รู้จักเทคโนโลยี FT-ICR ตอนที่ 1

Article Index

มาทำความรู้จักเทคโนโลยี Fourier Transform  Ion Cyclotron Resonance กันเถอะ  

 

              Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance (FT-ICR) เป็นเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นในปี ค.ศ. 1974 โดยนาย Malvin B.Comisarow และนาย Alan G.Marshall จากมหาวิทยาลัยบริติสโคลอมเบีย แรงบันดาลใจในการประดิษฐ์เครื่องมือชนิดนี้ เกิดจากการพัฒนาของเทคนิค Nuclear Magnetic Resonance  (NMR) ด้วยหลักการของ Free Induction Decay (FID) ร่วมกับการประมวลผลแบบ Fourier Transform Algorithm (FT) ทำให้สามารถพัฒนาเครื่องไอออนไซโคลตรอนเรโซแนนซ์ปกติ ให้ทำงานในรูปของ Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance (FT-ICR) ขึ้นมาได้สำเร็จ

หลักการของ ICR อาศัยการเคลื่อนที่ของ  “ไอออน” ในสนามแม่เหล็กเมื่อเกิดการสั่นพ้อง รูปแบบของการ “สั่นพ้อง” ในสนามแม่เหล็กนั้น เกิดจากการให้พัลส์ กับไอออน ซึ่งในแต่ละไอออนจะมีค่าการตอบสนองต่อพัลส์ที่ให้แตกต่างกัน ค่าพัลส์ที่ทำให้ไอออนโคจรซึ่งเรียกว่า “ไซโคลตรอน” นั้น จะมีค่าเป็นลักษณะเฉพาะตัว ขึ้นอยู่กับค่ามวลของไอออนนั้นๆ ซึ่งเมื่อเกิดการโคจรล้อมรอบแท่งอิเล็กโทรด จะมีค่า ความถี่เชิงมุมของการโคจร เป็นดังนี้

เมื่อกำหนดให้

z เป็นค่าประจุของไอออนที่สนใจ

e เป็นค่า ประจุของอิเล็กตรอนและโปรตอน

B เป็นค่า สนามแม่เหล็ก

m เป็นค่า มวลของไอออน

เมื่อพิจารณาถึง การพารามิเตอร์ต่างๆที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของไอออน ภายใต้สนามแม่เหล็ก จะได้ค่าความถี่ของไซโคลตรอน และค่ามวลดังสมการ

โดยที่ 

สนามไฟฟ้าจะถูกใช้ ในการกักไอออนที่จะโคจรเป็นไซโคลตรอน โดยจะมีทิศทางตั้งฉากกับแท่งอิเล็กโทรดที่เป็นแกนของ ICR เมื่อเกิดการสั่นพ้องจะเกิดการเคลื่อนที่ตามความสัมพันธ์

โดยที่  เป็นค่าคงที่ของการสั่นแบบฮาร์โมนิค ซึ่งขึ้นกับค่าความต่างศักดิ์  ขนาดและรูปทรงของไอออนไซโคลตรอนเรโซแนนซ์

สนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นและผลของการสั่นแบบฮาร์โมนิคจะส่งผล ให้ความถี่ของไซโคลตรอนลดลง นอกจากนี้ ยังมีผลของสนามแม่เหล็กที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ในอีกรูปแบบหนึ่งเรียกว่า แม็กเนตรอนโมชั่น (Magnetron Motion)

เมื่อกำหนดให้

เป็นความถี่เชิงมุมของไซโคลตรอนที่ถูกนำไปใช้ในสมการฟลูเรียร์ทรานสฟอร์ม

เป็นความถี่เชิงมุมภายใต้สนามแม่เหล็ก

เป็นความถี่เชิงมุมภายใต้สนามไฟฟ้าที่กักไอออนไว้

 เป็นความถี่เชิงมุมของไซโคลตรอน


             มาถึงบรรทัดนี้ หลายๆคนอาจกำลังสับสนกับสมการเยอะแยะที่กล่าวมา ก็ขอสรุปโดยสังเขป  เพื่อความเข้าใจดังนี้ เมื่อไอออนเข้ามาสู่อุปกรณ์ที่มีแท่งอิเล็กโทรดประกบคู่อยู่ตรงกลาง ไอออนจะได้รับพัลส์ซึ่งในแต่ละไอออนจะมีการตอบสนองต่อพัลส์ต่างกัน ซึ่งการโคจรเป็นไซโคลตรอนรอบแท่งอิเล็กโทรดนั้น จะมีค่าความถี่เชิงมุมเป็น wc แต่เนื่องจากการกักไอออนไว้โดยอาศัยสนามไฟฟ้า  จะทำให้เกิดการเคลื่อนที่แบบฮาร์โมนิค (ให้นึกถึงสปริง เวลามันยืดก็จะหดกลับ) ดังนั้นจึงทำให้ความถี่เชิงมุมของไซโคลตรอนลดลง นอกจากนี้ยังส่งผลให้เกิดแม็กเนตรอนโมชั่นด้วย ซึ่งการประมวลผลแบบฟลูเรียร์ทรานสฟอร์มนั้น จะนำค่าความถี่เชิงมุมหลังหักลบจากการเคลื่อนที่แบบฮาร์โมนิคมาคิดเท่านั้น เมื่อประยุกต์ใช้สมการกับการวัดมวลต่อประจุจะได้

