Компенсационные ионные ловушки с динамической гармонизацией для масс-спектрометра ионного циклотронного резонанса

Костюкевич, Юрий Иродионович

Компенсационные ионные ловушки с динамической гармонизацией для масс-спектрометра ионного циклотронного резонанса тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

Костюкевич, Юрий Иродионович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.17 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Компенсационные ионные ловушки с динамической гармонизацией для масс-спектрометра ионного циклотронного резонанса»

Автореферат диссертации на тему "Компенсационные ионные ловушки с динамической гармонизацией для масс-спектрометра ионного циклотронного резонанса"

На правах рукописи

КОСТЮКЕВИЧ Юрий Иродионович

Компенсационные ионные ловушки с динамической гармонизацией для масс-спектрометра ионного циклотронного резонанса

01.04.17 - химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний

вещества

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

П 3 АП? 2^4

Москва 2014

005546621

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте энергетических проблем химической физики им. В.Л.Тальрозе Российской академии наук

Научный руководитель:

Николаев Евгений Николаевич доктор физико-математических наук ИНЭПХФ РАН, заведующий лабораторией

Официальные оппоненты:

Морозов Игорь Иллиодорович доктор физико-математических наук ИХФ РАН, заведующий лабораторией

Сысоев Александр Алексеевич доктор физико-математических наук МИФИ, профессор

Ведущая организация:

Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова

Защита состоится "21" мая 2014г. в 12 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д.002.012.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте химической физики Российской академии наук по адресу: 119334 Москва, ул. Косыгина, д.4, корп. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного учреждения науки Института химической физики им. H.H. Семенова Российской академии наук.

Автореферат разослан "21" марта 2014 года.

Автореферат размещен на сайте Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации «19» марта 2014 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.002.012.02 кандидат физико-математических наук

Голубков М.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для анализа сложных химических смесей, таких как физиологические жидкости человека, нефть, гуминовые вещества, в последнее время широко используется масс-спектрометрия [1]. Масс-спектрометрия - это физический метод исследования неизвестного вещества, основанный на измерении отношения массы к заряду ионизированных молекул данного соединения. Исследование сложных смесей с помощью масс-спектрометрии предъявляет высокие требования к аналитическим характеристикам используемых масс-спектрометров: разрешению, динамическому диапазону и точности измерения масс [2, 3].

Наиболее высокие разрешающая способность и точность измерения массы достигаются в масс-анализаторах ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье (ИЦР ПФ) [4]. Измерительной ячейкой масс-спектрометра ИЦР ПФ является ионная ловушка Пеннинга, в которой в направлении перпендикулярному к линиям магнитного поля, ионы удерживаются силой Лоренца, а в направлении вдоль магнитного поля ионы удерживаются электрическим полем [5]. Для измерения отношения массы к заряду на электроды измерительной ячейки подается переменное напряжение, которое, входя в резонанс с циклотронными частотами ионов, возбуждает их циклотронное движение. Ионные ансамбли совершают синхронное циклотронное движение с большим циклотронным радиусом и наводят переменный ток между детектирующими электродами измерительной ячейки, преобразование Фурье которого дает спектр циклотронных частот. Имея циклотронные частоты, можно определить отношения масс к зарядам по известной формуле w=qB/m. При фиксированной индукции магнитного поля В для увеличения разрешающей способности и точности измерения массы требуется увеличение времени детектирования сигнала. Для этого необходимо, чтобы ионное облако совершало синхронное движение как можно дольше. Потеря синхронности

циклотронного движения, так называемая расфазировка ионного облака, приводит к экспоненциальному затуханию наведенного сигнала [6].

Основными факторами, лимитирующими время, в течение которого детектируемый сигнал не затухает, являются давление остаточных газов в измерительной ячейке, неоднородность магнитного поля и отклонение электростатического потенциала от гиперболической формы [7, 8]. Благодаря существенному прогрессу в вакуумной технике удалось снизить значение первого фактора, и основным фактором, влияющим на разрешающую способность ИЦР масс-спектрометров, становится неидеальность электрического и магнитных полей [6].

Были предложены различные измерительные ячейки ИЦР, конструкция которых направлена на создание гиперболического удерживающего электрического поля [9, 10]. Ранее предложенная ионная ловушка с динамической гармонизацией позволила создать эффективный гиперболический потенциал во всем объеме измерительной ячейки [11, 12]. Однако, влияние неоднородностей магнитного поля по-прежнему не было устранено.

