Methodology for nuclear magnetic resonance and ion cyclotron resonance mass spectrometry

par Akansha Sehgal

Thèse de doctorat en Physique - Chimie

Sous la direction de Geoffrey Bodenhausen.

Soutenue le 08-10-2014

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris) , en partenariat avec Laboratoire des biomolécules (laboratoire) .

Le jury était composé de Guillaume Van Der Rest, Anja Bockmann, Sandrine Sagan, Christian Rolando, Philippe Pelupessy.

  • Titre traduit

    Méthodologie pour résonance magnétique nucléaire et la résonance cyclotron d'ions par spectrométrie de masse


  • Résumé

    Pendant ma thèse de doctorat, j’ai eu la grande chance de travailler sur le développement de nouvelles méthodes de deux techniques spectroscopiques complétement différentes : la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) et la Spectroscopie de Masse par Résonance Cyclotronique Ionique à Transformée de Fourier (FT-ICR/MS). En tant que méthodologiste, mon but principal a été d’améliorer les méthodes existantes et la théorie. En RMN, l’outil fantastique de la manipulation des spins permet la mise en place des séquences d’impulsions, et en FT-ICR, les rapports masse sur charge (m/z) des ions et des fragments d’ions obtenus par différents chemins de fragmentation peuvent être appliqués à des problèmes en chimie, biochimie et médecine. Le manuscrit de ma thèse de doctorat comporte deux parties. Les sujets abordés étant différents, ce manuscrit a été rédigé pour que chaque chapitre puisse être lu indépendamment. La première partie aborde la RMN dans le chapitre I. Dans ce chapitre, nous avons amélioré une méthode développée précédemment dans l’equipe pour l’étude de l’échange rapide des protons par RMN. Nous avons adapté la méthode à l’étude de l’acide aminé histidine, système en apparence simple mais qui s’est avéré très compliqué à l’étude. La deuxième partie de ma thèse de doctorat aborde la spectroscopie de masse et comprend deux chapitres. Dans le chapitre II, nous avons essayé de faire revivre et de mettre en œuvre une méthode longtemps oubliée ; il s’agit de la méthode d’isolement d’ions par éjection sélective (‘notch ejection’) par spectroscopie de masse FT-ICR. Un autre sujet abordé pendant ma thèse, qui est décrit dans le chapitre III, concerne l’utilisation de trois impulsions rf dans une expérience à deux dimensions (2D) ICR. Notre objectif a été de mieux comprendre la complexité du comportement des ions pendant cette expérience 2D ICR, en particulier pour le cas d’impulsions courtes.


  • Résumé

    This thesis encompasses methodological developments in both nuclear magnetic resonance and Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry. The NMR section explores the effects of scalar relaxation on a coupled nucleus to measure fast exchange rates. In order to quantify these rates accurately, a precise knowledge of the chemical shifts of the labile protons and of the scalar couplings is normally required. We applied the method to histidine where no such information was available a priori, neither about the proton chemical shifts nor about the one-bond scalar coupling constants J(1H15N), since the protons were invisible due to fast exchange. We have measured the exchange rates of the protons of the imidazole ring and of amino protons in histidine by indirect detection via 15N. Not only the exchange rate constants, but also the elusive chemical shifts of the protons and the coupling constants could be determined. For the mass spectrometry section, the ion isolation project was initiated to study the effect of phase change of radiofrequency pulses. Excitation of ions in the ICR cell is a linear process, so that the pulse voltage required for ejecting ions must be inversely proportional to the pulse duration. A continuous sweep pulse propels the ion to a higher radius, whereas a phase reversal causes the ion to come to the centre. This represents the principle of ‘notch ejection’, wherein the ion for which the phase is reversed is retained in the ICR cell, while the remaining ions are ejected. The manuscript also contains a theoretical chapter, wherein the ion trajectories are plotted by solving the Lorentzian equation for the three-pulse scheme used for two-dimensional ICR. Through our simulations we mapped the ion trajectories for different pulse durations and for different phase relations.


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