Manipulation des ions dans une cellule FT-ICR

Guillaume van der RestLaboratoire des Mécanismes Réactionnels CNRS UMR 7651

Ecole Polytechnique, Palaiseau

Introduction

Rappel sur le mouvement des ions

Piégeage des ions

Excitation des ions

Effets de charge d'espace

Plan

Rappel sur le mouvement des ions

Piégeage des ions

Excitation des ions

Effets de charge d'espace

Cas d'un champ magnétique seul

Situation extrêmement simplifiée sans électrode de piégeage

ωc=qBm

Mouvement indépendant de la position initiale des ions.Le rayon dépend de la vitesse initiale.

Potentiel de piégeage

Confinement des ions suivant l'axe z : nécessite l'ajout d'un potentiel électrostatique.

Potentiel quadrupolaire pour le piège de Penning idéal.

Potentiel approchant un potentiel quadrupolaire pour le cellules usuelles.

Oscillations de piégeage:

F=q E r

Effet (secondaire) du potentiel électrostatique de piégeage

Potentiel électrostatique répulsif par rapport au centre de la cellule.

Hypothèse où les trajectoires sont centrées autour du centre de la cellule.

Force radiale électrostatique opposée à la force magnétique.

ω2−qB0 ω

m

qV trap αma2 =0

Deux solutions donc deux fréquences de rotation.

ω=ωc

2 ωc

2 2

−ωz

2

2 ω−=ωc

2 −ωc

2 2

−ωz

2

2

Fréquence cyclotron réduite Fréquence magnétron

F=q E r

Cas limites des mouvements radiaux

Ions localisés au centre de la cellule, sans vitesse radiale

Oscillation axiale seule (piégeage) Deux trajectoires stables centrées sur le centre de

la cellule: Rotation initiale à ω+ : cyclotron (réduit) pur. Rotation initiale à ω- : magnétron pur.

Cas général: superposition des différents mouvements dépendant des conditions initiales.

Superposition des trois mouvements

Description « classique » des mouvements, mais où le magnétron a été largement exagéré par rapport à une situation usuelle.

Dépendance aux conditions initiales

Si position initiale proche du centre de la cellule et vitesse initiale élevée :

rc > rm

Si position initiale éloignée du centre de la cellule ou si vitesse initiale faible :

rm > rc

Conséquences des phénomènes de relaxation

Considérons de la relaxation collisionnelle sur les différents modes de mouvement:

− Axial (piégeage) : diminue vz ⇒ réduit l'amplitude des oscillation ⇒ amélioration du piégeage axial.

− Cyclotron : diminue vxy ⇒ réduit rc donc relaxation du mouvement. Mais attention, le centre de la rotation est déplacé (i.e. rm peut être augmenté).

− Magnétron : potentiel répulsif donc relaxation ⇒ augmentation de rm !

La relaxation collisionnelle a des effets positifs et négatifs sur le piégeage des ions. La part de chaque mode sera à prendre en compte au cas par cas.

Conséquence de l'écart à l'idéalité

Piège de Penning idéal:

Cellule ICR usuelle (cubique, cylindrique)

Or ω+ dépend du champ électrique radial. Donc la fréquence cyclotron peut dépendre de la position de l'ion dans la cellule.

Elargissement possible des pics. Dépendance à vz suivant les régions de la cellule

parcourus par les ions.

E r =f r

E r =f r,z

Plan

Rappel sur le mouvement des ions

Piégeage des ions

Excitation des ions

Effets de charge d'espace

Production in situ : piégeage statique

e-

ou hν

Condition de piégeage : Ekin z < q Vtrap

En EI : simple à réaliser, seule l'agitation thermique des neutres compte.En MALDI : énergie cinétique apportée par la désorption.

Sources externes : limites du piégeage statique

Needle on ground

EV1

PV1 PV2

Excitation

Detection

EV2b

PV2quench

EV2aPL1 PL2

(DPL2)pulsed

PL4(DPL4)pulsed

HVO

(XDFL)pulsed

(YDFL)

gate valve

FOCL1 FOCL2

PL9

(3kV)

Endplate(~±3600)

Capillary(~±4200)

CapExit

Skimmer2

Offset

ESI Source

ExtractTrap & pulsing between

(EV2,DEV2)

Infinity cell

Skimmer1

Difficulté: si on considère uniquement un mouvement suivant z, un ion qui a une énergie cinétique pour entrer dans la cellule a aussi une énergie cinétique suffisante pour en ressortir.

