Цифровая ионная ловушка

Цифровой масс-спектрометр с ионной ловушкой

Цифровая ионной ловушка (DIT) является квадрупольной ионной ловушки движимой цифровыми сигналов, как правило , в виде прямоугольной волны, генерируемой путем быстрого переключения между дискретным постоянным уровнем напряжения. Цифровая ионная ловушка в основном разрабатывалась как масс-анализатор.

История [ править ]

Цифровая ионная ловушка (DIT) - это ионная ловушка, у которой форма волны захвата генерируется быстрым переключением между дискретными уровнями высокого напряжения. Время переключения высоковольтного переключателя точно контролируется цифровой электронной схемой. Движение ионов в квадрупольной ионной ловушке, управляемой прямоугольным волновым сигналом, было теоретически изучено в 1970-х годах Шеретовым, Е.П. ^[1] и Ричардсом, Дж. А. ^[2]. Шеретов ^[3] также реализовал импульсный привод формы волны для квадрупольной ионной ловушки, работающей в массе. -селективный режим нестабильности, хотя резонансное возбуждение / выброс не использовалось. Эта идея была существенно пересмотрена Дингом Л. и Кумаширо С. в 1999 г. ^{[4] [5]}где стабильность иона в квадрупольном поле прямоугольной волны отображена в системе координат a - q пространства Матье , причем параметры a и q имеют то же определение, что и параметры Матье, обычно используемые при работе с синусоидальным квадрупольным полем, управляемым РЧ . Также была получена зависимость вековой частоты от параметров a , q, что заложило основу для многих современных режимов работы ионных ловушек, основанных на резонансном возбуждении. ^[6]Кроме того, в 1999 году Питер Т.А. Рейли начал улавливание, а затем абляцию и масс-анализ ионов продуктов из наночастиц, полученных из выхлопных газов автомобилей, с помощью примитивной гибридной трехмерной ионной ловушки, управляемой прямоугольной / синусоидальной волной. В 2001 году Рейли посетил 49-ю конференцию Американского общества масс-спектрометрии (ASMS) по масс-спектрометрии и прикладным вопросам, где он представил свою работу по анализу массы наночастиц ^{[7] [8]}и впервые встретил Ли Дина. Рейли тогда предложил Дину сосредоточить DIT для анализа в диапазоне больших масс, где другие инструменты не могут конкурировать. Тем не менее, работа, опубликованная Дингом и Шимадзу в течение нескольких лет после встречи 2001 года, была сосредоточена на разработке DIT, управляемых прямоугольной волной, в обычном диапазоне масс коммерческих приборов. В это время Рейли начал разработку цифровых сигналов для увеличения диапазона масс квадрупольных масс-спектрометров и ионных ловушек, которые работают с прямоугольными сигналами. ^{[9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] »[25]} В течение восемнадцати лет группа Рейли внесла значительный вклад в развитие современной технологии цифровых сигналов (DWT), их реализацию и определение характеристик, методы генерации сигналов, ^{[22] [21]} и общую теорию, которая включает, но не ограничиваясь диаграммами устойчивости, ^[18] псевдопотенциальной моделью, ^[19] и, в последнее время, цифровым квадрупольным приемом. ^{[26] [27] [28] [29]} Параллельно с достижениями Рейли, но также работая отдельно, группа Динга в исследовательской лаборатории Шимадзу продолжала внедрять свою технологию цифрового привода для трехмерной ионной ловушки. Наконец, спустя 18 лет Shimadzu представила скамейку MALDI. Масс-спектрометр с трехмерной ионной ловушкой, управляемый прямоугольной волной, который был разработан для работы в более высоком диапазоне масс на конференции ASMS 2019 года. Технология DIT также была разработана и реализована в линейных и трехмерных квадрупольных ионных ловушках многими другими группами по всему миру. ^{[30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39]}

Стабильность под цифровым приводом [ править ]

