克里斯汀·科因著
FT-ICR。
像许多科学首字母缩写一样，这个词对大多数外行来说都是胡言乱语。翻译——傅里叶变换离子回旋共振-可能对他们也没什么帮助。但在这短短五封信里，却蕴含着许多意义，尤其是在MagLab，这个领域的世界领导者，也是共同发明了这种技术的人的家，在过去的三十多年里，他比任何人都要对化学领域的巨大进步负责。
离子回旋共振首席科学家艾伦·马歇尔。
FT-ICR是一种非常特殊的质谱仪(一种测量原子和分子质量的机器)。事实上，这个功能强大的工具提供了比任何其他类型的测量更准确和精确的测量质谱计(简称MS)。
为什么要测量物质中原子和分子的质量?找出它的组成成分——哪些原子，哪些分子，每种的含量。这些信息可以充分说明一种物质的起源和性质。
FT-ICR领域是国家强磁场实验室最大的优势之一。爱游戏体育是什么爱游戏提现客服首先，我们的设施是无与伦比的。我们的拥有设施包括几台FT-ICR质谱仪，其中包括世界上最强大的一台，它使用了一个磁场为21特斯拉的超导磁体。特斯拉是一种测量磁场强度的方法:从这个角度来看，1特斯拉等于地球磁场的2万倍。
然而，在积聚硬件之前，佛罗里达州立大学以一流的人才起家。ICR设施由离子回旋共振首席科学家建立艾伦•马歇尔他是该领域的传奇人物。1973年，马歇尔与加拿大英属哥伦比亚大学的梅尔文·科米萨罗一起发明了FT-ICR。这一壮举可以追溯到1931年，当时离子回旋，一种加速带负电或正电粒子的装置(离子)在磁场中被发明出来。几十年后，这种工具被用来制造离子回旋共振质谱仪。傅里叶变换(一种数学算法，可以将探测到的信号转换成关于粒子质量的可用数据谱)已经存在了几个世纪。但马歇尔和科米萨罗是第一个把事实和事实结合在一起(或者更确切地说，FT和ICR结合在一起)并创造出一个功能惊人的设备的人。这些仪器用于各种类型的研究，从研究药物和细胞如何相互作用到分析单个重质石油样品中的3万多种化学物质。难怪基于马歇尔三项专利的质谱仪已经在全球安装了650多台，每年约有50台新仪器上线。
FT-ICR是迄今为止分析流体中混合的复杂分子的最佳技术，这也是分子通常被发现的方式。但在我们开始详细介绍它是如何工作的之前，让我们先谈谈它是如何重要的。
破解密码
假设你正在考虑在遥远的海上钻探石油——对于那些开采了所有容易开采的储量的石油公司来说，这是一个越来越熟悉的场景。这个海底宝藏将是非常困难和昂贵的。值得吗?
在ICR设施工作的小组成员。
为了找到答案，你提取了一滴，并把它送到MagLab。毕竟，正是在这里，对这些物质的微观分析研究——石油组学——诞生了。
对你来说，所有的原油看起来、闻起来和摸起来都是一样的。事实上，所有原油主要由碳氢化合物，碳和氢分子组成。但在分子水平上，可能会有巨大的差异。例如，碳氢化合物有很多种。原油还含有不同数量的氮、硫、镍和其他元素。其组成取决于形成的地点、压力和温度，以及分解形成的植物类型。
事实上，原油极其复杂——一个样品可能含有3万多种不同的化学物质。这些分子包含着重要的信息——例如，关于样品生锈或堵塞钢管的倾向(腐蚀性)，或者是什么使它与水形成乳液。仔细观察石油中硫(一种污染物)的含量，就会发现去除它有多么困难。掌握原油如此详细的化学特征也有助于查明泄漏的源头。
重
当科学家们想要弄清楚某样东西是由什么组成的，在分子水平上，他们会称它的重量。你的浴室磅秤可不行:分子似乎没有在磅秤上显示出来。所以他们改用质谱仪。有很多不同的类型，每一种都有自己的优点(关于MS基础知识的讨论和实验室设计的一种用于测量彗星尘埃的MS的详细信息，请参阅我们的磁铁学院文章质谱101)．但当要对异常复杂的物质进行分类时，科学家通常会选择FT-ICR。
每个原子都有一个不同的相对原子质量(也称为原子量)，它是质子数和中子数的函数。例如，一个碳原子重12.011道尔顿(原子的质量单位)一个锡原子重118.69。