Piégeage assisté par collisions avec un gaz

Nécessité d'ajouter un gaz de collision. Limite la résolution pour la détection sauf à ajouter de longs temps

de pompage

Piégeage avec Sidekick

Déflexion doit être suffisante: OK pour petites molécules, plus difficile pour grosses molécules.

Ajoute une composante radiale (magnétron) initialement absente.

Potentiel à l'entrée de la cellule abaissé par rapport au reste de la cellule.

Piégeage pulsé

Nécessite une source formant des paquets d'ions temporellement compacts.

Discrimination des ions suivant les temps de vol.

Piégeage dynamique

+ 10 V + 10 V

+ 10 V à + 1V

+ 1 V

Potentiel de piégeage élevé initialement: meilleure efficacité de piégeage

Potentiel de piégeage réduit lors de la détection: réduit les effets magnétron.

Modes combinés

Souvent les modes de piégeage peuvent être utilisés conjointement.Par exemple sur FT-ICR APEX III, nous utilisons en routine:

− (Sidekick +) piégeage pulsé pour haute résolution et/ou couplages chromatographiques

− (Sidekick +) piégeage pulsé + gaz de collision (Xe) + piégeage dynamique pour maximiser la quantité d'ions accumulés dans la cellule.

Gain en quantité d'ions x10 Résolution abaissée.

Plan

Rappel sur le mouvement des ions

Piégeage des ions

Excitation des ions

Effets de charge d'espace

Excitation dipolaire: rappel

La détection se fera par la détection du courant image sur la seconde paire d'électrodes.

r=dipolar V p-p texc

2 d B0

E kin=dipolar

2 q2 V p-p2 t exc

2

d 2 m

(In)homogénéité du champ d'excitation

Composante axiale au champ oscillant. Excitation axiale possible si oscillation du champ et de l'ion en phase (2ω

z).

Ejection axiale possible et indésirable

+ω V (Vp-p ~ 300 V)

- ω VExcitation dipolaire idéale(champ s'étendant à l'infini) Pas de composante axiale

+ω V (Vp-p ~ 300 V)

- ω V

Nécessité de prolonger le champ électrique d'excitation au-delà de l'espace de confinement des ions.

Infinity cell ou couplage capacitif

Excitation monofréquence : effet de la troncature

1.0

0.5

0.0

-0.5

-1.0

302520151050x10

3

12

10

8

6

4

2

0

x103

280260240220200180160140

Domaine temporel (intensité)de durée texc

Domaine des fréquences(magnitude)

FT

| sinc |

Sidebands

Excitation monofréquence tronquée va distribuer de la puissance sur des fréquences voisines.

Paramètres clefs de la fonction sinc résultante:

Largeur à mi-hauteur: Espacement entre les noeuds:1

t exc≈

1t exc

Excitation monofréquence : conséquences de la troncature

Si on recherche une excitation ponctuelle précise:− Augmenter texc pour réduire l'excitation non-résonnante.− Limitation: durée de l'expérience, contrôle sur les faibles

tensions d'excitation. Si on recherche une excitation large bande:

− Diminuer texc pour élargir l'excitation non-résonnante.− Limitation: tension d'excitation limitée. − Idéalement, un « pulse » très court mais très intense

pourrait suffire à exciter simultanément tous les ions (utilisé parfois en mode hétérodyne par exemple). Attention néanmoins à ne pas exciter les basses fréquences (ω-).

Excitation par balayage de fréquence

1200

1000

800

600

400

200

0

4003002001000

1.0

0.5

0.0

-0.5

-1.0

302520151050x10

3

Domaine temporel (intensité)

FT

Domaine des fréquences(magnitude)

Noter que l'excitation n'est pas complètement uniforme, surtout aux extrémités du spectre.

