Ионный циклотронный резонанс с преобразованием Фурье

Преобразование Фурье ионно-циклотронный резонанс
Акроним	ФТИКР
Классификация	Масс-спектрометрия
Другие методы
Связанный	Ионная ловушка ; Квадрупольная ионная ловушка ; Ловушка Пеннинга ; Орбитальная ловушка

Масс-спектрометрия ионного циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием — 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 улавливаются в ловушке Пеннинга (магнитное поле с электрическими улавливающими пластинами), где они возбуждаются (на своих резонансных циклотронных частотах) до большего циклотронного радиуса колеблющимся электрическим полем, ортогональным магнитному полю. После снятия поля возбуждения ионы вращаются со своей циклотронной частотой синфазно (как «пакет» ионов). Эти ионы индуцируют заряд (определяемый как ток изображения) на паре электродов, когда пакеты ионов проходят близко к ним. Результирующий сигнал называется спадом свободной индукции (FID), 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. Комисаровом. ^[2] и Алан Дж. Маршалл 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-спектрометрии и спектрометрии ядерного магнитного резонанса с преобразованием Фурье (FT-ЯМР). Маршалл продолжал развивать эту технику в Университете штата Огайо и Университете штата Флорида .

Теория

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

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

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

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 :

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

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

Поскольку для захвата ионов в осевом направлении используется квадруполярное электрическое поле, это соотношение является лишь приблизительным. Осевой электрический захват приводит к осевым колебаниям внутри ловушки с (угловой) частотой

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

где $\alpha$ представляет собой константу, аналогичную жесткости пружины гармонического генератора и зависит от приложенного напряжения, размеров ловушки и геометрии ловушки.

Электрическое поле и возникающее в результате осевое гармоническое движение уменьшают циклотронную частоту и создают второе радиальное движение, называемое магнетронным движением, которое происходит на частоте магнетрона. Циклотронное движение по-прежнему используется в качестве частоты, но приведенное выше соотношение неточно из-за этого явления. Собственные угловые частоты движения:

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

где $\omega _{\text{t}}$ - частота осевого захвата из-за осевого электрического захвата и $\omega _{+}$ – приведенная циклотронная (угловая) частота и $\omega _{-}$ – магнетронная (угловая) частота. Снова, $\omega _{+}$ это то, что обычно измеряется в FTICR. Качественно смысл этого уравнения можно понять, рассмотрев случай, когда $\omega _{\text{t}}$ мал, что в целом верно. В этом случае значение радикала лишь немногим меньше $\omega _{\text{c}}/2$ , и значение $\omega _{+}$ это лишь немного меньше, чем $\omega _{\text{c}}$ (циклотронная частота немного уменьшена). Для $\omega _{-}$ значение радикала такое же (чуть меньше, чем $\omega _{\text{c}}/2$ ), но оно вычитается из $\omega _{\text{c}}/2$ , в результате чего получается небольшое число, равное $\omega _{\text{c}}-\omega _{+}$ (т.е. степень, на которую уменьшилась циклотронная частота).

Инструментарий

FTICR-MS существенно отличается от других методов масс-спектрометрии тем, что ионы обнаруживаются не путем попадания в детектор, такой как электронный умножитель , а только при прохождении вблизи детекторных пластин. Кроме того, массы не разрешаются в пространстве или времени, как в других методах, а только с помощью частоты ионного циклотронного резонанса (вращения), которую создает каждый ион при вращении в магнитном поле. Таким образом, разные ионы не обнаруживаются в разных местах, как у секторных приборов , или в разное время, как у времяпролетных приборов, а все ионы обнаруживаются одновременно в течение интервала обнаружения. Это обеспечивает увеличение наблюдаемого отношения сигнал/шум за счет принципа преимущества Феллгетта . ^[1] В FTICR-MS разрешение можно улучшить либо за счет увеличения силы магнита (в теслах ), либо за счет увеличения продолжительности обнаружения. ^[4]

Клетки

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 ICR различной геометрии и охарактеризованы их характеристики. Сетки использовались в качестве торцевых крышек для приложения осевого электрического поля для захвата ионов в осевом направлении (параллельно линиям магнитного поля). Ионы могут генерироваться внутри клетки или вводиться в клетку из внешнего источника ионизации . Также были изготовлены вложенные ячейки ICR с двойной парой сеток для одновременного улавливания как положительных, так и отрицательных ионов.

