de Fourier (FTICR) es una técnica de alta resolución que se puede utilizar para determinar masas con gran precisión. Muchas aplicaciones de FTICR-MS utilizan esta precisión de masa para ayudar a determinar la composición de las moléculas en función de la masa exacta. Esto es posible debido al defecto de masa de los elementos. FTICR-MS puede lograr 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 la FTICR-MS es útil es en el tratamiento de mezclas complejas, como biomasa o productos de licuefacción de residuos, ^{[11] [12]} ya que la resolución (ancho de pico estrecho) permite detectar las señales de dos iones con relaciones masa-carga similares ( m / z ) como iones distintos. ^{[13] [14] [15]} Esta alta resolución también es útil en el estudio de macromoléculas grandes como proteínas con múltiples cargas, que pueden producirse mediante ionización por electrospray . Por ejemplo, se ha informado de un nivel de detección de attomoles 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 uno del otro en el eje m / z , debido a las múltiples cargas, el alto poder de resolución de la FTICR es extremadamente útil. La FTICR-MS también es muy útil en otros estudios de proteómica. Logra una resolución excepcional tanto en proteómica de arriba hacia abajo como de abajo hacia arriba. La disociación por captura de electrones (ECD), la disociación inducida por colisión (CID) y la disociación multifotónica infrarroja (IRMPD) se utilizan para producir espectros de fragmentos en experimentos de espectrometría de masas en tándem. ^[17] Aunque la CID y la IRMPD utilizan la excitación vibracional para disociar aún más los péptidos rompiendo los enlaces amida de la cadena principal, que suelen ser de baja energía y débiles, la CID y la IRMPD también pueden causar la disociación de modificaciones postraduccionales. La ECD, por otro lado, permite preservar modificaciones específicas. Esto es bastante útil para analizar los estados de fosforilación, la glicosilación ligada a O o N y la sulfatación. ^[17]

Referencias

1. Marshall, AG; Hendrickson, CL; Jackson, GS (1998). "Espectrometría de masas por resonancia de ciclotrón iónico con transformada de Fourier: una introducción". 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". Universidad de Columbia Británica . Consultado el 5 de noviembre de 2009 .
3. Comisarow, Melvin B. (1974). "Espectroscopia de resonancia ciclotrónica de iones por transformada de Fourier". Chemical Physics Letters . 25 (2): 282–283. Bibcode :1974CPL....25..282C. doi :10.1016/0009-2614(74)89137-2.
4. Marshall, A. (2002). "Detección por resonancia ciclotrónica de iones mediante transformada de Fourier: principios y configuraciones experimentales". Revista internacional de espectrometría de masas . 215 (1–3): 59–75. Código Bibliográfico :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 ciclotrónica 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 Bibliográfico :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 de ciclotrón iónico con transformada de Fourier: una introducción". 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. Kanawati, B.; Wanczek, KP (2007). "Caracterización de una nueva celda de resonancia de ciclotrón iónico cilíndrica abierta con geometría inusual". Review of Scientific Instruments . 78 (7): 074102–074102–8. Bibcode :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. Bibcode :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 la disociación activada por colisión: resultados preliminares". Comunicaciones rápidas en espectrometría de masas . 1 (6): 99–102. Bibcode :1987RCMS....1...99C. doi :10.1002/rcm.1290010607.
10. Shi, S; Drader, Jared J.; Freitas, Michael A.; Hendrickson, Christopher L.; Marshall, Alan G. (2000). "Comparación e interconversión de las dos funciones de calibración de frecuencia a masa más comunes para espectrometría de masas por resonancia de ciclotrón iónico con transformada de Fourier". Revista internacional de espectrometría de masas . 195–196: 591–598. Código Bibliográfico :2000IJMSp.195..591S. doi :10.1016/S1387-3806(99)00226-2.
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.
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17. Scigelova, M.; Hornshaw, M.; Giannakopulos, A.; Makarov, 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 iónica ciclotrónica por transformada de Fourier (FT-ICR) para no científicos Laboratorio Nacional de Altos Campos Magnéticos
• Centro de recursos de instrumentación escocés para espectrometría de masas avanzada
• Resonancia ciclotrónica iónica por transformada de Fourier (FT-ICR) Introducción a la FT-ICR Universidad de Bristol