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Plantilla:Infobox chemical analysis La espectrometría de masas de resonancia ciclotrónica de ión de transformada de Fourier es un tipo de analizador de masas (o espectrómetro de masas ) para determinar la relación masa-carga (m/z) de iones basada en la frecuencia ciclotrónica 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 eléctrico), donde se excitan (en sus frecuencias de ciclotrón resonante) a un radio de ciclotrón más grande mediante un campo eléctrico oscilante ortogonal al campo magnético. Después de eliminar 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 imagen actual) en un par de electrodos a medida que los paquetes de iones pasan cerca de ellos. La señal resultante se denomina caída de inducción libre (FID), transitoria 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

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

Teoría

Trampa de iones lineales: espectrómetro de masas de resonancia ciclotrónica de iones de transformada de Fourier (faltan 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

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

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

Esto se representa más a menudo en la frecuencia angular :

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

dónde Error al representar (error de sintaxis): {\displaystyle <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><msub><mi> <math>\omega_\text{c}} </mi><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mtext> $\omega _{\text{c}}$ </mtext></mrow></msub></mstyle></mrow> </math> $\omega _{\text{c}}$ $\omega _{\text{c}}$ es la frecuencia angular del ciclotrón , que está relacionada con la frecuencia según la definición Error al representar (error de sintaxis): {\displaystyle <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mi> <math>f = \frac{\omega}{2\pi}} </mi><mo> $f={\frac {\omega }{2\pi }}$ </mo><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mfrac><mi> $f={\frac {\omega }{2\pi }}$ </mi><mrow><mn> $f={\frac {\omega }{2\pi }}$ </mn><mi> $f={\frac {\omega }{2\pi }}$ </mi></mrow></mfrac></mrow></mstyle></mrow> </math> $f={\frac {\omega }{2\pi }}$ $f={\frac {\omega }{2\pi }}$ .

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

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

dónde Error al representar (error de sintaxis): {\displaystyle <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mi> <math>\alpha} </mi></mstyle></mrow> </math> $\alpha$ $\alpha$ es una constante similar a la constante de resorte de un oscilador armónico y depende de la tensión aplicada, las dimensiones de la trampa y la geometría de la trampa.

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

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

donde Error al representar (error de sintaxis): {\displaystyle <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><msub><mi> <math>\omega_\text{t}} </mi><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mtext> $\omega _{\text{t}}$ </mtext></mrow></msub></mstyle></mrow> </math> $\omega _{\text{t}}$ $\omega _{\text{t}}$ es la frecuencia de atrapamiento axial debido al atrapamiento eléctrico axial y Error al representar (error de sintaxis): {\displaystyle <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><msub><mi> <math>\omega_+} </mi><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mo> $\omega _{+}$ </mo></mrow></msub></mstyle></mrow> </math> $\omega _{+}$ $\omega _{+}$ es la frecuencia reducida del ciclotrón (angular) y Error al representar (error de sintaxis): {\displaystyle <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><msub><mi> <math>\omega_-} </mi><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mo> $\omega _{-}$ </mo></mrow></msub></mstyle></mrow> </math> $\omega _{-}$ $\omega _{-}$ es la frecuencia del magnetrón (angular). Otra vez, Error al representar (error de sintaxis): {\displaystyle <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><msub><mi> <math>\omega_+} </mi><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mo> $\omega _{+}$ </mo></mrow></msub></mstyle></mrow> </math> $\omega _{+}$ $\omega _{+}$ es lo que se mide típicamente en FTICR. El significado de esta ecuación puede entenderse cualitativamente considerando el caso donde Error al representar (error de sintaxis): {\displaystyle <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><msub><mi> <math>\omega_\text{t}} </mi><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mtext> $\omega _{\text{t}}$ </mtext></mrow></msub></mstyle></mrow> </math> $\omega _{\text{t}}$ $\omega _{\text{t}}$ es pequeño, lo cual es generalmente cierto. En ese caso, el valor del radical es ligeramente menor que Error al representar (error de sintaxis): {\displaystyle <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><msub><mi> <math>\omega_\text{c}/2} </mi><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mtext> $\omega _{\text{c}}/2$ </mtext></mrow></msub><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mo> $\omega _{\text{c}}/2$ </mo></mrow><mn> $\omega _{\text{c}}/2$ </mn></mstyle></mrow> </math> $\omega _{\text{c}}/2$ $\omega _{\text{c}}/2$ , y el valor de Error al representar (error de sintaxis): {\displaystyle <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><msub><mi> <math>\omega_+} </mi><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mo> $\omega _{+}$ </mo></mrow></msub></mstyle></mrow> </math> $\omega _{+}$ $\omega _{+}$ es un poco menos que Error al representar (error de sintaxis): {\displaystyle <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><msub><mi> <math>\omega_\text{c}} </mi><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mtext> $\omega _{\text{c}}$ </mtext></mrow></msub></mstyle></mrow> </math> $\omega _{\text{c}}$ $\omega _{\text{c}}$ (la frecuencia de ciclotrón se ha reducido ligeramente). por Error al representar (error de sintaxis): {\displaystyle <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><msub><mi> <math>\omega_-} </mi><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mo> $\omega _{-}$ </mo></mrow></msub></mstyle></mrow> </math> $\omega _{-}$ $\omega _{-}$ </img> el valor del radical es el mismo (ligeramente menor que Error al representar (error de sintaxis): {\displaystyle <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><msub><mi> <math>\omega_\text{c}/2} </mi><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mtext> $\omega _{\text{c}}/2$ </mtext></mrow></msub><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mo> $\omega _{\text{c}}/2$ </mo></mrow><mn> $\omega _{\text{c}}/2$ </mn></mstyle></mrow> </math> $\omega _{\text{c}}/2$ $\omega _{\text{c}}/2$ </img> ), pero se está restando de Error al representar (error de sintaxis): {\displaystyle <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><msub><mi> <math>\omega_\text{c}/2} </mi><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mtext> $\omega _{\text{c}}/2$ </mtext></mrow></msub><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mo> $\omega _{\text{c}}/2$ </mo></mrow><mn> $\omega _{\text{c}}/2$ </mn></mstyle></mrow> </math> $\omega _{\text{c}}/2$ $\omega _{\text{c}}/2$ , resultando en un pequeño número igual a Error al representar (error de sintaxis): {\displaystyle <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><msub><mi> <math>\omega_\text{c} - \omega_+} </mi><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mtext> $\omega _{\text{c}}-\omega _{+}$ </mtext></mrow></msub><mo> $\omega _{\text{c}}-\omega _{+}$ </mo><msub><mi> $\omega _{\text{c}}-\omega _{+}$ </mi><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mo> $\omega _{\text{c}}-\omega _{+}$ </mo></mrow></msub></mstyle></mrow> </math> $\omega _{\text{c}}-\omega _{+}$ $\omega _{\text{c}}-\omega _{+}$ (es decir, la cantidad 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 en el tiempo como ocurre con otras técnicas, sino solo por la frecuencia de resonancia (rotacional) del ciclotrón iónico que cada ion produce cuando gira en un campo magnético. Por lo tanto, los diferentes iones no se detectan en diferentes lugares como con los instrumentos del 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 ya sea aumentando la fuerza del imán (en teslas ) o aumentando la duración de la detección. ^[4]