Наиболее распространенной геометрией открытых ячеек является цилиндр, который сегментирован по оси для получения электродов в форме кольца. Центральный кольцевой электрод обычно используется для приложения радиального электрического поля возбуждения и обнаружения. Электрическое напряжение постоянного тока подается на концевые кольцевые электроды для улавливания ионов вдоль силовых линий магнитного поля. ^[6] Разработаны также открытые цилиндрические ячейки с кольцевыми электродами различного диаметра. ^[7] Они оказались способны не только улавливать и обнаруживать ионы обеих полярностей одновременно, но также им удалось радиально отделить положительные ионы от отрицательных. Это обеспечило большую разницу в кинетическом ускорении ионов между положительными и отрицательными ионами, одновременно захваченными внутри новой ячейки. Недавно для исследования ион-ионных столкновений было написано несколько схем аксиального ускорения ионов. ^[8]

Обратное преобразование Фурье сохраненной формы 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 выбран для возбуждения резонансных частот выбранных ионов. Процедура SWIFT может использоваться для отбора ионов для экспериментов по тандемной масс-спектрометрии .

Приложения

Масс-спектрометрия ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье (FTICR) - это метод высокого разрешения, который можно использовать для определения масс с высокой точностью. Во многих приложениях FTICR-MS эта точность массы используется для определения состава молекул на основе точной массы. Это возможно из-за дефекта массы элементов. FTICR-MS способен достичь более высокого уровня точности измерения массы, чем другие формы масс-спектрометра , отчасти потому, что сверхпроводящий магнит гораздо более стабилен, чем радиочастотное (РЧ) напряжение. ^[10]

Еще одна область применения FTICR-MS — это работа со сложными смесями, такими как биомасса или продукты сжижения отходов. ^[11]^[12] поскольку разрешение (узкая ширина пика) позволяет сигналы двух ионов с одинаковым отношением массы к заряду ( m / z ) как отдельные ионы. обнаруживать ^[13]^[14]^[15] Такое высокое разрешение также полезно при изучении крупных макромолекул, таких как белки с несколькими зарядами, которые можно получить с помощью ионизации электрораспылением . Например, сообщалось об аттомольном уровне обнаружения двух пептидов. ^[16] Эти большие молекулы содержат распределение изотопов , которое дает серию изотопных пиков. Поскольку из-за множественных зарядов изотопные пики расположены близко друг к другу по оси m / z , высокая разрешающая способность FTICR чрезвычайно полезна. FTICR-MS очень полезен и в других исследованиях протеомики. Он обеспечивает исключительное разрешение как в протеомике сверху вниз, так и снизу вверх. Диссоциация электронного захвата (ECD), диссоциация, индуцированная 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 могут также 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