Для трехмерной квадрупольной ионной ловушки движение ионов под влиянием цифровой формы волны (см. Рисунок справа) может быть выражено в терминах обычных параметров захвата:

${\ displaystyle a_ {z} = - {\ frac {8eU} {mr_ {0} ^ {2} \ Omega ^ {2}}} \ qquad \ qquad (1) \!}$

а также

${\ displaystyle q_ {z} = {\ frac {4eV} {mr_ {0} ^ {2} \ Omega ^ {2}}}. \ qquad \ qquad (2) \!}$

Здесь Ω = 2πf - угловая частота цифрового сигнала. Аналогичные определения для 2D (линейной) ионной ловушки также приводились в литературе. ^[40] Существует как минимум два постулата о природе составляющей постоянного тока . Первый из них, который был приписан Дину, предполагает для DIT, что составляющая постоянного тока U зависит не только от среднего уровня напряжений переменного тока V ₁ и V ₂ , но и от рабочего цикла d формы сигнала. :${\ displaystyle a, q}$

${\ Displaystyle U = dV_ {1} + (1-d) V_ {2}}$

Принимая во внимание, что второй, но более общий постулат предполагает, что компонент постоянного тока отсутствует, если к сигналам не добавлено явное смещение напряжения постоянного тока. Последняя интерпретация объясняется изменением диаграммы стабильности, которое возникает при отклонении рабочего цикла от d = 0,5. Когда это происходит, диапазон стабильных значений q и a для обеих осей квадруполя изменяется. Эти изменения вызывают большее смещение движения ионов вдоль одной оси по сравнению с другой. Следовательно, это эффект смещения постоянного тока.

Важно точно знать стабильность ионов внутри DIT. Например, разные коэффициенты заполнения формы сигнала приводят к разным границам устойчивости. Для случая прямоугольной волны, где d = 0,5, граница первой области устойчивости пересекает ось примерно на 0,712, что меньше 0,908, граничного значения для синусоидальной формы волны. Стабильность движения ионов в квадруполе с цифровым управлением может быть рассчитана из аналитических матричных решений уравнения Хилла : ^{[41] [42]}${\ displaystyle q_ {z}}$${\ displaystyle q_ {z}}$

${\displaystyle \mathbf {V} (f_{n},\tau _{n})={\begin{bmatrix}cos(\tau _{n}{\sqrt {f_{n})}}&1/{\sqrt {f_{n}}}sin(\tau _{n}{\sqrt {f_{n}}}\\-{\sqrt {f_{n}}}sin(\tau _{n}{\sqrt {f_{n}}})&cos(\tau _{n}{\sqrt {f_{n}}})\end{bmatrix}}\qquad f_{n}>0\qquad \qquad \qquad (3a)}$

${\displaystyle \mathbf {V} (f_{n},\tau _{n})={\begin{bmatrix}cosh(\tau _{n}{\sqrt {-f_{n})}}&1/{\sqrt {-f_{n}}}sinh(\tau _{n}{\sqrt {-f_{n}}}\\{\sqrt {-f_{n}}}sinh(\tau _{n}{\sqrt {-f_{n}}})&cosh(\tau _{n}{\sqrt {-f_{n}}})\end{bmatrix}}\qquad f_{n}<0\qquad \qquad (3b)}$