事实上，那是个谎言。宇宙中没有一个锡原子的重量是118.69。举几个例子，有的体重116磅，有的体重118磅，有的体重120磅。这些都是不同的同位素-同一种元素的原子，它们的原子核中中子数不同，因此质量也不同(大多数元素没有锡的同位素那么多)。元素周期表上所列的原子质量是一种化学元素的所有天然同位素质量的加权平均值。
质谱的一个挑战是区分这些同位素，从最轻的氢同位素开始——重量在1道尔顿左右。但大而笨重的分子也构成了巨大的挑战。它们可能包含超过1000个原子，这意味着原子质量超过10万道尔顿!这是一个惊人的范围，精确测量从一个极端到另一个极端是一个非常高的要求。
FT-ICR可以胜任这项任务。
准备好特写镜头了
有时两种同位素或两个分子的质量差别非常小。这就是决议质谱分析的成败取决于能量。这就像拥有一个带有一系列超级变焦镜头的相机。你放大的越多，看到的就越多。不过，如果你只能使用廉价的一次性相机，你就无法捕捉到太多细节。
以下面的一系列图片为例。第一个是一片橡树叶。然而，更仔细地检查它，你会发现它是由细胞组成的。再仔细看，你会发现每个细胞里都有一个细胞核。(顺便说一下，这些图片来自一个非常值得一看的优秀教程，叫做《秘密世界:内在宇宙，这解释了10的幂。它可以在优秀的显微镜网站上找到，分子表达)．
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你看得越近，看到的就越多。
明白了吗?现在，让我们把这个概念转移到质谱法上，用你刚才检查上面三张图像的相同方式查看下面三张图像。
请看下图，它描述了南美原油样品的质谱分析结果。
原油样品的宽频质谱。
这是一个质谱这是任何质谱仪都能得到的读数。每个峰代表一种原子，在这种情况下，代表一种分子。图表底部的数字叫做质荷比，或m/z -指分子的原子质量。山峰的高度告诉我们有多少。
如你所见，这些山峰密集地排列着。在这个例子中，覆盖的分子质量范围从大约225道尔顿开始，到1000道尔顿，在这之间发生了很多可怕的事情。原油是复杂的;很难区分分子。
不过，放大一点，你可以看到更多。
原油样品质谱的放大区域。
我们在这里的样本上进行了大量的打磨，覆盖的范围不是775道尔顿，而是50道尔顿。很明显，我们在宽带频谱中看到的模糊实际上可以被分解成独立的、可识别的峰——就像叶子被分解成离散的细胞一样。
然而，这条线仍然很模糊。为了能够区分这些峰，或者甚至知道那里有不止一个峰，我们需要进一步放大。让我们拿出放大镜来观察426道尔顿标记附近的区域。
原油样品质谱的扩大区域，用于识别单个碳氢化合物。
啊哈!以前看起来是一条线，实际上是几条线，描绘了几种不同的碳氢化合物。C31N40N1是其中数量最多的，但样本中还包含(按丰度排序)C30.H52N1C28H44N1年代1和C29H32N1年代1等等。就像上面例子中的叶细胞核一样，这些峰在FT-ICR显微镜下出现，揭示了真正发生的事情。
事实上，当你在FT-ICR的帮助下看这个原油样品时，你会发现1.1万种不同的碳氢化合物．
其他机器无法产生这种程度的细节。相反，它们本质上是将几个不同的分子聚集在一个峰值上，这代表了它们的加权平均值——这与真实的情况大不相同。科学家们对这种能力非常感兴趣，而MagLab在这方面做得特别好。事实上，这里的仪器是有效的世界纪录在大分辨率!听说有这样的东西存在，你可能会感到惊讶，但MagLab的科学家们能够区分两个不同的分子，它们的相对原子质量仅相差0.000452道尔顿。这几乎相当于一个电子的重量，几乎为零，让人难以想象。
大规模分辨率的世界纪录。
马蹄铁和手榴弹
我们已经讨论过FT-ICR的高分辨率能力。让我们花一分钟来欣赏它的高质量精度．
质谱仪，包括FT-ICR，在测量质量时往往无法击中靶心。有时候，非常接近就足够了:给定样本，你可以合理地确定物质是什么。有时候，非常接近并不能解决问题。
让我们再来看看上一节的原油样本。