^ Jump up to: ^а ^б Маршалл, АГ; Хендриксон, CL; Джексон, GS (1998). «Масс-спектрометрия ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье: учебник для начинающих». Масс-спектр. Преподобный . 17 (1): 1–35. Бибкод : 1998MSRv...17....1M . doi : 10.1002/(sici)1098-2787(1998)17:1<1::aid-mas1>3.0.co;2-k . ПМИД 9768511 .
^ «Сотрудники химического отдела UBC: Мелвин Б. Комисароу» . Университет Британской Колумбии . Проверено 5 ноября 2009 г.
^ Комисаров, Мелвин Б. (1974). «Спектроскопия ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье». Письма по химической физике . 25 (2): 282–283. Бибкод : 1974CPL....25..282C . дои : 10.1016/0009-2614(74)89137-2 .
^ Маршалл, А. (2002). «Обнаружение ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье: принципы и экспериментальные конфигурации». Международный журнал масс-спектрометрии . 215 (1–3): 59–75. Бибкод : 2002IJMSp.215...59M . дои : 10.1016/S1387-3806(01)00588-7 .
^ Гуань, Шэньхэн; Маршалл, Алан Г. (1995). «Ионные ловушки для масс-спектрометрии ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье: принципы и конструкция геометрической и электрической конфигураций». Международный журнал масс-спектрометрии и ионных процессов . 146–147: 261–296. Бибкод : 1995IJMSI.146..261G . дои : 10.1016/0168-1176(95)04190-В .
^ Маршалл, Алан Г.; Хендриксон, Кристофер Л.; Джексон, Джордж С. (1998). «Масс-спектрометрия ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье: учебник для начинающих». Обзоры масс-спектрометрии . 17 (1): 1–35. Бибкод : 1998MSRv...17....1M . doi : 10.1002/(SICI)1098-2787(1998)17:1<1::AID-MAS1>3.0.CO;2-K . ISSN 0277-7037 . ПМИД 9768511 .
^ Канавати, Б.; Ванчек, КП (2007). «Характеристика новой открытой цилиндрической ячейки ионно-циклотронного резонанса с необычной геометрией». Обзор научных инструментов . 78 (7): 074102–074102–8. Бибкод : 2007RScI...78g4102K . дои : 10.1063/1.2751100 . ПМИД 17672776 .
^ Канавати, Б.; Ванчек, К. (2008). «Характеристика новой открытой цилиндрической ячейки ИЦР для исследований ион-ионных столкновений ☆». Международный журнал масс-спектрометрии . 269 (1–2): 12–23. Бибкод : 2008IJMSp.269...12K . дои : 10.1016/j.ijms.2007.09.007 .
^ Коди, РБ; Хейн, Р.Э.; Гудман, SD; Маршалл, Алан Г. (1987). «Возбуждение с обратным преобразованием Фурье с сохраненной формой волны для повышения селективности родительских ионов при диссоциации, активируемой столкновениями: предварительные результаты». Быстрая связь в масс-спектрометрии . 1 (6): 99–102. Бибкод : 1987RCMS....1...99C . дои : 10.1002/rcm.1290010607 .
^ Ши, С; Дрейдер, Джаред Дж.; Фрейтас, Майкл А.; Хендриксон, Кристофер Л.; Маршалл, Алан Г. (2000). «Сравнение и взаимное преобразование двух наиболее распространенных калибровочных функций частоты к массе для масс-спектрометрии с ионно-циклотронным резонансом с преобразованием Фурье». Международный журнал масс-спектрометрии . 195–196: 591–598. Бибкод : 2000IJMSp.195..591S . дои : 10.1016/S1387-3806(99)00226-2 .
^ Леонардис, Ирен; Чиаберге, Стефано; Фиорани, Тициана; Спера, Сильвия; Батистел, 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. дои : 10.1002/cssc.201200314 . ПМИД 23139164 .
^ Судасингхе, Нилуша; Корт, Джон; Халлен, Ричард; Оларте, Марифель; Шмидт, Эндрю; Шауб, Таннер (1 декабря 2014 г.). «Гидротермальное сжижение нефти и продукт гидроочистки из соснового сырья, характеризуемый методами гетероядерной двумерной ЯМР-спектроскопии и масс-спектрометрии FT-ICR» . Топливо . 137 : 60–69. doi : 10.1016/j.fuel.2014.07.069 .
^ Слено Л.; Волмер Д.А.; Маршалл АГ (февраль 2005 г.). «Назначение дочерних ионов из сложных спектров МС/МС: важность неопределенности массы и разрешающей способности». Дж. Ам. Соц. Масс-спектр. 16 (2): 183–98. дои : 10.1016/j.jasms.2004.10.001 . ПМИД 15694769 .
^ Боссио РЕ; Маршалл АГ (апрель 2002 г.). «Базовое разрешение изобарических фосфорилированных и сульфатированных пептидов и нуклеотидов с помощью ионизации электрораспылением FTICR ms: еще один шаг к протеомике, основанной на масс-спектрометрии». Анальный. хим. 74 (7): 1674–9. дои : 10.1021/ac0108461 . ПМИД 12033259 .
^ Он Ф.; Хендриксон CL; Маршалл АГ (февраль 2001 г.). «Базовое массовое разрешение изобар пептидов: рекорд разрешения молекулярной массы». Анальный. хим. 73 (3): 647–50. дои : 10.1021/ac000973h . ПМИД 11217775 .
^ Солоуки Т.; Марто Дж.А.; Белый FM; Гуань С.; Маршалл АГ (ноябрь 1995 г.). «Аттомольный массовый анализ биомолекул с помощью матричной лазерной десорбции / ионизации с преобразованием Фурье ионно-циклотронного резонанса». Анальный. хим. 67 (22): 4139–44. дои : 10.1021/ac00118a017 . ПМИД 8633766 .
^ Jump up to: ^а ^б Сцигелова, М.; Хорншоу, М.; Яннакопулос, А.; Макаров, А. (2011). «Масс-спектрометрия с преобразованием Фурье» . Молекулярная и клеточная протеомика . 10 (7): М111.009431. дои : 10.1074/mcp.M111.009431 . ISSN 1535-9476 . ПМК 3134075 . ПМИД 21742802 .