В диссертации предложен принципиально новый подход к решению проблемы неидеальных электрических и магнитных полей. Вместо того чтобы создавать отдельно однородное магнитное поле и гиперболическое электрическое поле, можно создать такую их комбинацию, что их взаимное влияние на циклотронную частоту иона окажется скомпенсированным [13].

В работе проведено подробное исследование предлагаемой компенсационной ячейки. Показано, что развивая концепцию ячейки с динамической гармонизацией, удается создавать в измерительной ячейке дополнительную поправку к гиперболическому полю, такую, что оказывается возможным скомпенсировать линейную и квадратичную неоднородности магнитного поля.

Применение подхода, основанного на компенсации неоднородностей магнитного поля, позволило экспериментально осуществить сверхточное измерение

массы изолированных молекулярных ионов пептидов, продемонстрировать длительность синхронного циклотронного движения до 280с и разрешающую способность до 12 ООО ООО.

Цель работы. В диссертационной работе были поставлены следующие цели:

1) Разработка методов сверхточных измерений структуры сложных молекул, включая биологические, с помощью масс-спектрометрии сверхвысокого разрешения.

2) Создание новых подходов для обеспечения синхронного движения ионных ансамблей в масс-анализаторах ионного циклотронного резонанса.

3) Разработка нового класса ионных ловушек с пространственно периодичным потенциалом.

Задачи работы. Для достижения цели необходимо было выполнить следующие задачи:

1) Исследовать расфазировки ионных ансамблей (потерю синхронности циклотронного движения) в ионных ловушках с пространственно периодичным потенциалом (ИЛППП).

2) Развить подходы к вычислению электростатического поля в ИЛППП. Усовершенствовать методы расчета движения ионных ансамблей в таких ловушках.

3) Разработать конструкцию и произвести математическое моделирование компенсационной ИЛППП. Создать ловушку, которая смогла бы эффективно компенсировать неоднородности магнитного поля (линейные и квадратичные).

Научная новизна:

электростатического поля. Предложена схема компенсационной ионной ловушки, позволяющей создавать требуемую поправку к полю.

2) Установлено, что предложенная ионная ловушка позволяет эффективно в широком массовом диапазоне компенсировать влияние квадратичных и линейных неоднородностей магнитного поля на циклотронную частоту и на порядок увеличить время синхронного движения ионных ансамблей.

3) Применение подхода, основанного на компенсации неоднородностей магнитного поля, позволило экспериментально продемонстрировать возможность получения сверхтонкой структуры пиков на масс-спектре ИЦР с применением магнита с низкой однородностью поля.

Практическая значимость. Работа представляет несомненный практический интерес, поскольку основная проблема масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса на гибридных и постоянных магнитах - неоднородное магнитное поле. В диссертации впервые в мире предложен метод решения данной проблемы. Кроме того, результаты работы позволят повысить разрешающую способность существующих масс-спектрометров ИЦР. Полученные данные очень важны для развития техники ИЦР с применением высоких магнитных полей 14Т и 21 Т. В связи со сложной конструкцией магнитов, создающих такие поля, классические методы шиммирования не позволяют достигать высокой однородности магнитного поля. Методология и методы исследования. Основным методом исследования являлось компьютерное моделирование, включающее в себя вычисление электростатического поля, создаваемого ионной ловушкой, и численное решение уравнений движения ионов в электрических и магнитных полях. Экспериментальное исследование возможности применения подхода, основанного на компенсации неоднородностей магнитного поля, производилось на масс-спектрометре ИЦР Bruker Apex Qe. Данные исследования выполнялись в соавторстве с коллективом лаборатории ионной и молекулярной физики ИНЭП ХФ РАН Нагорновым К.О., Владимировым Г.Н., под руководством Николаева E.H. и Попова И.А..

Положения, выносимые на защиту:

1) Разработана теоретическая модель компенсации неоднородностей магнитного поля специальными добавками к электростатическому полю.

2) Получены эмпирические зависимости времени синхронного движения ионных облаков в неоднородных магнитных полях и создаваемых компенсационной ионной ловушкой с динамической гармонизацией электростатических полях от потенциалов на компенсационных электродах.