原油样品质谱的扩大区域，用于识别单个碳氢化合物。
现在让我们看看FT-ICR测定的上述碳氢化合物的重量。
| 化学公式 | 测量质量 | 计算质量 |
|---|---|---|
| C32H28N1 | 426.22177 | 426.22163 |
| C29H32N1年代1 | 426.22511 |
426.22500 |
| C30.H36N1O1 | 426.27925 |
426.27914 |
| C29H37N213C1 | 426.29854 |
426.29848 |
| C31H40N1 | 426.31562 |
426.31553 |
| C28H44N1年代1 | 426.31895 |
426.31890 |
| C30.H52N1 | 426.40949 |
426.40943 |
看C31H40N1(从上到下第五)。这种碳氢化合物的实际质量(至少科学家所能确定的最好质量)是426.31562道尔顿。一个不太准确的MS类型会给你的读数是426，或者426.3。显然，这不足以准确地将这个分子与样本中的其他分子区分开来，比如附近的C分子28H44N1年代1，质量为426.31895道尔顿。在某些情况下，读到小数点后一位也会有问题。
FT-ICR可以确定质量小数点后五位．有了这种准确性，就有可能仅仅根据质量，就能毫无疑问地确定未知物体的身份。当你考虑到机器一次不只是测量一种元素，而是很可能一次测量超过10,000种元素(就像这个例子一样)，并且可以以极高的可信度确定每种元素的组成时，这种精度就更加令人印象深刻了。
同样重要的是，FT-ICR质谱可以同时分离和识别大量物质——单个样品中有超过10,000种不同的化学成分。其他质量分析仪无法覆盖如此广泛的光谱。
最后，与其他质谱方法不同，FT-ICR在测量过程中不会破坏分子(当我们讨论机器如何工作时，我们将很快看到这一点)。这意味着你可以再次使用它们。例如，在测量一次分子后，你可以将它们分解成更小的部分，并重新测量这些部分，以获得关于样本的新级别的信息。
充电!
磁铁实验室的14.5特斯拉，104毫米口径FT-ICR系统。
现在来看看这些质量测量的奇迹之一。
图为MagLab的14.5特斯拉，104毫米口径FT-ICR系统。虽然你从外部看不出太多，但内部发生的奇妙事情揭示了被研究样本的惊人细节。
首先，样本分子需要电离-也就是说，变成带电粒子。这些电荷——正电荷或负电荷——使分子对设备的磁场产生反应。这是任何质谱仪背后的核心原理:每种类型的离子对磁场的反应不同，这取决于它的质量。有各种电离方法，每一种都有自己的优势。
分子被电离后，它们被漏斗状的离子导到细胞分析仪(也称为潘宁陷阱)，位于中心，或生超导磁体。顺便说一下，这整个装置连接到一个真空泵系统，以防止不必要的外部分子进入样品。这使得离子绕圈旋转超过10万次而不与另一个粒子碰撞。
在分析细胞内，瞬间发生了很多事情——正如我们即将看到的那样。当细胞的工作完成后，我们就进入了这个操作的最后阶段:信号阅读器和计算机将细胞中发生的一切转化为可用的数据。
分析这个
尽管在乐器名称中，“FT”出现在“ICR”之前，但ICR部分实际上是先出现的。我们很快就会讲到傅里叶变换。
分析仪单元，周围是数吨重的超导磁体是FT-ICR MS的核心。
有些细胞是方形或矩形的，有些是圆柱形的，就像这个一样。但它们几乎都有相同的部分，工作方式相同。
让我们从离子的角度来看发生了什么。离子X是我们正在测试的原油样本中的一种神秘分子。它是我们样本中成千上万甚至上百万个离子中的一个。离子X很容易在人群中迷失方向，但事实上，它与样本中的其他一些离子有着特殊的亲缘关系——那些代表相同类型的分子，那些具有相同分子质量的离子。想象一下，他们是同一支球队的成员，他们的分子量(目前我们还不知道)印在他们的球衣上。让我们给这些离子一个颜色:红色。