Внешние ссылки

Что содержится в капле масла? Введение в ионно-циклотронный резонанс с преобразованием Фурье (FT-ICR) для неученых Национальная лаборатория сильных магнитных полей
Шотландский инструментальный ресурсный центр передовой масс-спектрометрии
Ионно-циклотронный резонанс с преобразованием Фурье (FT-ICR) FT-ICR Введение Бристольский университет

[primer-1] Jump up to: ^а ^б Маршалл, АГ; Хендриксон, CL; Джексон, GS (1998). «Масс-спектрометрия ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье: учебник для начинающих». Масс-спектр. Преподобный . 17 (1): 1–35. Бибкод : 1998MSRv...17....1M . doi : 10.1002/(sici)1098-2787(1998)17:1<1::aid-mas1>3.0.co;2-k . ПМИД 9768511 .

[2] «Сотрудники химического отдела UBC: Мелвин Б. Комисароу» . Университет Британской Колумбии . Проверено 5 ноября 2009 г.

[3] Комисаров, Мелвин Б. (1974). «Спектроскопия ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье». Письма по химической физике . 25 (2): 282–283. Бибкод : 1974CPL....25..282C . дои : 10.1016/0009-2614(74)89137-2 .

[4] Маршалл, А. (2002). «Обнаружение ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье: принципы и экспериментальные конфигурации». Международный журнал масс-спектрометрии . 215 (1–3): 59–75. Бибкод : 2002IJMSp.215...59M . дои : 10.1016/S1387-3806(01)00588-7 .

[5] Гуань, Шэньхэн; Маршалл, Алан Г. (1995). «Ионные ловушки для масс-спектрометрии ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье: принципы и конструкция геометрической и электрической конфигураций». Международный журнал масс-спектрометрии и ионных процессов . 146–147: 261–296. Бибкод : 1995IJMSI.146..261G . дои : 10.1016/0168-1176(95)04190-В .

[MarshallHendrickson1998-6] Маршалл, Алан Г.; Хендриксон, Кристофер Л.; Джексон, Джордж С. (1998). «Масс-спектрометрия ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье: учебник для начинающих». Обзоры масс-спектрометрии . 17 (1): 1–35. Бибкод : 1998MSRv...17....1M . doi : 10.1002/(SICI)1098-2787(1998)17:1<1::AID-MAS1>3.0.CO;2-K . ISSN 0277-7037 . ПМИД 9768511 .

[7] Канавати, Б.; Ванчек, КП (2007). «Характеристика новой открытой цилиндрической ячейки ионно-циклотронного резонанса с необычной геометрией». Обзор научных инструментов . 78 (7): 074102–074102–8. Бибкод : 2007RScI...78g4102K . дои : 10.1063/1.2751100 . ПМИД 17672776 .

[8] Канавати, Б.; Ванчек, К. (2008). «Характеристика новой открытой цилиндрической ячейки ИЦР для исследований ион-ионных столкновений ☆». Международный журнал масс-спектрометрии . 269 (1–2): 12–23. Бибкод : 2008IJMSp.269...12K . дои : 10.1016/j.ijms.2007.09.007 .

[Cody1987-9] Коди, РБ; Хейн, Р.Э.; Гудман, SD; Маршалл, Алан Г. (1987). «Возбуждение с обратным преобразованием Фурье с сохраненной формой волны для повышения селективности родительских ионов при диссоциации, активируемой столкновениями: предварительные результаты». Быстрая связь в масс-спектрометрии . 1 (6): 99–102. Бибкод : 1987RCMS....1...99C . дои : 10.1002/rcm.1290010607 .