Una revisión de diferentes geometrías celulares con sus configuraciones eléctricas específicas está disponible en la literatura. ^[5] Sin embargo, las células 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 de extremo para aplicar un campo eléctrico axial para atrapar iones axialmente (paralelas a las líneas del campo magnético). Los iones pueden generarse dentro de la célula o pueden inyectarse a la célula desde una fuente de ionización externa. Las células ICR anidadas con doble par de rejillas también se fabricaron para atrapar simultáneamente iones positivos y negativos.

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 el campo eléctrico de excitación radial y la detección. Se aplica voltaje eléctrico de CC a los electrodos de anillo terminal para atrapar iones a lo largo de las líneas del campo magnético. ^[6] También se han diseñado celdas cilíndricas abiertas con electrodos de anillo de diferentes diámetros. ^[7] No solo fueron capaces de atrapar y detectar ambas polaridades iónicas simultáneamente, sino que también lograron separar radialmente los iones positivos de los iones negativos. Esto presentó una gran discriminación en la aceleración de los iones cinéticos entre los iones positivos y negativos atrapados simultáneamente dentro de la nueva célula. Recientemente se escribieron varios esquemas de aceleración axial iónica 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, 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 de resonancia ciclotrónica de iones 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 la 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 tratamiento 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 una masa similar para cargar ratios ( m / z ) para ser detectados como iones distintos. ^[13] ^[14] ^[15] Esta alta resolución también es útil en el estudio de macromoléculas grandes, como las proteínas con múltiples cargas, que pueden producirse mediante ionización por electrospray . Por ejemplo, se ha informado el nivel de detección de dos péptidos. ^[16] Estas moléculas grandes 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 del FTICR es extremadamente útil. FTICR-MS también es muy útil en otros estudios de proteómica. Logra una resolución excepcional tanto en proteómica descendente como ascendente. La disociación de 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 utilizan la excitación vibratoria para disociar aún más los péptidos al romper los enlaces amida de la red troncal, que suelen ser bajos en energía y débiles, el CID y el IRMPD también pueden causar la disociación de las modificaciones postraduccionales. ECD, por otro lado, permite que se conserven modificaciones específicas. Esto es bastante útil para analizar los estados de fosforilación, la glicosilación ligada a O o N y la sulfatación. ^[17]

Referencias

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Enlaces externos

¿Qué hay en una gota de aceite? Introducción a la Resonancia del ciclotrón iónico de 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 ciclotrónica de iones de Fourier (FT-ICR) Introducción a FT-ICR Universidad de Bristol

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