3) Разработанная ионная ловушка показала возможность эффективной компенсации неоднородностей магнитного поля в широком массовом диапазоне (до ЮОДа), при этом время синхронного движения ионного облака увеличивалось на порядок.

4) Применение подхода, основанного на компенсации неоднородностей магнитного поля, позволило экспериментально продемонстрировать длительность сигнала до 280с и разрешающую способность до 12 ООО ООО на пептидах.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1) 58-й международной конференции Американского масс-спектрометрического общества А8М82010 (США, Солт-Лейк Сити, шт. Юта, 2010);

2) 4-й Всероссийской конференции «Фундаментальные вопросы масс-спектрометрии и её аналитические применения», (Россия, Звенигород, 2010);

3) 59-й международной конференции Американского масс-спектрометрического общества А8М82011 (США, Денвер, шт. Колорадо, 2011);

4) 19-й конференции Международного масс-спектрометрического общества (Япония, Киото, 2012);

5) 61-й международной конференции Американского масс-спектрометрического общества А8М82013 (США, Миннеаполис, шт. Миннесота, 2011);

6) 1-й международной конференции «Инновации в инструментальной масс-

спектрометрии» (Санкт-Петербург 2013). Личный вклад автора. Автор внес основной вклад в работу. Им было разработано программное обеспечение для высокоточного вычисления электростатического поля в ионных ловушках с динамической гармонизацией. Кроме того, автором было разработано программное обеспечение для высокоточного интегрирования уравнений движения ионов в ловушках с динамической гармонизацией. Автор диссертации является создателем самой идеи компенсационной ловушки с динамической гармонизацией. Им было проведено математическое моделирование. Автор участвовал в экспериментальных исследованиях и проводил обработку результатов.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка цитируемой литературы из 109 наименований. Полный объем диссертации составляет 115 страниц, включая 43 рисунка и 2 таблицы. Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей в зарубежных научных журналах и журналах, рекомендованных ВАК, тезисы 10-и докладов на конференциях и поданы 2 заявки на патент.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дается краткое изложение принципов масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье, формулируется проблема, решение которой является основным результатом диссертации, проводится литературный обзор работ по данной теме.

Основным элементом масс-спектрометра ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье является ионная ловушка Пеннинга. Ионная ловушка, называемая также ИЦР ячейкой, обеспечивает удержание заряженных частиц с помощью однородного магнитного и постоянного электрического полей. Существует только одна конфигурация электростатического поля ионной ловушки,

при которой циклотронная частота не зависит от положения частицы внутри ловушки. Это потенциал гиперболического вида, называемый также «гармоническим»:

У = У0+а(х2+у2- 2;2), (1)

здесь а - кривизна поля, У0 - константа, имеющая размерность потенциала, х,у,г -декартовы координаты. Уравнение движения одиночного иона в таком случае записывается следующим образом:

тх = дВу + 2д ах,

ту = -дВх + 2д осу, (2)

тг = -Лдаг.

Система уравнений (2) может быть решена аналитически. Движение одиночного иона в таком случае представляет собой суперпозицию трех независимых мод колебаний:

1) колебание вдоль оси г с частотой со1

2) вращение в плоскости ху с частотой (циклотронное движение):

(3)

^ _ дВ + ^ц2!)2 -8дат ^

2т

3) вращение в плоскости ху с частотой ю_ (магнетронное движение)

дВ ~^1д2В2-8дат ,,,

со_ =--. (5)

2т

Вращающееся ионное облако наводит переменный потенциал на детектирующие электроды ионной ловушки. Для некоторых случаев, используя теорему взаимности, возможно получить аналитическое выражение для наведённого сигнала. Одним из таких примеров является случай детектирования сигнала плоским конденсатором. Наведенный заряд индуцированный ионом с зарядом q

на заземленном электроде, связан с потенциалом в месте положения иона, в случае, когда к данному электроду приложено единичное напряжение следующим выражением:

Q = ~W. (6)

Пусть частица с зарядом q находится в точке (х,0). Применение теоремы взаимности (6), а также того факта, что для плоского конденсатора

,(х) = ,Н/2 ) + (7)

приводит к выражению для разности наведенных зарядов на обкладках бесконечного плоского конденсатора:

(8)

ИЦР сигнал может быть получен как разность потенциалов между пластинами в

случае емкостного предусилителя или как ток, текущий между пластинами, в

случае резистивного предусилителя. В итоге получаем:

. d ,п 2qdx -IqRco гол

■/ = — Ag = —j— = \ cos cot, (9)

dt d dt d

где R - итоговый циклотронный радиус, а со - частота вращения. Как видно, ИЦР сигнал пропорционален радиусу.

