IONTOVÁ CYKLOTRONOVÁ REZONANCE S FOURIEROVOU TRANSFORMACÍ

Význam tématu

Iontová cyklotronová rezonance s Fourierovou transformací (FT-ICR) patří k nejvýkonnějším metodám hmotnostní spektrometrie. Díky extrémně vysokému rozlišení (FWHM >1 000 000) a vysoké přesnosti (<1 ppm) umožňuje analýzu komplexních směsí a velkých biomolekul bez nutnosti separační fáze. Metoda je klíčová pro obory jako petrochemie, strukturní biologie, proteomika či průmyslová kontrola kvality.

Cíle a přehled studie

Tento referát si klade za cíl shrnout hlavní fyzikální principy a experimentální postupy FT-ICR-MS. Obsahuje přehled:

• základů pohybu iontů v homogenním magnetickém poli,
• principu excitace a detekce koherentního cyklotronového pohybu,
• struktury ICR cely a její dynamické harmonizace,
• vlivu parametrů sběru dat na rozlišení a kvalitu spektra.

Použitá metodika a instrumentace

Metoda využívá:

• iontové zdroje ESI (elektrosprej) a MALDI,
• iontové akumulace v externím multipólu či iontové pasti,
• cyklotronovou celu umístěnou v supravodivém magnetu o indukci 7–15 T chlazeném kapalným heliem a kryomechanickou pumpou,
• excitaci RF polem na rezonující frekvenci pro koherentní rotaci iontů,
• detekci image current na protilehlých elektrodách a následnou širokopásmovou RF elektroniku pro převod signálu,
• digitizaci dat s respektováním Nyquistova kritéria a Fourierovu transformaci do frekvenčního spektra.

Hlavní výsledky a diskuse

Standardní FT-ICR experiment zahrnuje:

1. generaci a akumulaci iontů,
2. dávkování a záchyt iontů v ICR cele,
3. RF excitaci na vyšší orbity,
4. koherentní pohyb a detekci image current,
5. zesílení, digitalizaci a Fourierovu transformaci signálu.

Diskuse se zaměřuje na:

• vliv elektrického záchytného pole na redukovanou cyklotronovou frekvenci,
• dopad prostorového náboje a defázování na tvar transientu,
• potlačení vyšších harmonických pomocí dynamické harmonizace cely a 2ω detekce pro zdvojnásobení rozlišení,
• trade-off mezi rozlišením, citlivostí a velikostí datových souborů.

Přínosy a praktické využití metody

FT-ICR-MS poskytuje:

• ultra vysoké rozlišení pro rozlišení izobarických složek,
• femtomolární citlivost pro stopové analýzy,
• široký dynamický rozsah pro analýzu komplexních směsí (petroleomy, metabolomy, proteomy),
• MS/MS a vysoké přesnosti pro strukturní charakterizaci molekul.

Budoucí trendy a možnosti využití

Směřuje se k:

• vyšším magnetickým indukcím (>12 T) a vývoji magnetů bez potřeby kapalného helia,
• dalsí optimalizaci geometrií ICR cely a dynamické harmonizace,
• rozvoji 2ω a vícenásobných harmonických detekcí pro další zvýšení rozlišení,
• integrovaným aplikacím s kapalinovou chromatografií, zobrazovací MS a top-down proteomikou.

Závěr

FT-ICR-MS vyniká nejvyšším možným rozlišením, citlivostí a přesností v hmotnostní spektrometrii. Jeho široké uplatnění limitují vysoké pořizovací náklady a provozní náklady na kryogeny. Pokrok v technologiích magnetů bez kryogenů a nové detekční přístupy otevírají perspektivu širšího nasazení v akademickém i průmyslovém sektoru.

Reference

1. Fernandez-Lima F A; Becker C; McKenna A M; Rodgers R P; Marshall A G; Russell D H Anal Chem 81, 9941 (2009)
2. Marshall A G; Rodgers R P Proc Natl Acad Sci U S A 105, 18090 (2008)
3. Cooper H J; Hakansson K; Marshall A G Mass Spectrom Rev 24, 201 (2005)
4. Li H; Nguyen H H; Ogorzalek Loo R R; Campuzano I D G; Loo J A Nat Chem 10, 139 (2018)
5. Sommer H; Thomas H A; Hipple J A Phys Rev 82, 697 (1951)
6. Marshall A G Int J Mass Spectrom 200, 331 (2000)
7. Boldin I A; Nikolaev E N Rapid Commun Mass Spectrom 25, 122 (2011)
8. Nikolaev E N; Boldin I A; Jertz R; Baykut G J Am Soc Mass Spectrom 22, 1125 (2011)
9. Schweihard L; Lindinger M; Kluge H J Int J Mass Spectrom Ion Processes 98, 25 (1990)
10. Nikolaev E N; Gorshkov M V; Mordehai A V; Talrose V L Rapid Commun Mass Spectrom 4, 144 (1990)
11. Jertz R; Friedrich J; Kriete C; Nikolaev E N; Baykut G J Am Soc Mass Spectrom 26, 1349 (2015)
12. Von Zahn U; Tatarczyk H Phys Lett 12, 190 (1964)
13. Marshall A G; Hendrickson C L Int J Mass Spectrom 215, 59 (2002)
14. Comisarow M B Int J Mass Spectrom Ion Physics 26, 369 (1978)
15. Marshall A G; Verdun F R Fourier Transforms in NMR Optical and Mass Spectrometry A Users Handbook Elsevier Science Publishers Amsterdam (2016)