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FT-ICR 2D MS

En 1984, Marshall et al. ont montré qu'il était possible de désexciter les ions présents dans la cellule ICR après les avoir préalablement excités. Cela a ouvert la voie à la première expérience de FT-ICR 2D MS en 1987 par le groupe RMN de Geoffrey Bodenhausen de l'Université de Lausanne et le groupe FT-ICR MS de Tino Gäumann de l'école polytechnique fédérale de Lausanne en Suisse.

Séquence d'impulsions pour une expérience de FT-ICR 2D MS

Le principe consiste à faire subir aux ions, qui se situent initialement au centre de la cellule ICR, trois séquences d'impulsion successives, dont les deux premières sont de fréquence semblable P1=P2, séparées par une durée t1 appelée la période d'encodage. Après la première impulsion, les ions prennent une orbite cohérente selon un grand rayon cyclotron avec une énergie plus grande que précédemment. On appelle cette impulsion l'impulsion d'excitation. Durant le temps t1 suivant, les ions continuent de tourner sans qu'aucune impulsion n'ait lieu. Enfin, une seconde impulsion appelée l'impulsion d'encodage est appliquée, et celle-ci va tantôt augmenter encore le rayon cyclotron des ions, tantôt les désexciter selon la valeur de la phase dee ces mêmes ions. Si cette phase est un multiple de 2π, le rayon cyclotron à la fin de la seconde excitation sera égal au double du rayon à la fin de la première impulsion P1. Mais si cette même phase est de la forme 2πn+π alors les ions du paquet sont désexcités et retournent au centre de la cellule ICR, où ils vont pouvoir être fragmentés et/ou réagir durant un temps τ_m. Les ions dont la phase est à une valeur intermédiaire vont fluctuer entre ces deux extrêmes selon leur valeur. Enfin, une dernière impulsion P3, appelée impulsion d'observation, généralement plus importante que les impulsions P1 et P2 qui sont égales, est appliquée aux ions, ce qui va permettre de capter un signal par les plaques de détection de la cellule ICR.

Carte 2D représentant le résultat d'une expérience de FT-ICR 2D MS

Cette séquence de trois impulsions va être répétée N fois successivement pour digitaliser un signal de X points à chaque séquence, donnant alors lieu à une expérience de FT-ICR 2D MS avec N×X points au total, avec N points dans la dimension F1, appelée dimension des précurseurs, et X points dans la dimension F2, appelée dimension des fragments. Entre chaque répétition de cette séquence d'impulsions, on fera varier la période d'encodage de manière à ce que les ions qui soient désexcités, donc ramenés au centre de la cellule ICR et fragmentés et/ou réagissant, soient de nature différente au sein de l'échantillon. A la fin, on obtient une carte 2D qui représente le résultat de notre expérience. Sur la diagonale de la carte 2D, appelée diagonale d'auto-corrélation, apparaissent les pics représentant les ions parents ou les ions précurseurs, tandis que les pics apparaissant sur la ligne horizontale, à la hauteur d'un ion parent ou précurseur, représentent les fragments de l'ion parent ou précurseur. L'analyse de ces données permet de donner des informations sur la formule chimique ou la structure moléculaire des éléments présents dans l'échantillon étudié par FT-ICR 2D MS.

L'avantage de cette méthode est qu'il est permis d'analyser les composés et leur structure moléculaire en une seule expérience, sans avoir besoin de présélectionner les ions parents un à un de façon fastidieuse pour effectuer des expériences 1D comme dans les expériences de MS/MS (spéctrométrie de masse en tandem). Ce qui prend le plus de temps est l'accumulation des spectres dans la dimension F1, ce qui peut être compensé par l'utilisation de techniques d'échantillonnage qui consistent à prélever de manière homogène ou non homogène des points dans la première dimension, puis à reconstruire algorithmiquement le signal de cette dimension.

Ces techniques d'échantillonnage ont été importées avec succès depuis la RMN vers les techniques de FT-ICR 2D MS. Elles consistent, dans la dimension des précurseurs (F1) à sauter des points d'acquisition. Les techniques d'échantillonnage uniformes (avec un écart similaire entre les points sautés) ne peut pas dépasser 1 point sur 4 sans déformer le spectre, tandis que les techniques d'échantillonnage non-uniformes (NUS) permettent jusqu'à un ratio de 1 point sur 32 dans cette même dimension. En RMN les points sont classiquement reconstruits à l'aide de l'algorithme d'entropie maximale développé par J. Skilling et al. mais comme ces algorithmes ont une rapidité d'exécution dépendant du carré de la taille des données, et que les données de RMN (p.ex. souvent 2k × 2k = 4 Méga points) sont inférieures en taille aux données des expériences de FT-ICR (p.ex. souvent 8k × 128k = 1024 Méga points) les algorithmes ont été repensés afin de permettre le traitement de telles données.

Le temps qui est gagné au cours de l'acquisition au niveau du FT-ICR est donc remplacé par du temps de calcul sur un serveur. Les progrès récents en informatique à propos de l'augmentation de la mémoire, de la rapidité d'exécution et du parallélisme ont remis les techniques de FT-ICR 2D MS sur le devant de la scène.