当离子被引导进入电池时，离子被拉向穿过电池中心的纵向磁场。然后它们开始围绕它，垂直于场，在微小的轨道上，就像离子在上面做的那样。离子X是那些红色的小家伙之一——在环绕轨道的分子簇中有点难以探测到。
虽然所有这些发散的离子的轨道半径都差不多，但它们运动的速度却不一样;这是由离子的质量决定的。当然，这意味着同一“团队”中的所有离子都以相同的速度轨道运行，这就是所谓的它们回旋频率．正如你所猜测的，较轻的离子比较重的离子跑得更快(如果你能想象耐克鞋里的离子)——因此有更高的回旋频率。这就是机器最终区分分子的方式。
关于这些频率的另一个事实是:它们随着回旋加速器磁体功率的增加而增加。当频率增加时，也会增加区别任何两个ICR频率之间，这意味着更容易区分不同类型的离子。这就是前面讨论的分辨率的原因。这也是为什么科学家们试图用更强大的磁铁来开发ft - icr，就像MagLab正在开发的21t系统。
尽管离子X的运动速度与所有同类分子相同，但它没有表现出与它们亲昵的倾向。这个团体没有凝聚力，没有团队精神。相反，它的成员随机分布在整个分析细胞中，与所有其他离子混合。
这是糟糕的团队合作，没有办法进行科学研究。幸运的是，FT-ICR MS非常适合纠正这种情况。
我们的ICR MS配备了两个板，占据相对的壁的细胞，称为探测器的盘子．它们是图中灰色的顶部和底部。
正如你所料，它们的工作是检测细胞内的离子。他们通过每个板上的电极来完成这项工作，电极与细胞外的电路相连。当腔内的离子足够接近电极时，它们就会在电路中诱导带负电荷的电子流动，这样就可以进行测量(稍后会详细介绍)。
反正也应该是这样的。但就目前而言，正如你所看到的，离子并不合作。
这种困境是双重的。
首先，离子都混合在一起，分布在细胞中，就像一群牛在草原上一样:如果你不能把它们聚集起来，你就无法数清它们。即使你可以这样计算它们，它们分散在草原上(可以说)，这个练习也会被证明是徒劳的。这是因为离子的轨道处于不同的阶段，正如我们的插图所示:当一个离子接近顶部的探测器板时，另一个离子接近底部的探测器板。因此，任何被吸引到顶部探测器板上的电子都会被电池另一侧发生的事情抵消，没有什么可以测量的。离子之间相互对抗:它们是竞争对手而不是队友。
其次，即使所有类似的离子都同步运动，它们仍然不会被探测到:在它们0.1毫米的轨道上，它们离探测器板太远了，无法被发现。
FT-ICR用一个简单的解决方案巧妙地解决了这两个麻烦的问题励磁板，即分析仪单元两侧的棕色板。
把我们传送上去!
这些激励板就像拉拉队队长，把我们缺乏动力的团队成员团结起来。下面的交互式Java教程演示了这些板是如何工作的(我们将在下一节讨论该过程的后续阶段)。
注意:如果您在浏览下面的Java教程时遇到困难，您可能需要通过右键单击它或管理浏览器的设置来授权运行applet的权限，和/或下载最新版本的Java．本教程还不能在许多移动设备上看到。
这两个棕色激励板都有一个电极，是电池外部电路的一部分。通过电路的一系列振荡的射频脉冲(称为a尖声地说)被发送到激励板。在一个啁啾过程中发出的频率范围内，离子X只会对一个频率做出反应——对应于它特定的回旋频率。啁啾开始时频率较低，然后逐渐增加，因此较重的离子会首先响应。
这样做的结果是，Ion X及其类似分子突然被一种亲近感和团队精神所抓住。它们从射频中吸收这种额外的“啦啦队”能量，用它来增加它们围绕磁场的轨道的大小。在新的轨道上，它们发现了彼此——它们的团队成员，所有重量相同的其他离子，都响应了同样的号召。这就是类似离子如何凝聚成一团(科学家称之为)包)，同步运行。点击激励板上在上面的小程序中的单选按钮，你会看到这是如何工作的。(你可以调整离子轨道的速度Applet速度滑块)。
获得相干性是这些离子成功的一半。另一半是离探测板足够近以引起注意。这也是在振荡射频能量增强的帮助下完成的，当它们继续脉冲时，为离子包提供了逐渐增加轨道的动力，沿着螺旋状的路径，直到达到大约一厘米左右的最大半径-足够接近探测器电极以进行反应。当你读完这段话的时候，applet中的离子包已经完成了这个上升的螺旋。