Во второй главе рассматриваются конфигурации электростатических полей, создаваемые наиболее распространенными ионными ловушками. Обсуждается вычисление электростатического поля в ловушках, где поле не может быть найдено аналитически. Также изучается расфазировка ионного облака в неоднородном магнитном и негармоническом электрическом поле.

В масс-спектрометрах ИЦР магнитное поле всегда обладает некоторой неоднородностью, а потенциал электрического поля всегда отличается от гиперболического (1). Кроме того, движение ионов искажается потенциалом пространственного заряда, создаваемого ансамблем ионов, находящихся внутри

масс-анализатора. Все эти факторы будут приводить к слиянию и/или разрушению ионных облаков, что в свою очередь повлечет уменьшение разрешающей способности, частотные сдвиги и ограничение динамического диапазона.

В общем случае можно представлять распределение электростатического потенциала внутри любой ионной ловушки в виде рядов цилиндрических или сферических гармоник. Для случая сферических гармоник имеем:

У(г,в,Ф) = £ ± [А,У +В1тг-^]г1т [6,ф), (Ю)

где Уы(в,ф) сферическая гармоника. Можно показать, что в окрестности центра поле определяется только первыми компонентами разложения А2оГ2У2о, А30г4Уз0 и А4оГ4У4о следующим образом:

Магнитное поле в ионной ловушке ИЦР ПФ также может быть представлено в виде ряда по сферическим полиномам [14]:

В:(х,у,2) = В0 + Л20г + А30(2г2 -г2) + Л40(2л3 -3;г2) + Ат(Зг4 -24г V +8г4) +

А21х + Впу + А]1гх + +В3,:у + А,,(4г2-г2)х + В4^4г2-г2)у + Впху + А31(х2-у2).

В таких полях детектируемая частота приближенно равна:

дВ +

(12)

(13)

2т

где Ег = радиальная компонента поля ловушки. Разлагая, получим:

дг

(И)

т В г В'Ч\г ) 4В д { г ) Можно заметить, что если электростатическое поле не является гармоническим, то циклотронная частота зависит от положения ионов внутри ячейки. Также видно, что чем больше магнитное поле, тем меньше влияние поправок, обусловленных негармоничностью электрического поля.

Т=0,013сек Т=0,08сек ■у: ' . Т=1,3сек

Ж я

0 ©

В:=В0+Аш(2г2-г2)

160

\ 1-Ю \ 120 \ 100 \ 80 \ 60 В- Во(ррт)

\ 40

\ 20

-20 0 20 Дтт)

В=5Т, т/г=500, г=1е, 1000 ионов, \/=1В

Рис 1. Движение ионного облака в неоднородном магнитном поле

Ионное облако, 1=0,3сек

N = 100

В=7Т

Сигнал (0,5сек)

Т=0,5сек

Открытая ячейка (ЬТЦ РТ):

V ФУ0+а(г2 -2г2)

пюо

сш

Рис 2. Расфазировка ионного облака в негармоническом электрическом поле.

В неоднородном магнитном поле и негармоническом электрическом поле ионное облако расфазируется (Рис. 1, 2). Расфазированное ионное облако в своем движении напоминает вращающуюся комету. Когда хвост кометы касается её головы, сигнал пропадает.

Сигнал 1.3 сек

Т=1,3сек

Недавно была предложена измерительная ячейка ИЦР, позволяющая создавать идеальное усредненное гиперболическое поле (Рис. 3). Ячейка представляет собой цилиндр, нарезанный на электроды кривыми второго порядка

где а - половина длины ячейки, а а - угловая координата точки на линии разреза, N - число электродов каждого типа, а„ = я/8-я/60. На электроды, вытягивающиеся к границе, подается потенциал V, на остальные электроды подается нулевой потенциал. Кроме того, на торцах ячейки устанавливаются специальные электроды, имеющие гиперболоидальную форму. Эти электроды спроектированы так, чтобы с наибольшей возможной точностью проходить по эквипотенциали гармонического поля. Также в торцевых электродах имеются отверстия, предназначенные для ввода ионов.

