푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명

푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석법(Fourier-transform ion cyclotron resonance mass spectrometry)은 고정된 자기장에서 이온의 사이클로트론 주파수를 기반으로 비전하 (m/z)를 결정하는 질량 분석기 (또는 질량 분광계)의 한 유형이다.^[1] 이온은 페닝 트랩 (전기 트랩 플레이트가 있는 자기장)에 갇히며, 여기서 자기장에 직교하는 진동하는 전기장에 의해 더 큰 사이클로트론 반경으로 여기된다 (공명 사이클로트론 주파수에서). 여기장이 제거된 후, 이온은 위상이 같은 (이온 "패킷"으로) 사이클로트론 주파수로 회전한다. 이 이온들은 이온 패킷이 전극 쌍에 가까이 지나갈 때 전극 쌍에 전하(이미지 전류로 감지됨)를 유도한다. 결과 신호는 자유 유도 감쇠 (FID), 과도 신호 또는 정현파의 중첩으로 구성된 간섭계라고 불린다. 유용한 신호는 푸리에 변환을 수행하여 질량 스펙트럼을 얻기 위해 이 데이터에서 추출된다.

역사

FT-ICR은 브리티시컬럼비아 대학교의 멜빈 B. 코미사로^[2]와 앨런 G. 마셜에 의해 발명되었다. 첫 번째 논문은 1974년 케미컬 피직스 레터스에 발표되었다.^[3] 영감은 기존 ICR과 푸리에 변환 핵자기 공명 (FT-NMR) 분광법의 초기 개발에서 비롯되었다. 마셜은 오하이오 주립 대학교와 플로리다 주립 대학교에서 이 기술을 계속 개발해 왔다.

이론

선형 이온 트랩 – 푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석기 (자석 주변 패널 없음)

FTICR의 물리학은 적어도 첫 번째 근사에서 사이클로트론과 유사하다.

가장 단순한 이상적인 형태에서 사이클로트론 주파수와 비전하 간의 관계는 다음과 같다.

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

여기서 f = 사이클로트론 주파수, q = 이온 전하, B = 자기장 세기 및 m = 이온 질량이다.

이것은 일반적으로 각진동수로 나타내어진다.

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

여기서 ${\displaystyle \omega _{\text{c}}}$는 각 사이클로트론 주파수이며, ${\displaystyle f={\frac {\omega }{2\pi }}}$의 정의에 의해 주파수와 관련된다.

이온을 축 방향으로 포획하는 데 사용되는 사중극자 전기장 때문에 이 관계는 근사치일 뿐이다. 축 방향 전기 포획은 (각) 주파수로 트랩 내에서 축 방향 진동을 유발한다.

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

여기서 ${\displaystyle \alpha }$는 조화 진동자의 용수철 상수와 유사한 상수이며, 인가 전압, 트랩 치수 및 트랩 기하학에 따라 달라진다.

전기장과 그로 인한 축 방향 조화 운동은 사이클로트론 주파수를 감소시키고 마그네트론 주파수에서 발생하는 마그네트론 운동이라고 불리는 두 번째 방사형 운동을 도입한다. 사이클로트론 운동은 여전히 사용되는 주파수이지만, 이 현상 때문에 위의 관계는 정확하지 않다. 운동의 자연 각진동수는 다음과 같다.

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

여기서 ${\displaystyle \omega _{\text{t}}}$는 축 방향 전기 포획으로 인한 축 방향 포획 주파수이고 ${\displaystyle \omega _{+}}$는 감소된 사이클로트론 (각) 주파수이며 ${\displaystyle \omega _{-}}$는 마그네트론 (각) 주파수이다. 다시 말하지만, ${\displaystyle \omega _{+}}$는 FTICR에서 일반적으로 측정되는 것이다. 이 방정식의 의미는 ${\displaystyle \omega _{\text{t}}}$가 ${\displaystyle \omega _{\text{c}}}$보다 훨씬 작은 경우를 고려함으로써 정성적으로 이해할 수 있으며, 이는 질량 분석기에서 일반적으로 사실이다. 이 경우, 근호의 값은 ${\displaystyle \omega _{\text{c}}/2}$보다 약간 작고, ${\displaystyle \omega _{+}}$의 값은 ${\displaystyle \omega _{\text{c}}}$보다 약간 작다 (사이클로트론 주파수가 약간 감소되었다). ${\displaystyle \omega _{-}}$의 경우, 근호의 값은 동일하지만 (${\displaystyle \omega _{\text{c}}/2}$보다 약간 작지만), ${\displaystyle \omega _{\text{c}}/2}$에서 빼지므로 ${\displaystyle \omega _{\text{c}}-\omega _{+}}$와 같은 작은 숫자가 된다 (즉, 사이클로트론 주파수가 감소된 양). 이 영역에서 주파수는 대략 다음과 같다.

