Fourier-transform ion syklotron resonans

Fourier-transform ion syklotron resonans er en type masseanalysator (eller massespektrometer) for å bestemme masse-til-ladningsforholdet (m/z) av ioner basert på ionens syklotronfrekvens i et fast magnetfelt. Ionene er fanget i en Penning-felle (et magnetfelt med elektriske fangplater), der de blir begeistret (ved deres resonanssyklotronfrekvenser) til en større syklotronradius av et oscillerende elektrisk felt som er retvinklet til magnetfeltet. Etter at eksitasjonsfeltet er fjernet, roterer ionene med sin syklotronfrekvens i fase (som en "pakke" med ioner). Disse ionene induserer en ladning (oppdaget som en bildestrøm) på et par elektroder når pakkene med ioner passerer nær dem. Det resulterende signalet kalles et fritt induksjonsforfall (FID), transient eller interferogram som består av en overstilling av sinusbølger. Det nyttige signalet ekstraheres fra disse dataene ved å utføre en Fourier-transformasjon for å gi et massespektrum.

Historie 
FT-ICR ble oppfunnet av Melvin B. Comisarow og Alan G. Marshall ved University of British Columbia. Den første artikkelen dukket opp i Chemical Physics Letters i 1974. Inspirasjonen var den tidligere utviklingen i konvensjonell ICR- og Fourier-transform kjernemagnetisk resonans (FT-NMR) spektroskopi. Marshall har fortsatt å utvikle teknikken ved Ohio State University og Florida State University.

Teori 
FTICRs fysikk er lik den til en syklotron i det minste i den første tilnærmingen.

I den enkleste idealiserte formen er forholdet mellom syklotronfrekvensen og masse-til-ladningsforholdet gitt av

 

hvor f =syklotronfrekvens, q = ioneladning, B =magnetfeltstyrke og m = ionemassen.

Dette er oftere representert i vinkelfrekvens:

 

hvor  er den vinklede syklotronfrekvensen, som er definert i forhold til frekvensen .

På grunn av det kvadrupolare elektriske feltet som brukes til å fange ionene i aksial retning, er dette forholdet bare omtrentlig. Den aksiale elektriske fangsten resulterer i aksiale svingninger i fellen med (vinkel) frekvens

 

hvor  er en konstant lik fjærkonstanten til en harmonisk oscillator og er avhengig av påført spenning, felle dimensjoner og fellegeometri.

Det elektriske feltet og den resulterende aksiale harmoniske bevegelsen reduserer syklotronfrekvensen og introduserer en andre radiell bevegelse kalt magnetronbevegelse som oppstår ved magnetronfrekvensen. Syklotronbevegelsen er fortsatt frekvensen som brukes, men forholdet ovenfor er ikke eksakt på grunn av dette fenomenet. De naturlige bevegelsesfrekvensene er

 

hvor er aksiale fangstfrekvens på grunn av aksial elektrisk fangst og  er den reduserte syklotronfrekvensen (vinklet) og  er magnetron (vinkel) frekvens. En gang til,  er det som vanligvis måles i FTICR. Betydningen av denne ligningen kan forstås kvalitativt ved å vurdere tilfellet hvor   er liten, noe som generelt er sant. I så fall er verdien av det radikale bare litt mindre enn , og verdien av  er bare bitelitt mindre enn  (syklotronfrekvensen er redusert noe). For  verdien av radikalen er den samme (litt mindre enn ), men det trekkes fra ,resulterer i et lite antall lik  (dvs. mengden syklotronfrekvensen ble redusert med).

Instrumentalt 
FTICR-MS skiller seg betydelig fra andre massespektrometri-teknikker ved at ionene ikke blir oppdaget ved å treffe en detektor som en elektronmultiplikator, men bare ved å passere nær deteksjonsplater. I tillegg løses ikke massene i rom eller tid som med andre teknikker, men bare ved ionesyklotronresonans (rotasjons) frekvens som hvert ion produserer når det roterer i et magnetfelt. Dermed blir de forskjellige ionene ikke oppdaget forskjellige steder som med sektorinstrumenter eller på forskjellige tidspunkter som med flyvetidsmassespektrometri, men alle ioner oppdages samtidig under deteksjonsintervallet. Dette gir en økning i det observerte signal-støy-forholdet på grunn av prinsippene for Fellgetts fordel. I FTICR-MS kan oppløsningen forbedres enten ved å øke styrken til magneten (i tesla) eller ved å øke deteksjonsvarigheten.

Celler 

En gjennomgang av forskjellige cellegeometrier med deres spesifikke elektriske konfigurasjoner er tilgjengelig i litteraturen. Imidlertid kan ICR-celler tilhøre en av følgende to kategorier: lukkede celler eller åpne celler.

Flere lukkede ICR-celler med forskjellige geometrier ble fabrikert og ytelsen deres har blitt karakterisert. Rutenett ble brukt som endelokk for å påføre et aksielt elektrisk felt for å fange ioner aksialt (parallelt med magnetfeltlinjene). Ioner kan enten genereres inne i cellen eller kan injiseres i cellen fra en ekstern ioniseringskilde. Nestede ICR-celler med dobbelt rutenett ble også fabrikert for å fange både positive og negative ioner samtidig.

Den vanligste åpne cellegeometrien er en sylinder, som er aksialt segmentert for å produsere elektroder i form av en ring. Den sentrale ringelektroden brukes ofte til å anvende radial eksitasjon elektrisk felt og deteksjon. DC elektrisk spenning påføres terminalringelektrodene for å fange ioner langs magnetfeltlinjene. Åpne sylindriske celler med ringelektroder med forskjellige diametre er også designet. De viste seg ikke bare i stand til å fange opp og oppdage begge ionepolaritetene samtidig, men de lyktes også å skille positivt fra negative ioner radialt. Dette ga en stor diskriminering i kinetisk ioneakselerasjon mellom positive og negative ioner fanget samtidig inne i den nye cellen. Flere ioneaksiale akselerasjonsordninger ble nylig skrevet for ion-ion-kollisjonsstudier.

Lagret bølgeform invers Fourier-transform 
Lagret-bølgeform invers Fourier-transform (SWIFT) er en metode for å skape eksitasjonsbølgeformer for FTMS. Tidsdomene-eksitasjonsbølgeformen dannes fra den inverse Fourier-transformasjonen av det passende frekvens-domene-eksitasjonsspektret, som er valgt for å eksitere resonansfrekvensene til utvalgte ioner. SWIFT-prosedyren kan brukes til å velge ioner for tandem-massespektrometrieksperimenter.

Referanser 

Massespektrometri
Måleinstrumenter