La espectrometría de masas por resonancia de ciclotrón de iones de transformada de Fourier es un tipo de analizador de masas (o espectrómetro de masas ) para determinar la relación masa-carga ( m / z ) de los iones en función de la frecuencia del ciclotrón de los iones en un campo magnético fijo. [1] Los iones están atrapados en una trampa de Penning.(un campo magnético con placas de atrapamiento eléctricas), donde se excitan (en sus frecuencias de ciclotrón resonante) a un radio de ciclotrón más grande por un campo eléctrico oscilante ortogonal al campo magnético. Después de que se elimina 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 llama decaimiento de 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 dar un espectro de masas .
Acrónimo | FTICR |
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Clasificación | Espectrometría de masas |
Otras tecnicas | |
Relacionados | Trampa de iones Trampa de iones cuadrupolo Trampa de Penning Orbitrap |
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 con transformada de Fourier (FT-NMR). Marshall ha seguido desarrollando la técnica en la Universidad Estatal de Ohio y la Universidad Estatal de Florida .
Teoría
La física de 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 viene dada por
donde f = frecuencia de ciclotrón, q = carga de iones, B = intensidad de campo magnético y m = masa de iones.
Esto se representa más a menudo en frecuencia angular :
dónde es la frecuencia angular del ciclotrón , que está relacionada con la frecuencia por la definición.
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)
dónde 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.
El campo eléctrico y el movimiento armónico axial resultante reduce la frecuencia del ciclotrón e introduce 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 de movimiento son
dónde 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). De nuevo,es lo que normalmente se mide en FTICR. El significado de esta ecuación puede entenderse cualitativamente considerando el caso en el quees pequeño, lo que generalmente es cierto. En ese caso, el valor del radical es ligeramente menor que, y el valor de es solo un poco menos que (la frecuencia del ciclotrón se ha reducido ligeramente). Para el valor del radical es el mismo (ligeramente menor que ), pero se resta de , resultando en un pequeño número igual a (es decir, la cantidad en la que se redujo la frecuencia del ciclotrón).
Instrumentación
FTICR-MS difiere 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 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 del ciclotrón de iones (rotacional) que produce cada ión al girar en un campo magnético. Por lo tanto, los diferentes iones no se detectan en diferentes lugares como con los instrumentos de sector o en diferentes momentos como con los instrumentos de tiempo de vuelo , pero 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
En la literatura se encuentra disponible una revisión de diferentes geometrías de celdas 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 ha caracterizado su desempeño. Las rejillas se utilizaron como tapas finales para aplicar un campo eléctrico axial para atrapar iones axialmente (paralelo a las líneas del campo magnético). Los iones se pueden generar dentro de la celda o se pueden inyectar a la celda desde una fuente de ionización externa . También se fabricaron celdas 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] No solo demostraron ser capaces de atrapar y detectar ambas polaridades iónicas simultáneamente, sino que también lograron separar radialmente los iones positivos de los negativos. 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 han escrito varios esquemas de aceleración axial de iones para estudios de colisión ión-ión. [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 de ciclotrón de iones de 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 moléculas basándose en una masa precisa. Esto es posible debido al defecto de masa de los elementos. FTICR-MS es capaz de lograr mayores niveles de precisión de la masa que otras formas de espectrómetro de masas , en parte, porque un imán superconductor es mucho más estable que la radio-frecuencia de tensión (RF). [10]
Otro lugar en el que FTICR-MS es útil es en el manejo de mezclas complejas, como biomasa o productos de licuefacción de desechos, [11] [12] ya que la resolución (ancho de pico estrecho) permite las señales de dos iones con masa a carga similar. relaciones ( m / z ) a detectar como iones distintos. [13] [14] [15] Esta alta resolución también es útil para estudiar grandes macromoléculas, como proteínas con cargas múltiples, que pueden producirse mediante ionización por electropulverización . Por ejemplo, se ha informado del nivel attomol 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 próximos entre sí 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. Alcanza 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 CID e IRMPD usan excitación vibracional para disociar más péptidos rompiendo los enlaces amida de la columna vertebral, que son típicamente de baja energía y débiles, CID e IRMPD también pueden causar disociación de modificaciones postraduccionales. ECD, por otro lado, permite conservar modificaciones específicas. Esto es muy útil en el análisis de estados de fosforilación, glicosilación ligada a O o N y sulfatación. [17]
Referencias
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enlaces externos
- ¿Qué hay en una gota de aceite? Una introducción a la resonancia de ciclotrón iónico 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
- Resonancia de ciclotrón de iones por transformada de Fourier (FT-ICR) Introducción a FT-ICR Universidad de Bristol