Sens de balayage : prendre en compte des effets liés à la position des ions dans la cellule.Par exemple, si cellule non compensée, excitation à 2ω

z : éjection axiale.

Stored Waveform Inverse Fourier Transform (SWIFT)

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

4003002001000

1.0

0.5

0.0

-0.5

-1.0

x10-3

6050403020100ks

Domaine temporel (intensité)

IFT

Domaine des fréquences

Phase non définie dans le domaine des fréquences: paramètre à ajuster pour limiter l'intensité maximale de l'impulsion SWIFT.

Permet de définir d'autres fonctions qu'une fonction carrée.

Le problème de la durée non-infinie du signal demeure: l'implusion résultante sera la convolution du signal carré et d'un sinus cardinal.➔ Bords de la fonction carrée imparfaits, dépendant de la durée du signal

d'excitation.

Excitation des ions en vue de la détection

Critères d'une « bonne » excitation :− Couvrir la gamme de masse choisie.− Impulsion la plus homogène possible en intensité

(puissance constante sur la gamme de fréquence considérée).

− Durée faible : cohérence des paquets excités− Limiter les perturbations (excitation axiale par ex.)

Les choix possibles :− SWIFT de ν

min à ν

max.

− Balayage de fréquence (chirp) de νmin

à νmax.

− Train d'impulsions monofréquences (Bruker)

Impulsions monofréquences successives

+

+

Résultat analogue à un « chirp », sauf que le déphasage entre les impulsions successives apparaît comme un paramètre supplémentaire.Le délai d'excitation est aussi un paramètre critique pour le contrôle du recouvrement des pics.

Excitation en vue de la sélection d'un (ou plusieurs ions)

Critères : − Sélectivité de l'ion à isoler− Absence d'excitation de l'ion à isoler (critique pour de

l'ECD ou de l'IRMPD) Choix possibles :

− SWIFT avec une « fenêtre » autour de la masse à isoler.− Trains d'impulsions monofréquences avec une fenêtre

d'isolation.

Troncature des impulsions sera un critère important !

Les trains d'impulsions offrent un moyen supplémentaire pour affiner une sélection : utiliser des impulsions courtes loin de l'ion à isoler, allonger les durées autour de l'ion à isoler.

Utilisation des noeuds du sinus cardinal pour une sélection

Si on utilise une série d'impulsion monofréquence pour la sélection, on peut corréler ces impulsions (CHEF) :

− Pour chaque fréquence d'excitation choisie, trouver la fréquence la plus proche telle qu'on place la fréquence de l'ion d'intérêt sur un point nodal de chaque impulsion monofréquence.

− Les impulsions doivent être suffisamment courtes pour qu'il existe une solution ne présentant pas une perte de puissance significative sur les espèces d'intérêt.

Attention: dans les cas où on veut sélectionner un massif isotopique, cette méthode conduit à une discrimination entre l'ion sélectionné et les autres ions du massif isotopique.

Exemple de sélection « fine » utilisant ces modes d'excitation

997.7 997.9 998 .1 998 .3 998.5 998 .7 998 .9 m /z

/D = /D A T A /JP LC /m yo_M S M S /5/pdata/1 A dm inistrator Fri Jan 17 09:12:02 2003

Sélection de l’état de charge 17+

Impulsions 400 μs

Sélection d’un pic isotopique de l’état de charge 17+

Impulsions 800 ms

Sélectivité en masse > 1/17 000

Excitation en vue de collisions

Excitation monofréquence par définition.

Résonnante ou non-résonnante− Voir cours de demain.

Energie cinétique de l'ion :

E kin=dipolar

2 q2 V p-p2 t exc

2

d 2 m

Double résonnance

Ejection d'intermédiaires à courtes durées de vie.

En faisant varier Vp-p

on peut remonter au temps de vie de l'espèce considérée.

r=dipolar V p-p texc

2 d B0

t eject=2 d B0 rcell

dipolar V p-p

Excitation quadrupolaire

Excitation quadrupolaire :➢ Nécessite un hardware adapté.➢ Version 4-plaques, développé aussi en

2-plaques avec des contraintes autres.