Экспериментальные исследования показали, что ячейка ИЦР с динамической гармонизацией позволяет получать наиболее высокую разрешающую способность порядка 20 ООО ООО на белках и пептидах. Однако такие результаты были получены на магнитах с очень высокой однородностью магнитного поля. На магнитах с более низкой однородность поля получаемы результаты значительно хуже.

Для компьютерного моделирования движения заряженных частиц в ионных ловушках требуется последовательно решить две задачи: краевую задачу эллиптического типа для определения электростатических полей и задачу гиперболического типа для решения уравнений динамики движения ионов в этих полях. Для столь сложной конфигурации электродов не удается получить аналитического решения уравнения Лапласа. Попытки найти решения в виде рядов цилиндрических или сферических гармоник показали, что ряды плохо сходятся и получаемая точность решения неудовлетворительна.

[11]:

(15)

Рис.3. Измерительная ячейка ИЦР с динамической гармонизацией [11].

Для вычисления поля внутри ловушки - численного решения краевой задачи для уравнения Лапласа в диссертационной работе использован конечно-разностный метод. Такой выбор обусловлен прежде всего его более простой реализацией, а также тем, что при одинаковых затратах машинной памяти конечно-разностные методы позволяют использовать более мелкую сетку, чем конечно-элементные методы. Наличие симметрии поворота позволяет использовать для решения краевой задачи цилиндрическую систему координат. Для оценки возможности её применения задача была упрощена, а именно, была рассмотрена ячейка с динамической гармонизацией, со сплошным удерживающим торцевым электродом. В такой системе поле на центральной оси может быть определено аналитически. После определения оптимальных методов расчета было найдено поле в реальной ячейке с отверстиями в торцевых электродах. Однако было обнаружено,

что применение цилиндрической системы координат не позволяет достигать высокой точности решения.

Для вычисления электростатического поля был применен метод Гаусса-Зейделя с аппроксимацией уравнения Лапласа в декартовых координатах. Вначале задается трехмерная сетка П = {п,т,к], затем электроды аппроксимируются на сетку. В результате получается таблица Е! = [г,,Здесь К - напряжение на ьм электроде. Если обозначить ип т к потенциал в точке и воспользоваться разложением Тейлора:

/ ,ч / ч , ¿и И2 с12и /г3 с1ъи

то аппроксимация оператора Лапласа на 3-х мерной сетке будет выглядеть

следующим образом:

А" ="л+и,т +",-1.4,„ +"„,4-1,™ +"„,»+!,и +0(/12)= 0 (17)

или:

м»,п>* = 0 - + Ч —— б ——^^^ (18)

Параметр может быть равен 1, но для ускорения скорости сходимости итеративного метода должен быть определен как:

1 + +

(19)

где N. М, К - максимальные размеры сетки вдоль направлений х, у и ъ. Алгоритм решения краевой задачи описывается следующим образом:

1. Задать некое начальное значение во всех точках сетки.

2. В точках сетки, оказавшихся внутри электродов, установить значение, равное потенциалу на данных электродах.

3. Применить уравнение (18) последовательно ко всем точкам сетки.

4. Вернуться к пункту 2. Повторить процедуру до достижения необходимой точности расчета.

Для ускорения сходимости был применен многосеточный метод. Решение сначала получалось на грубой сетке, а затем использовалось в качестве начального приближения на более мелкой сетке.

После вычисления электростатического поля проводилось моделирование движения одиночного иона в ловушке. Для полей, вычисленных с различной точностью, была исследована зависимость циклотронной частоты от амплитуды колебаний вдоль оси магнитного поля. Интегрирование уравнений движения ионов проводилось методом Рунге-Кутты 4 порядка

х = /(*,/),

кг =/(*„ + 0.5А1,Г„+0.5г)г,

*з=/(*„+°-5 к2,1„)т, (20)

Л =/(Хп+кзЛ)1".

дся+1 =хп+(\1Ь)(кх+2кг + 2кг + к1>), а также модифицированным методом Рунге-Кутты с коррекцией частоты (метод Вирца) и методом Бориса.

В третьей главе излагается теоретическая модель компенсации неоднородностей магнитного поля специальной добавкой к электростатическому полю ловушки [13]. Представлена модель предлагаемой компенсационной ионной ловушки, исследуется влияние точности вычисления электростатического поля на получаемые результаты. Обсуждается применение подхода, основанного на компенсации неоднородностей магнитного поля для экспериментального получения сверхвысокой разрешающей способности на молекулярных ионах биологических молекул.