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

장비

FTICR-MS는 전자증배관과 같은 검출기에 부딪히는 것이 아니라 검출 플레이트에 가까이 지나가는 방식으로 이온이 검출된다는 점에서 다른 질량 분석법 기술과 크게 다르다. 또한, 질량은 다른 기술처럼 공간이나 시간으로 분리되는 것이 아니라 각 이온이 자기장에서 회전할 때 생성하는 이온 사이클로트론 공명 (회전) 주파수에 의해서만 분리된다. 따라서 서로 다른 이온들은 섹터 기기처럼 다른 장소에서 검출되거나 비행시간형 질량분석법 기기처럼 다른 시간에 검출되는 것이 아니라, 검출 간격 동안 모든 이온이 동시에 검출된다. 이는 펠게트의 이점의 원리에 따라 관찰되는 신호 대 잡음비의 증가를 제공한다.^[1] FTICR-MS에서 분해능은 자석의 강도를 증가시키거나 (테슬라 단위) 검출 지속 시간을 증가시킴으로써 향상될 수 있다.^[4]

셀

원통형 ICR 셀. 셀 벽은 구리로 만들어져 있으며, 이온은 팔중극 이온 가이드에 의해 오른쪽에서 셀로 들어간다.

다양한 셀 기하학과 특정 전기 구성에 대한 검토는 문헌에서 찾아볼 수 있다.^[5] 그러나 ICR 셀은 폐쇄 셀 또는 개방 셀의 두 가지 범주 중 하나에 속할 수 있다.

다양한 기하학적 형태의 여러 폐쇄 ICR 셀이 제작되었으며 그 성능이 특성화되었다. 격자는 축 방향 전기장 (자기장 선과 평행)을 가하여 이온을 축 방향으로 포획하기 위한 종단 캡으로 사용되었다. 이온은 셀 내부에서 생성되거나 외부 이온원에서 셀로 주입될 수 있다. 이중 격자 쌍을 가진 중첩 ICR 셀도 양이온과 음이온을 동시에 포획하기 위해 제작되었다.

가장 일반적인 개방형 셀 기하학은 원통이며, 고리 모양의 전극을 생성하기 위해 축 방향으로 분할된다. 중앙 고리 전극은 일반적으로 방사형 여기 전기장 및 감지를 적용하는 데 사용된다. 직류 전압은 자기장 선을 따라 이온을 포획하기 위해 터미널 고리 전극에 인가된다.^[6] 서로 다른 직경의 고리 전극을 가진 개방형 원통형 셀도 설계되었다.^[7] 이들은 두 이온 극성을 동시에 포획하고 감지할 수 있을 뿐만 아니라 양이온과 음이온을 방사형으로 분리하는 데 성공했다. 이는 새로운 셀 내에서 동시에 포획된 양이온과 음이온 간의 운동 이온 가속에서 큰 차별을 보였다. 이온-이온 충돌 연구를 위해 여러 이온 축 가속 방안이 최근에 작성되었다.^[8]

저장 파형 역 푸리에 변환

저장 파형 역 푸리에 변환 (SWIFT)은 FTMS용 여기 파형 생성을 위한 방법이다.^[9] 시간 영역 여기 파형은 선택된 이온의 공명 주파수를 여기시키기 위해 선택된 적절한 주파수 영역 여기 스펙트럼의 역 푸리에 변환으로 형성된다. SWIFT 절차는 텐덤 질량 분석법 실험을 위한 이온을 선택하는 데 사용될 수 있다.

응용 분야

푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명 (FTICR) 질량 분석법은 높은 정확도로 질량을 결정하는 데 사용될 수 있는 고해상도 기술이다. FTICR-MS의 많은 응용 분야는 이러한 질량 정확도를 사용하여 정확한 질량을 기반으로 분자 구성을 결정하는 데 도움을 준다. 이것은 원소의 질량 결함 때문에 가능하다. FTICR-MS는 질량 분석기의 다른 형태보다 더 높은 수준의 질량 정확도를 달성할 수 있는데, 부분적으로는 초전도 자석이 무선 주파수(RF) 전압보다 훨씬 안정적이기 때문이다.^[10]

FTICR-MS가 유용한 또 다른 분야는 바이오매스 또는 폐액화 제품과 같은 복잡한 혼합물을 다룰 때이다.^[11][12] 해상도 (좁은 피크 폭) 덕분에 유사한 비전하 (m/z)를 가진 두 이온의 신호를 별개의 이온으로 감지할 수 있기 때문이다.^[13][14][15] 이러한 높은 해상도는 전기분무 이온화에 의해 생성될 수 있는 여러 전하를 가진 단백질과 같은 큰 거대분자를 연구하는 데도 유용하다. 예를 들어, 두 펩타이드의 아토몰 수준 감지가 보고되었다.^[16] 이러한 큰 분자에는 동위원소 분포가 포함되어 일련의 동위원소 피크를 생성한다. 여러 전하로 인해 동위원소 피크는 m/z 축에서 서로 가깝기 때문에 FTICR의 높은 분해능은 매우 유용하다. FTICR-MS는 다른 단백질체학 연구에서도 매우 유용하다. 상향식 및 하향식 단백질체학 모두에서 뛰어난 해상도를 달성한다. 전자 포획 해리 (ECD), 충돌 유도 해리 (CID), 적외선 다광자 해리 (IRMPD)는 모두 텐덤 질량 분석법 실험에서 단편 스펙트럼을 생성하는 데 활용된다.^[17] CID 및 IRMPD는 진동 여기를 사용하여 펩타이드를 약한 주사슬 아미드 결합을 끊어 더 해리시키지만, CID 및 IRMPD는 또한 번역 후 변형을 해리시킬 수도 있다. 반면에 ECD는 특정 변형을 보존할 수 있다. 이는 인산화 상태, O- 또는 N-연결 글리코실화 및 황산화 분석에 매우 유용하다.^[17]