Аналитические решения применимы к любой периодической функции до тех пор, пока каждый период может быть представлен как серия из n постоянных потенциальных ступеней . Каждая ступенька постоянного потенциала представлена ​​в безразмерном пространстве Матье параметром потенциала формы волны , где q и a были определены ранее формулами (1) и (2). Значение в (3) - это временная ширина ступени постоянного потенциала. В цифровой системе, которая работает без физического смещения постоянного тока, потенциал формы волны уменьшается до значения${\textstyle T}$${\textstyle T=\sum _{1}^{n}t_{n}}$${\textstyle f=a\pm 2q}$${\textstyle \tau _{n}=t_{n}\pi }$${\textstyle \pm 2q}$. Знак параметра будет зависеть от знака постоянного потенциала на каждом шаге, а соответствующая матрица будет зависеть от знака параметра. Поскольку цифровая форма волны может быть аппроксимирована существующей только в высоком и низком состояниях (знак потенциала), стабильность ионов, как продемонстрировал Брабек, может быть определена всего за два или три шага постоянного потенциала. ^[43] В простом, но частом случае, когда полный цикл цифрового сигнала может быть представлен двумя шагами с постоянным потенциалом, матрица, представляющая первый потенциальный шаг, будет умножена на матрицу, представляющую второй потенциальный шаг. В общем случае окончательная матрица цикла формы сигнала, определяемая n ступенями с постоянным потенциалом, имеет вид:

${\displaystyle \mathbf {M} =\mathbf {V} (f_{1},\tau _{1})\times \mathbf {V} (f_{2},\tau _{2})...\times \mathbf {V} (f_{n},\tau _{n})\qquad \qquad \qquad (4)}$

Матрицу (4) часто называют матрицей переноса. Он используется для оценки стабильного движения иона. Если абсолютное значение следа этой матрицы меньше 2, говорят, что ион имеет устойчивое движение. Устойчивое движение просто означает, что вековые колебания иона имеют максимальное смещение. Когда абсолютное значение следа больше 2, движение иона нестабильно, и смещение иона увеличивается с каждым вековым колебанием.

Траектории ионов в линейном или трехмерном DIT, а также в цифровом фильтре масс также могут быть рассчитаны с использованием аналогичной процедуры. ^{[27] [44]} В отличие от расчета стабильности, с точки зрения разрешения и точности полезно представлять каждый период формы сигнала с адекватным числом шагов постоянного напряжения. ^{[44] [29] [43]} Траектория для постоянного потенциала шага , например, вычисляется путем умножения соответствующей матрицы (3) для этого шага на траекторию вектор шага :${\textstyle k}$${\textstyle k-1}$

${\displaystyle {\binom {u_{k}}{{\dot {u}}_{k}}}=\mathbf {V} (f_{k},\tau _{k}){\binom {u_{k-1}}{{\dot {u}}_{k-1}}}\qquad \qquad (5)}$

Диаграмма устойчивости может быть сгенерирована путем вычисления следа матрицы для каждой оси в заданном диапазоне значений q и a . Диаграмма устойчивости прямоугольной волны очень похожа на диаграмму устойчивости традиционного гармонического квадрупольного поля. Имея дополнительный параметр d в форме волны, цифровая ионная ловушка может проводить определенные эксперименты, которые недоступны в традиционной ионной ловушке RF на гармонических волнах . ^{[45] [20] [17] [31] [23]} Одним из примеров является цифровая изоляция асимметричной волны, которая представляет собой метод использования значения ad около 0,6 для сужения диапазона масс для выделения иона-предшественника. ^{[46] [47]}