Уравнение движение ионов в электрическом и магнитном поле выглядит следующим образом:

ЕЛ'-*)

г./ \ '

-г = В(г,г)со + -

Ч г

(21)

Зависимость магнитного поля и электрического поля от координаты вдоль оси магнитного поля приводит к расфазированию ионного облака. Для того, чтобы предотвратить расфазирование необходимо, чтобы циклотронная частота не зависела от амплитуды аксиальных колебаний. Математически это означает, что первая производная циклотронной частоты по г координате равна нулю. Дифференцируя уравнение (21) по ъ получим:

— 2 (оа\ =В[(г,г)(о + В(г,г)со'2+{

Приравнивая ы[ к нулю, получаем:

Подставляя со = —, получаем:

В'г(г,г)е> +

Е(г,г)

= 0.

(22)

(23)

= 0.

(24)

Магнитное поле квадратичной формы

B = B0{\ + yzг) (25)

может быть скомпенсировано добавкой к электрическому полю следующего вида:

V = а + Ь [г2 - 2гг) + с (8г4 - 24гV + Зг4). (26)

Подставляя (26) и (25) в (24), получаем:

' 2Ьг + с(-48г2г + 12гзу

0 = В0у2гса +

(27)

Уравнение (27) приводит к:

с = (28)

48 т

Таким образом, показано, что добавка 4-го порядка к электростатическому полю ловушки может компенсировать неоднородности магнитного поля квадратичного вида.

75 мм

О мм

37,5 мм

Сферическая поверхность

О мм

37,5 мм

75 мм

Сферическая поверхность

Рис 4. Схема компенсационной ионной ловушки с динамической гармонизацией: Е - Возбуждение; О - Детектирование; Т - Запирающие электроды; С - Компенсационные электроды (А) динамическая гармонизация (С) динамическая гармонизация и компенсационная добавка 4-го порядка. Для введения такой поправки к электростатическому полю ловушки было предложено установить в ячейке ИЦР с динамической гармонизацией дополнительные электроды, нарезанные кривыми 4-го порядка (Рис. 4)

- ( /■ \4Л

2Л" | 1 а, = — п± о.

(29)

Где К=———, Л = 1.15, п - номер сегмента. Если на компенсационные 0 7.2 60

электроды подается напряжение, равное напряжению на удерживающих электродах,

то предлагаемая компенсационная ячейка становится в точности оригинальнои ячейкой с динамической гармонизацией.

Численные эксперименты показали, что путем подбора соответствующего потенциала на компенсирующих электродах возможно существенным образом увеличить время синхронного движения ионного облака.

ш о

Q. S со ОТ

-8-о го о.

к ф

Q. СО

B = B0(l + /z2)

у = 4 1(Г9лш~2 m/z=500

m/z=700 m/z=300 А

Гармонический

потенциал

2 4 6 8 10 12 14

Напряжение на компенсационном электроде

Рис 5. Компенсация квадратичной неоднородности магнитного поля.

На Рис. 5 приведена зависимость времени расфазировки (времени, когда голова кометы касается её хвоста) ионного облака в магнитном поле с квадратичной неоднородностью для различных напряжений на компенсационных электродах и различных m/z ионов. Видно, что для частиц любых m/z возможно подобрать такое значение напряжения на компенсационном электроде, что время расфазировки по сравнению со случаем гиперболического удерживающего потенциала значительно возрастает. Как следствие возрастает разрешающая способность.

Аналогичные результаты были получены для компенсации линейной неоднородности. В данном случае ячейку необходимо разрезать поперек и подавать компенсационные потенциалы разного знака на левые и правые компенсационные электроды.

<р

S тг

О <N

со

та

-8- о

го

со

к о

о. <о

m о

B = B0{\ + yz) у = 9 -10-7 лш"1

m/z=700

i/z=500

m/z=300

Напряжение на компенсационном электроде

Рис 6. Компенсация квадратичной неоднородности магнитного поля.

Результаты моделирования приведены на Рис. 6. Также как и для случая квадратичной неоднородности поля, видно, что для иона каждого m/z можно подобрать такое значение потенциала на компенсационном электроде, что время синхронного движения ионного облака значительно увеличивается.