(在进行这些测量时，科学家们通常以这样一种方式校准啁啾，即离子的最终轨道-离子轨道停车轨道它离实际的细胞壁很近，所以离子不会撞到细胞壁)。
激发板的工作现在已经完成，由探测器板接管。
追逐开始了
下面是前一节中的applet。单击激单选按钮，再看一遍这些盘子是如何工作的。然后，观察探测器板的作用，点击检测单选按钮。
当一个离子包，如离子X和它的朋友，接近一个探测器板，带负电荷的电子流(与包的电荷相等)通过第二个外部电路到达探测器的电极。这就开始了电子和数据包之间的猫捉老鼠的游戏。电子刚到达一个电极，就会以相反的方向运行。然后，电子电流呈u型转弯，迅速通过电路到达对面极板上的电极。他们很快就到达那电极比离子，继续它们的轨道，向相反的方向旋转，而顽强的电子又做了另一个转身，在它们的轨迹上热。如果他们是骑警，这些电子就会被发射:他们永远抓不到他们的人。
注意:如果您在浏览下面的Java教程时遇到困难，您可能需要通过右键单击它或管理浏览器的设置来授权运行applet的权限，和/或下载最新版本的Java．本教程还不能在许多移动设备上看到。
当电子来回追逐离子时，外部电路中的电阻测量电压，这是离子在电池内循环的间接测量。
重要的是要记住，样本中所有质量对应的所有包都在同一时间经历相同的过程。所有这些测量同时进行，使得FT-ICR成为一种非常高效的质谱仪。
说到测量:这一步开始于离子包到达它们最大的轨道后，射频啁啾已经完成了它的工作，被关闭。当这些失去能量的包螺旋下降到原来的轨道时，在探测器板之间运行的电路中感应的交流电逐渐减弱。这台机器捕捉了这段时间内轨道的衰减，就像你现在在小程序中看到的那样。请随意点击蓝色重置扣上扣子，再看一遍。
整个过程，扫过样品中的所有离子范围，持续大约一秒钟。这只是一眨眼的功夫，但在量子层面上，已经发生了很多事情。你的包裹平均在一秒钟内完成大约30公里(18.6英里)的轨道。以这样的速度，他们离开了航天飞机，在它自己的轨道上慢了三倍多，在尘埃中。
Descrambled数据
在电压读数被放大和数字化之后，就会产生一种波状的图像信号，描述数据包在回落到原始轨道时在这一秒内的测量结果。看起来就像一个翻转过来的龙卷风，这个原始数据是所有存在的离子的所有回旋频率的复合信号，一个在另一个上面分层。我们的原油样品是这样的:
离子回旋共振时域信号。
在所有这些行中，离子X被记录了下来。但从我们看到的东西看不出来。为了理解这幅图，我们需要对信号进行解码器，将它们转换为频率数据并进行排序。
这种魔力是由一种称为傅里叶变换的数学算法实现的(最后我们到了讨论的FT部分!)计算机将原始数据从“随时间变化的振幅”信号转换为分离出并描绘所有接收信号频谱的信号。我们在英国《金融时报》之后获得的数据如下:
原油样品的频域谱。
我们就不讲背后的数学了。为了理解FT-ICR，你只需要知道傅里叶变换显示了检测到的每个不同频率的振幅，这对应于与该频率相关的离子数量。
最后，我们来到了最后一步。傅里叶变换的结果被转换为原油样品的质谱。
原油样品质谱的扩大区域，用于识别单个碳氢化合物。
这看起来应该很熟悉——我们之前研究过的原油样品的详细外观。离子X，在光谱的中间，在426.30的质量/电荷比附近:C28H44N1年代1．事实证明，它是样品中含有硫(S)的几种碳氢化合物之一，我们发现它是一件好事。硫是交通燃料中严格管制的污染物，而且管制越来越严格。因此，识别含有硫的分子并测量去除硫的难度(这一过程称为脱硫)变得越来越重要。含有大量抗脱硫硫分子的原油样品可能不值得钻探。
本文仅演示了科学家使用FT-ICR的一种方式。浏览下一页的链接，了解更多关于这个强大而有前途的过程的信息。
感谢磁铁学院对这篇文章的科学顾问克里斯Hendrickson他是MagLab ICR设备的仪器总监。