● Différentes fréquences d'excitation vont avoir des conséquences sur les mouvements des ions.

2+ + t =+ 0eb t

p=+−-c + t =-0sin b t +0cosb t

où

b=q C

2 mp

- t =- 0cosb t −+ 0sin b t

Excitation à ωc

Excitation quadrupolaire à ωc = ω

+ + ω

-

Axialisation quadrupolaire

En présence d'un gaz de collision :

Cas haut champ, faible pression :multiples interconversions des mouvements pour atteindre le centre de la cellule.

Collisions de relativement hautes énergies (tout le magnétron est converti en cyclotron) : risque de fragmentation pendant l'axialisation.

Excitation à 2 ω+

Excitation divergente, a priori néfaste,en particulier pour l'axialisation quadrupolaire.

Excitation dipolaire axiale

zmax t =V p-p t

٢a qmV trap

a٢

٢

ωz=٢qV trap αma٢

Peu utilisée à cause de la dépendance en Vtrap

Utilisations : - détection d'ions de faible masse

- éjection d'électrons ou d'ions de faible masse

Plan

Rappel sur le mouvement des ions

Piégeage des ions

Excitation des ions

Effets de charge d'espace

Effet de la charge d'espace sur la fréquence

F=q E r

F= q٤٠

∑ qi

r i٢

Terme coulombien à prendre en compte en plus.

Généralement répulsif➔ Abaissement de la fréquence

cyclotron

Nouvelle expression de la fréquence cyclotron réduite :

obs=q Bm

−٢V trap

a٢ B−

q G i

٠ B

Effet de charge d'espace: conséquence sur la fréquence

100%

60%

25%

L'effet de charge d'espace est non négligeable pour une mesure de haute résolution.

Effet de charge d'espace: effet local vs global

Limites du traitement précédent :− Les ions d'un même m/z constituent un unique paquet

d'ions, dont la fréquence de rotation constitue la fréquence mesurée.

➔ L'effet de charge d'espace du paquet doit être dissocié de celui, moyenné, des autres paquets d'ions.

Terme supplémentaire à introduire pour ajouter cet effet local (i.e. dépendant de l'intensité de l'espèce m/z considérée)

obs , j=q Bm

−٢V trap

a٢ B−

q tot G i

٠ B

q j G j

٠ B

f obs , j=A

m/ z BC I totD I j

Comment prendre en compte ces effets de charge d'espace?

Limite diluée (ρ→0) ou prise en compte implicite de l'intensité totale :

Correction de la densité du paquet d'ion local

Prise en compte d'une intensité totale variable

f obs , j=A

m / z B m/ z= A

f B

f ٢m/ z= Af B

f obs , j=A

m / z BC I i m/ z= A

f

BC I i

f ٢m/ z= A

f BC I i

f obs , j=A

m / z BC I iD I tot m/ z= A

f

BC I iD I tot

f ٢m/ z= A

f BC I iD I tot

Cette dernière approche nécessite une calibration avec plusieurs intensités totales différentes.

Verrouillage de phase entre ions de m/z différents: coalescence

Phénomène de coalescence

Même avec un potentiel électrostatique répulsif, le champ magnétique peut maintenir ensemble deux paquets d'ions de masses proches.

Condition: que la force liée au changement de fréquence compense le champ électrique répulsif.

PK i≡−٠.٨٢٥ mi m r p T−i

٢٥٦٠ BR B rC∣m− mi∣

Coalescence pour PK > 1

où BR=−B١−٤m ArC

q B٢

Verrouillage de phase pour une seule valeur de m/z

Interactions ions positifs et électrons

Bruce et al. ont observé une amélioration du signal lorsqu'ils font passer un faisceau d'électrons dans la cellule pendant la détection.

La durée du signal semble allongée par la présence des électrons.

Quelle explication? Peut-on y arriver autrement?

Cause primaire: instabilité de la fréquence de rotation

Source de déphasage : variation de la fréquence mesurée au cours du temps.

Apport des électrons : altération du champ électrique radial

Vérification : variation instantanée de la fréquence

Dispositif analogue : utiliser une électrode supplémentaire