DIT - универсальный прибор, поскольку он способен работать при постоянном напряжении переменного тока без смещения постоянного тока для любого мыслимого рабочего цикла и частоты. Динамическая частота не накладывает ограничений на диапазон масс. ^[48] Диаграмма устойчивости пространства Матье для линейного и трехмерного DIT изменяется в зависимости от рабочего цикла. Когда a = 0, будет конечный диапазон стабильных значений q для каждой оси квадруполя, который будет зависеть от рабочего цикла. На рис. 3 (а) показана диаграмма устойчивости пространства Матье для рабочего цикла d = 0,50 линейного DIT. Горизонтальная линия указывает, где параметр a = 0 . Диапазон полностью стабильных qзначения появляются там, где эта линия проходит через область зеленого цвета; он колеблется от q = 0 до примерно q = 0,7125 . Области синего цвета на рисунке показывают стабильность только вдоль оси x . Области желтого цвета отображают стабильность только вдоль оси y . Когда рабочий цикл увеличивается до d = 0,60, диапазон полностью стабильных значений q уменьшается (см. Рис. 3 (b)), на что указывает уменьшение зеленого цвета на пересечении горизонтальной линии. В этом представлении полный диапазон стабильных значений q вдоль оси x-ось, которая определяется пересечением линии, проходящей через синюю и зеленую области, больше, чем общий диапазон стабильных значений q вдоль оси y, который определяется пересечением линии, проходящей через желтую и зеленую области. На рис. 3 (b) общая стабильность линейного DIT в направлении y меньше, чем в направлении x . Если частота линейного DIT уменьшается, чтобы конкретный ион имел qзначение, которое соответствует правой границе полностью стабильной зеленой области, тогда он будет возбуждать и в конечном итоге выбрасывать в направлении y. Это основной механизм, который позволяет управлять направлением возбуждения ионов в линейном ДИТ без резонансного возбуждения. ^[25]

DIT и другие виды цифровых масс-анализаторов сканируют ионы, сканируя частоту формы волны возбуждения. Напряжение переменного тока обычно фиксируется во время сканирования. Цифровые устройства используют рабочий цикл, который позволяет им работать полностью независимо от постоянного напряжения и без резонансного возбуждения. ^[25] Когда напряжение постоянного тока равно нулю, параметр a также равен нулю. Следовательно, стабильность иона будет зависеть от q . С учетом этих соображений стало возможным разработать новый тип диаграммы устойчивости, который больше подходит для планирования и проведения экспериментов. В 2014 году Брабек и Рейли создали диаграмму стабильности, которая отображает диапазон стабильного отношения массы к заряду, m / z, в соответствующий диапазон частот привода на основе нескольких пользовательских входов.^[18] Для определенного рабочего цикла оператор может быстро определить диапазон стабильных масс на каждой частоте сканирования. На рис. 4 (a) и (b) показанадиаграмма стабильностичастота- m / z для линейного DIT с рабочим циклом d = 0,50 и d = 0,60 соответственно. ^[40]

Секулярная частота и псевдопотенциальная глубина скважины [ править ]

Секулярная частота - это основная частотная составляющая движения иона в квадрупольном поле, управляемое периодическим сигналом, и она обычно выбирается для резонансного возбуждения движения иона для достижения выброса и / или активации энергии ионов, что может привести к столкновению, вызванному диссоциация. Светская частота условно записывается как:

${\displaystyle \omega _{z}={\frac {1}{2}}\beta _{z}\Omega \qquad \qquad (6)\!}$

Для цифрового управляющего сигнала Дин вывел выражение вековой частоты, используя теорию матричного преобразования. ^[49]

${\displaystyle \omega _{z}={\frac {\Omega }{2\pi }}arccos{\frac {\phi _{11}+\phi _{22}}{2}}}$

Где: - два диагональных элемента матрицы преобразования движения иона. Для прямоугольной волны без постоянного тока ( ) матрица преобразования может быть выражена с использованием параметра стабильности , таким образом:${\displaystyle \phi _{11},\phi _{22}}$${\displaystyle a=0}$${\displaystyle q}$

${\displaystyle \beta _{z}={\frac {1}{\pi }}arccos[cos(\pi {\sqrt {q_{z}/2}})cosh(\pi {\sqrt {q_{z}/2}})\qquad \qquad (7)\!}$

Формулы (6) и (7) дают прямую связь между вековой частотой и параметрами формы сигнала цифрового возбуждения (частотой и амплитудой) без использования итерационного процесса, который необходим для квадрупольной ионной ловушки с синусоидальным приводом.

