Введение
Инструмент в масс-спектрометрии
Масс-спектрометрия на основе преобразования Фурье ионного циклотронного резонанса – это тип масс-анализатора (или масс-спектрометра) для определения отношения массы к заряду (m/z) ионов на основе циклотронной частоты ионов в постоянном магнитном поле. Ионы удерживаются в ионной ловушке Пеннинга (магнитное поле с электрическими пластинами для удержания), где они возбуждаются (на своих резонансных циклотронных частотах) до большего циклотронного радиуса колеблющимся электрическим полем, ортогональным магнитному полю. После снятия возбуждающего поля ионы вращаются в фазе на своей циклотронной частоте (в виде "пакета" ионов). Эти ионы индуцируют заряд (регистрируемый как изображение тока) на паре электродов при прохождении мимо них пакетов ионов. Получающийся сигнал называется сигналом свободного затухания (FID), переходным процессом или интерферограммой, который 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. Комиссароу и Аланом Г. Маршалом в Университете Британской Колумбии. Первая статья была опубликована в журнале Chemical Physics Letters в 1974 году. Идея создания метода возникла под влиянием более ранних разработок в области обычной ионной циклотронной резонансной спектрометрии (ICR) и спектрометрии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) с преобразованием Фурье (FT NMR). Маршалл продолжил совершенствовать эту технику в Университете штата Огайо и Университете штата Флорида.
Инструментовка
FTICR MS существенно отличается от других методов масс-спектрометрии тем, что ионы обнаруживаются не при столкновении с детектором, таким как электронный умножитель, а лишь при прохождении вблизи детектирующих пластин. Кроме того, массы разрешаются не в пространстве или во времени, как в других методах, а исключительно по ионной циклотронной резонансной (вращательной) частоте, которую каждый ион генерирует при вращении в магнитном поле. Таким образом, различные ионы не обнаруживаются в разных местах, как в приборах с секторным полем, или в разное время, как в приборах с временем пролета, а все ионы обнаруживаются одновременно в течение интервала детектирования. Это обеспечивает повышение отношения сигнал/шум благодаря принципу преимущества Фелджетта.
Клетки
В литературе представлен обзор различных геометрий ячеек с их специфическими электрическими конфигурациями. Однако ячейки ICR могут относиться к одной из двух категорий: закрытые или открытые. Было изготовлено несколько закрытых ячеек ICR различной геометрии, и их характеристики были изучены. Сетки использовались в качестве концевых элементов для создания осевого электрического поля, обеспечивающего осевое удержание ионов (параллельно линиям магнитного поля). Ионы могут генерироваться внутри ячейки или подаваться в нее из внешнего источника ионизации. Также были изготовлены вложенные ячейки ICR с двойной парой сеток для одновременного удержания как положительных, так и отрицательных ионов. Наиболее распространенной геометрией открытых ячеек является цилиндр, осево сегментированный для формирования электродов в виде колец. Центральное кольцевое электрод обычно используется для приложения радиального возбуждающего электрического поля и регистрации. Постоянное электрическое напряжение подается на концевые кольцевые электроды для удержания ионов вдоль линий магнитного поля. Были разработаны открытые цилиндрические ячейки с кольцевыми электродами различного диаметра. Они оказались способны не только одновременно удерживать и регистрировать ионы обеих полярностей, но и радиально разделять положительные и отрицательные ионы. Это обеспечило значительную дифференциацию в кинетическом ускорении ионов между положительными и отрицательными ионами, одновременно удерживаемыми внутри новой ячейки. Недавно были разработаны несколько схем осевого ускорения ионов для исследований ионно-ионных столкновений.
Инверсная трансформация Фурье сохраняющейся формы волны
Сберегаемая обратная трансформация Фурье (SWIFT) – это метод создания волновых форм возбуждения для FTMS. Волновой сигнал во временной области формируется посредством обратного преобразования Фурье соответствующего частотного спектра возбуждения, который выбирается для возбуждения резонансных частот выбранных ионов. Метод SWIFT может использоваться для выбора ионов в экспериментах тандемной масс-спектрометрии.
Приложения
Масс-спектрометрия циклотронного резонанса с преобразованием Фурье (FTICR) – это метод высокого разрешения, который позволяет определять массы с высокой точностью. Многие области применения FTICR MS используют эту точность определения массы для установления состава молекул на основе их точной массы. Это становится возможным благодаря массовому дефекту элементов. FTICR MS способен достигать более высокой точности определения массы, чем другие типы масс-спектрометров, отчасти благодаря большей стабильности сверхпроводящего магнита по сравнению с радиочастотным (РЧ) напряжением. FTICR MS также полезен при анализе сложных смесей, таких как биомасса или продукты сжижения отходов, поскольку разрешение (узкая ширина пика) позволяет обнаруживать сигналы двух ионов с близкими отношениями массы к заряду (m/z) как отдельные ионы. Это высокое разрешение также полезно при изучении крупных макромолекул, таких как белки с множественным зарядом, которые могут быть получены методом электрораспыления. Например, сообщалось об определении двух пептидов на атомолярном уровне. Эти крупные молекулы содержат распределение изотопов, которое приводит к образованию ряда изотопных пиков. Поскольку изотопные пики расположены близко друг к другу на оси m/z из-за множественного заряда, высокая разрешающая способность FTICR оказывается чрезвычайно полезной. FTICR MS широко используется и в других областях протеомики, обеспечивая исключительное разрешение как при верхне-вниз, так и при нижне-вверх подходах. Для получения фрагмент-спектров в тандемных масс-спектрометрических экспериментах используются диссоциация захватом электронов (ECD), диссоциация, индуцированная столкновениями (CID) и инфракрасная мультифотонная диссоциация (IRMPD). В то время как CID и IRMPD используют вибрационное возбуждение для дальнейшей диссоциации пептидов путем разрыва пептидных амидных связей, которые обычно характеризуются низкой энергией и слабостью, CID и IRMPD также могут вызывать диссоциацию посттрансляционных модификаций. ECD, напротив, позволяет сохранять специфические модификации, что особенно полезно при анализе состояний фосфорилирования, O- или N-гликозилирования и сульфатирования.