[10] Ши, С; Дрейдер, Джаред Дж.; Фрейтас, Майкл А.; Хендриксон, Кристофер Л.; Маршалл, Алан Г. (2000). «Сравнение и взаимное преобразование двух наиболее распространенных калибровочных функций частоты к массе для масс-спектрометрии с ионно-циклотронным резонансом с преобразованием Фурье». Международный журнал масс-спектрометрии . 195–196: 591–598. Бибкод : 2000IJMSp.195..591S . дои : 10.1016/S1387-3806(99)00226-2 .

[11] Леонардис, Ирен; Чиаберге, Стефано; Фиорани, Тициана; Спера, Сильвия; Батистел, 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. дои : 10.1002/cssc.201200314 . ПМИД 23139164 .

[12] Судасингхе, Нилуша; Корт, Джон; Халлен, Ричард; Оларте, Марифель; Шмидт, Эндрю; Шауб, Таннер (1 декабря 2014 г.). «Гидротермальное сжижение нефти и продукт гидроочистки из соснового сырья, характеризуемый методами гетероядерной двумерной ЯМР-спектроскопии и масс-спектрометрии FT-ICR» . Топливо . 137 : 60–69. doi : 10.1016/j.fuel.2014.07.069 .

[pmid15694769-13] Слено Л.; Волмер Д.А.; Маршалл АГ (февраль 2005 г.). «Назначение дочерних ионов из сложных спектров МС/МС: важность неопределенности массы и разрешающей способности». Дж. Ам. Соц. Масс-спектр. 16 (2): 183–98. дои : 10.1016/j.jasms.2004.10.001 . ПМИД 15694769 .

[pmid12033259-14] Боссио РЕ; Маршалл АГ (апрель 2002 г.). «Базовое разрешение изобарических фосфорилированных и сульфатированных пептидов и нуклеотидов с помощью ионизации электрораспылением FTICR ms: еще один шаг к протеомике, основанной на масс-спектрометрии». Анальный. хим. 74 (7): 1674–9. дои : 10.1021/ac0108461 . ПМИД 12033259 .

[pmid11217775-15] Он Ф.; Хендриксон CL; Маршалл АГ (февраль 2001 г.). «Базовое массовое разрешение изобар пептидов: рекорд разрешения молекулярной массы». Анальный. хим. 73 (3): 647–50. дои : 10.1021/ac000973h . ПМИД 11217775 .

[pmid8633766-16] Солоуки Т.; Марто Дж.А.; Белый FM; Гуань С.; Маршалл АГ (ноябрь 1995 г.). «Аттомольный массовый анализ биомолекул с помощью матричной лазерной десорбции / ионизации с преобразованием Фурье ионно-циклотронного резонанса». Анальный. хим. 67 (22): 4139–44. дои : 10.1021/ac00118a017 . ПМИД 8633766 .

[ScigelovaHornshaw2011-17] Jump up to: ^а ^б Сцигелова, М.; Хорншоу, М.; Яннакопулос, А.; Макаров, А. (2011). «Масс-спектрометрия с преобразованием Фурье» . Молекулярная и клеточная протеомика . 10 (7): М111.009431. дои : 10.1074/mcp.M111.009431 . ISSN 1535-9476 . ПМК 3134075 . ПМИД 21742802 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

v т и Масс-спектрометрия
Масса м / з Масс-спектр Программное обеспечение MS Сокращения
Источник ионов	APCI КРУГ ПОМОЩЬ ТАМ ДАППИ ДАРТ ХОТЯ БОГ ВЛАДЕЛЕЦ НЕТ КАК ПОТРЯСАЮЩИЙ ФД ГД Я ПМС повредить МАЛЬДИ МАЛДЕЗИ МИП ПТР СЕССИЯ ВИМС SS ССИ ПРОДАЛ ИЗ ТС
Масс-анализатор	Сектор Венский фильтр Время полета Квадрупольный массовый фильтр Квадрупольная ионная ловушка Ловушка Пеннинга ФТ-ИКР Орбитальная ловушка
Детектор	Электронный умножитель Микроканальный пластинчатый детектор Детектор Дейли Кубок Фарадея Детектор Ленгмюра – Тейлора
Комбинация МС	МС/МС QqQ АМС Гибридный МС ГХ/МС ЖХ/МС ИМС/МС КЭ-МС
Фрагментация	ПТИЦА CID РДРВ ЭДД ЭТД HCD ИРПДМ NETD SID
Категория Коммонс ВикиПроект