Обычно глубина «эффективной потенциальной» ямы или псевдопотенциальной ямы используется для оценки максимальной кинетической энергии ионов, которые остаются захваченными. Для DIT это также было получено с использованием приближения Демельта :

${\displaystyle D_{z}={\frac {{\pi }^{2}}{48}}q_{z}V\approx 0.206q_{z}V}$ [эВ]

Инструментарий и производительность [ править ]

Первоначально цифровая ионная ловушка была сконструирована в виде трехмерной ионной ловушки ^{[50], в} которой управляющий сигнал подавался на кольцевой электрод ловушки. Вместо сканирования ВЧ напряжения в DIT частота сигнала прямоугольной формы сканируется вниз во время прямого сканирования массы. Это позволило избежать пробоя высокого напряжения, которое установило верхнее ограничение сканирования массы. Масс - спектр DIT до 18,000 Th был продемонстрирован с использованием атмосферного MALDI источника ионов ^[50] , а затем был расширен , чтобы покрыть м / г однозарядного антитела при температуре около 900000 Th по Коичи Танака и др ^[51]

Схема переключателя MOSFET обеспечивает сигнал возбуждения прямоугольной формы. Схема возбуждения DIT намного компактнее по сравнению с ВЧ-генератором со схемой LC-резонатора, используемой для традиционной ионной ловушки синусоидальной волны. Он также обеспечивает возможность быстрого запуска и быстрого завершения формы волны, что позволяет инжектировать и выбрасывать ионы с высокой эффективностью. Электрод регулировки поля, расположенный рядом с входной торцевой крышкой и смещенный определенным постоянным напряжением, помог достичь хорошего разрешения по массе как для прямого, так и для обратного сканирования массы, а также для изоляции прекурсора. При напряжении захвата +/- 1 кВ была продемонстрирована разрешающая способность масштабирования 19000.

Многие новые возможности тандемного масс-анализа постепенно открывались с использованием цифровой ионной ловушки. Ионы могут быть выборочно удалены из ионной ловушки с помощью граничного выброса, просто изменяя рабочий цикл цифрового сигнала вместо приложения обычного «разрешающего постоянного напряжения». ^[46] Поскольку в DIT используются сигналы прямоугольной формы, электроны могут быть введены в ловушку во время одного из уровней напряжения без ускорения изменяющимся электрическим полем. Это позволило осуществить диссоциацию с захватом электронов , которая требует электронного пучка очень низкой энергии для взаимодействия с захваченными ионами, что достигается в цифровой ионной ловушке ^[52] без помощи магнитного поля.

Были также разработаны другие формы цифровых ионных ловушек, в том числе линейная ионная ловушка, построенная с использованием печатных плат ^[30], и линейный ионовод / ловушка стержневой конструкции. ^{[31] [23]} Два набора коммутационных схем обычно использовались для генерации двух фаз прямоугольного импульса для двух пар стержней в случае линейной цифровой ионной ловушки.

Коммерциализация [ править ]

Компания Hexin Instrument Co., Ltd (Гуанчжоу, Китай) в 2017 году выпустила в продажу портативный масс-спектрометр с ионной ловушкой DT-100 для мониторинга ЛОС . В масс-спектрометре используется источник фотоионизации ВУФ и цифровая линейная ионная ловушка в качестве масс-анализатора. Общий вес 13 кг и размер 350 x 320 x 190 мм ^3, включая литий-ионный аккумулятор. Спецификация включает диапазон масс 20 - 500 Th как для MS, так и для MS 2 , а также разрешающую способность по массе 0,3 Th (FWHM) при 106 Th .

Shimadzu Corp. выпустила MALDI цифровой ионной ловушки масс - спектрометр MALDImini-1 в 2019 Имея ножную печать на бумаге А3 , то MALDI масс - спектрометр покрыта внушительный диапазон масс до 70000 Th и MS ^н масс звенели до 5000 че . Доступна функция анализа тандемной массы до MS 3 , что позволяет исследователям выполнять комплексные структурные анализы, такие как прямой анализ гликопептидов, анализ посттрансляционных модификаций и структурный анализ разветвленных гликанов .

Ссылки [ править ]