ซึ่งสมการที่หกนี้ก็คือสมการของแมสสเปคโตเมทรี่นั่นเองครับ

รูปที่ 1 แสดงการโคจรรอบแท่งอิเล็กโทรดภายใต้สนามแม่เหล็กที่คงที่ของไอออนที่สนใจ เริ่มจากไอออนจะถูกจับอยู่ใน trap ซึ่งประกอบด้วยแท่งโลหะซึ่งมีกระแสไฟฟ้าผ่าน เมื่อทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าในทิศตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กซึ่งมีค่าคงที่ ไอออนจะถูกกระตุ้น ให้โคจรล้อมรอบแท่งโลหะ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นไม่ต่อเนื่อง ไอออนที่อยู่ในสภาวะเร้าจะสูญเสียพลังงานทำให้กลับไปอยู่ในสถานะเดิม หรือที่เรียกว่า Free Induction Decay (FID)  ลักษณะของการเปลี่ยนแปลงของการโคจรของไอออนในแต่ละค่ามวลต่อประจุจะมีลักษณะการโคจรที่แตกต่างกันทั้งรัศมีและความเร็วที่เกิดภายใต้สนามแม่เหล็กที่คงที่แต่มีการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าจะถูกบันทึกไว้สัมพันธ์กับเวลา จากนั้นสัญญาณที่ได้จะถูกคำนวนด้วยสมการฟลูเรียร์ทรานสฟอร์มเพื่อให้เป็นแมสสเปคตรัม

             เครื่องแมสสเปคโตรมิเตอร์ชนิด ฟลูเรียร์ทรานสฟอร์มไอออนไซโคลตรอนเรโซแนนซ์ จัดได้ว่าเป็นเครื่องที่มีความละเอียด (Resolution) สูงมากที่สุด ในบรรดาชนิดของแมสสเปคโตรมิเตอร์ ควบคู่กับความถูกต้องของการอ่านค่ามวล ซึ่งจุดเด่นของเครื่องมือชนิดนี้จะช่วยอย่างมากในการหาองค์ประกอบของโมเลกุลของสารที่สนใจ บนพื้นฐานของการวัดผลแบบ Accurate Mass

             เครื่องแมสสเปคโตรชนิดนี้ สามารถเข้าถึงความละเอียดขนาด 500,000 FWHM (ซึ่งสามารถทำให้สูงขึ้นได้อีก ด้วยการเพิ่มของสนามแม่เหล็กและระยะเวลาของไซโคลตรอน) ทำให้สามารถแก้ไขปัญหางานวิเคราะห์ตัวอย่างที่มีเมตริกส์ ซึ่งทำได้ยากได้ ด้วยประสิทธิภาพของการแยกขนาดมวลและความละเอียดสูง ทำให้สามารถแยกแยะไอออนที่มีขนาดมวลแตกต่างกัน แม้ในทศนิยมตำแหน่งที่ห้าได้[1,2,3,4]  นอกจากนี้ผลของความละเอียดที่สูงมาก ยังเหมาะต่องานวิเคราะห์หาชนิดและโครงสร้างของโปรตีน และงานที่ต้องอาศัย Detection Limit ที่ต่ำมากขนาด 10-15 โมล[5]

             ฟลูเรียร์ทรานสฟอร์มแมสสเปคโตรมิเตอร์  เป็นเครื่องแมสสเปคโตรมิเตอร์ชนิดเดียวที่ไม่ได้อาศัยการพุ่งชนของไอออนที่สนใจกับดีเทคเตอร์ เช่นอิเล็กตรอนมัลติพลายเออร์ (Electron  Multiplier) นอกจากนี้ ยังไม่ต้องอาศัยเวลาหรือระยะทางในการเคลื่อนที่ของไอออนในการแบ่งแยกมวล อาศัยเพียงแค่การเคลื่อนที่แบบไซโคลตรอนรอบแกนอิเล็กโทรดในสนามแม่เหล็กที่คงที่

 พบกับตอนที่สองได้ เร็วๆนี้

Pongsagon Pothavorn