Resonancia ciclotrónica de iones por transformada de Fourier

La espectrometría de masas de resonancia ciclotrónica 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 basándose en la frecuencia ciclotrónica de los iones en un campo magnético fijo. ^{[ 1 ]} Los iones se atrapan en una trampa de Penning (un campo magnético con placas de atrapamiento eléctrico), donde se excitan (a sus frecuencias ciclotrónicas resonantes) a un radio ciclotrónico 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 ciclotrónica en fase (como un "paquete" de iones). Estos iones inducen una carga (detectada como una corriente 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 mediante la aplicación de una transformada de Fourier para obtener un espectro de masas .

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

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

En su forma idealizada más simple, la relación entre la frecuencia ciclotrónica y la relación masa-carga viene dada por

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

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

Esto se representa con mayor frecuencia en frecuencia angular :

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

dónde${\displaystyle \omega _{\text{c}}}$es la frecuencia ciclotrónica angular , que está relacionada con la frecuencia por definición${\displaystyle f={\frac {\omega }{2\pi }}}$.

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

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

dónde${\displaystyle \alpha }$es una constante similar a la constante elástica 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 reducen la frecuencia ciclotrónica e introducen un segundo movimiento radial llamado movimiento magnetrónico que ocurre a la frecuencia magnetrónica. El movimiento ciclotrónico 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

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

dónde${\displaystyle \omega _{\text{t}}}$es la frecuencia de atrapamiento axial debido al atrapamiento eléctrico axial y${\displaystyle \omega _{+}}$es la frecuencia ciclotrónica (angular) reducida y${\displaystyle \omega _{-}}$es la frecuencia del magnetrón (angular). Nuevamente,${\displaystyle \omega _{+}}$es lo que normalmente se mide en FTICR. El significado de esta ecuación se puede entender cualitativamente considerando el caso en el que${\displaystyle \omega _{\text{t}}}$es mucho más pequeño que${\displaystyle \omega _{\text{c}}}$, lo cual suele ser cierto en el espectrómetro de masas. En ese caso, el valor del radical es ligeramente inferior a${\displaystyle \omega _{\text{c}}/2}$y el valor de${\displaystyle \omega _{+}}$es ligeramente menos que${\displaystyle \omega _{\text{c}}}$(la frecuencia ciclotrónica se ha reducido ligeramente). Para${\displaystyle \omega _{-}}$el valor del radical es el mismo (ligeramente menor que${\displaystyle \omega _{\text{c}}/2}$), pero se está restando de${\displaystyle \omega _{\text{c}}/2}$, lo que resulta en un número pequeño igual a${\displaystyle \omega _{\text{c}}-\omega _{+}}$(es decir, la cantidad en que se redujo la frecuencia ciclotrónica). En este régimen, las frecuencias son aproximadamente

${\displaystyle {\begin{aligned}\omega _{+}&\approx \omega _{c}-{\frac {\omega _{t}^{2}}{2\omega _{c}}}\\\omega _{-}&\approx {\frac {\omega _{t}^{2}}{2\omega _{c}}}\end{aligned}}}$

La FTICR-MS difiere significativamente de otras técnicas de espectrometría de masas en que los iones no se detectan al impactar contra un detector, como un multiplicador de electrones , sino únicamente al pasar cerca de las placas de detección. Además, las masas no se resuelven espacial ni temporalmente, como en otras técnicas, sino solo por la frecuencia de resonancia ciclotrónica (rotacional) que produce cada ion al rotar en un campo magnético. Por lo tanto, los diferentes iones no se detectan en lugares distintos, como en los instrumentos de sector , ni en momentos diferentes, como en los instrumentos de tiempo de vuelo , sino que todos 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 FTICR-MS, la resolución se puede mejorar aumentando la intensidad del imán (en teslas ) o 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 caracterizó su rendimiento. Se utilizaron rejillas como tapas para aplicar un campo eléctrico axial que atrapa los iones axialmente (paralelo a las líneas del campo magnético). Los iones pueden generarse dentro de la celda o inyectarse desde una fuente de ionización externa . También se fabricaron celdas ICR anidadas con un doble par de rejillas para atrapar iones positivos y negativos simultáneamente.

La geometría de celda abierta más común es un cilindro, segmentado axialmente para producir electrodos en forma de anillo. El electrodo central del anillo se usa comúnmente para aplicar un campo eléctrico de excitación radial y para la detección. Se aplica voltaje eléctrico de CC en los electrodos terminales del anillo 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 ]} Estas 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 los 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 ión-ión. ^{[ 8 ]}

La espectrometría de masas por resonancia ciclotrónica de iones con transformada de Fourier (FTICR) es una técnica de alta resolución que permite determinar masas con gran precisión. Numerosas aplicaciones de la FTICR-MS utilizan esta precisión para determinar la composición molecular basándose en la masa exacta. Esto es posible gracias al defecto de masa de los elementos. La FTICR-MS logra niveles de precisión de masa superiores a los de otros espectrómetros de masas , en parte, debido a que un imán superconductor es mucho más estable que el voltaje de radiofrecuencia (RF). ^{[ 10 ]}

Otro lugar donde FTICR-MS es útil es en el manejo de mezclas complejas, como biomasa o productos de licuefacción de residuos, ^{[ 11 ] [ 12 ]} ya que la resolución (ancho de pico estrecho) permite que las señales de dos iones con relaciones masa-carga ( m / z ) similares se detecten como iones distintos. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} Esta alta resolución también es útil en el estudio de macromoléculas grandes como proteínas con cargas múltiples, que pueden producirse por ionización por electrospray . Por ejemplo, se ha informado de la detección a nivel de attomoles 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 unos de otros en el eje m / z , debido a las cargas múltiples, el alto poder de resolución del FTICR es extremadamente útil. FTICR-MS es muy útil también 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 ]} Si bien CID e IRMPD utilizan excitación vibracional para disociar aún más los péptidos rompiendo los enlaces amida del esqueleto, que suelen ser de baja energía y débiles, también pueden causar la disociación de modificaciones postraduccionales. ECD, por otro lado, permite preservar modificaciones específicas. Esto es muy útil para analizar estados de fosforilación, glicosilación O- o N-ligada y sulfatación. ^{[ 17 ]}

Los FTICR-MS también se aplican cada vez más en el estudio del plasma de fusión, que se compone principalmente de hidrógeno y helio con masas entre 2 y 4. La resolución de los FTICR-MS es inversamente proporcional a la masa de la partícula, lo que significa que incluso un espectrómetro de masas robusto puede alcanzar una precisión muy alta en estas masas bajas. ^{[ 18 ]} Si bien muchos FTICR emplean imanes superconductores para alcanzar intensidades de campo de 7 a 21 T y resoluciones extremas, los FTICR de imanes permanentes con intensidades de campo del orden de 1 T aún proporcionan una resolución abundante para aplicaciones de fusión, al tiempo que reducen los costos y la infraestructura de refrigeración. ^{[ 19 ]}

• ¿Qué hay en una gota de aceite? Introducción a la resonancia ciclotrónica de iones por transformada de Fourier (FT-ICR) para no científicos. Laboratorio Nacional de Altos Campos Magnéticos.
• Centro escocés de recursos de instrumentación para espectrometría de masas avanzada
• Resonancia ciclotrónica de iones por transformada de Fourier (FT-ICR) Introducción a la FT-ICR Universidad de Bristol