IONTOVÁ CYKLOTRONOVÁ REZONANCE S FOURIEROVOU TRANSFORMACÍ

Význam tématu

FT-ICR MS představuje špičkovou analytickou metodu s extrémně vysokou hmotnostní rozlišovací schopností, přesností měření pod 1 ppm a citlivostí na femtomolární úrovni. Díky m/z nezávislé detekci cyklotronové frekvence je možné analyzovat složité směsi více tisíců komponent bez předchozích separačních kroků. FT-ICR nachází uplatnění v petrochemii, strukturní biologii a řadě dalších oborů, kde je klíčová kombinace vysoké citlivosti a přesnosti.

Cíle a přehled studie / článku

Referát podrobně popisuje fyzikální principy iontové cyklotronové rezonance s Fourierovou transformací, včetně tvorby a akumulace iontů, jejich excitace, detekce image current signálu a následné Fourierovy transformace. Článek dále diskutuje vliv magnetronové frekvence, záchytného elektrického pole a problematiku harmonických signálů i způsoby jejich potlačení.

Použitá metodika a instrumentace

• Externí iontové zdroje ESI (elektrosprejová ionizace) a MALDI
• Supravodivý magnet (7–15 T) s kryogenním systémem (kapalné hélium, Joule-Thomsonova kondenzační jednotka, kryomechanická pumpa)
• Dynamicky harmonizovaná cyklotronová analyzační cela se záchytnými, excitačními a detekčními elektrodami
• RF širokopásmové excitační pulsy a detekce image current signálu přes RC obvod
• Analýza transientu signálu a jeho převod na frekvenční spektrum pomocí Fourierovy transformace

Hlavní výsledky a diskuse

FT-ICR experiment nabízí rozlišení FWHM >1 000 000 (m/z 1000) a dynamický rozsah umožňující detekci femtomolárního množství. Diskutovány jsou vlivy prostorového náboje, záchytného napětí a nehomogenity magnetického pole na tvar transientu a na tvar píku. Nové přístupy, jako 2ω detekce a dynamická harmonizace cely, vedou k potlačení nežádoucích harmonických a ke zvýšení rozlišovací schopnosti, avšak za cenu nižší citlivosti.

Přínosy a praktické využití metody

Díky schopnosti přesně měřit hmotnost s vysokým rozlišením lze FT-ICR MS využít pro charakterizaci komplexních směsí, strukturní analýzy biomolekul, identifikaci izotopových vzorců i studium fragmentačních experimentů. Metoda přináší výrazné zlepšení v kvalitě dat pro oblasti QA/QC, průmyslovou analytiku a výzkum.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Vývoj supravodivých magnetů s minimálními kryogenickými ztrátami
• Implementace 2ω detekce pro dvojnásobné zvýšení rozlišení
• Přechod na vyšší magnetické indukce (12–15 T a výše)
• Optimalizace cely pro analýzu větších biomolekul a integrace s kolizními technikami
• Snížení provozních nákladů díky alternativním chladicím technologiím
• Rozšíření aplikací v zobrazovací hmotnostní spektrometrii a multi-omických přístupech

Závěr

FT-ICR MS je nenahraditelnou metodou pro precizní hmotnostní analýzu s nejvyšším rozlišením a přesností. Přes vysoké pořizovací a provozní náklady, včetně současné krize hélia, metoda nabízí unikátní možnosti pro základní i aplikovaný výzkum. Očekává se další rozšíření techniky a vývoj inovací směřujících k vyšší odolnosti a efektivitě.

Reference

1. Fernandez-Lima F. A. et al.: 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. et al.: 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. et al.: J. Am. Soc. Mass Spectrom. 22, 1125 (2011).
9. Schweihard L. et al.: Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes 98, 25 (1990).
10. Nikolaev E. N. et al.: Rapid Commun. Mass Spectrom. 4, 144 (1990).
11. Jertz R. et al.: 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, Elsevier 2016.