Также в диссертации рассматриваются результаты экспериментального исследования подхода, основанного на компенсации неоднородностей магнитного поля. Продемонстрирована возможность получать время длительности сигнала до 280с (Рис. 7) и разрешающую способность до 12 ООО ООО для пептидов на магните с низкой однородностью магнитного поля.

Отн. ед

500 "

Время [с]

Рис. 7. Временной сигнал ИЦР для вещества Р (Т=280 sec).

-500

Основные результаты и выводы

1) Разработаны теоретические основы компенсации влияния неоднородностей магнитного поля на время синхронного движения ионных ансамблей в ловушке Пеннинга путем создания специального добавочного электростатического поля. Предложена схема компенсационной ионной ловушки, позволяющей создавать требуемую поправку к полю.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Kostyukevich Y. I., Vladimirov G. N., Nikolaev E. N. Dynamically Harmonized FT-ICR Cell with Specially Shaped Electrodes for Compensation of Inhomogeneity of the Magnetic Field. Computer Simulations of the Electric Field and Ion Motion Dynamics // Journal of the American Society for Mass Spectrometry. - 2012. - V. 23. -N. 12.-P. 2198-2207.

2. Kostyukevich Y., Kononikhin A., Popov I., Nikolaev E. Simple Atmospheric Hydrogen/Deuterium Exchange Method for Enumeration of Labile Hydrogens by Electrospray Ionization Mass Spectrometry // Analytical Chemistry. - 2013. - V. 85. -N. 11.-P. 5330-5334

3. Kostyukevich Y., Kononikhin A., Popov I., Kharybin O., Perminova I., Konstantinov A., Nikolaev E. Enumeration of labile hydrogens in natural organic matter using hydrogen/deuterium exchange Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance mass spectrometry // Analytical Chemistry. - 2013. - V. 85. - N. 22. - P. 11007-11013.

4. Попов И. А., Стародубцева H. JI., Индейкина M. И., Костюкевич Ю. И., Кононихин А. С., Николаева М. И., Кукаев E. Н., Козин С. А., Макаров А. А., Николаев E. Н. Определение посттрансляционных модификаций транстиретина в крови человека с применением масс-спектрометрических методов // Молекулярная биология. - 2013. - Т.47. - N.6. - С. 1011-1019.

5. Kononikhin A., Huang M., Popov I., Kostyukevich Y., Kukaev E., Boldyrev A., Spasskiy A., Leypunskiy I., Shiea J., Nikolaev E. Signal enhancement in electrospray laser desorption/ionization mass spectrometry by using a black oxide-coated metal

target and a relatively low laser fluence // European Journal of Mass Spectrometry. -2013. - V. 19. - N. 4. - P. 247-252.

6. Vladimirov G., Kostyukevich Y., Marshall A., Hendrickson C., Blakney C., Nikolaev E. Influence of different components of magnetic field inhomogeneity on cyclotron motion coherence at very high magnetic field // 58th Amer. Soc. Mass Spectrom. Annual Conf. on Mass Spectrometry & Allied Topics, Salt Lake City, UT, May 23-27, 2010.

7. Vladimirov G., Kostyukevich Y., Marshall A., Hendrickson C., Blakney C., Nikolaev E. Ion cloud stabilization via ion-ion interactions in an ICR ceil with inhomogeneous magnetic and nonlinear electric fields // 59th Amer. Soc. Mass Spectrom. Annual Conf. on Mass Spectrometry & Allied Topics, Denver, CO, June 5 -9, 2011.

8. Kostyukevich Y., Vladimirov G., Nikolaev E. Dynamic range limitation in FT ICR MS caused by Coulomb interactions of ion clouds // 59th Amer. Soc. Mass Spectrom. Annual Conf. on Mass Spectrometry & Allied Topics, Denver, CO, June 5-9, 2011.

9. Kostyukevich Y., Nikolaev E. Studying of ion cloud dephasing in ion trap with dynamic harmonization // 60th Amer. Soc. Mass Spectrom. Annual Conf. on Mass Spectrometry & Allied Topics Vancouver, Canada May 20-24, 2012.

Ю.Владимиров Г., Костюкевич Ю., Маршалл А., Хедриксон К., Блекни Г., Николаев Е. Влияние неоднородности магнитного поля на когерентность циклотронного движения в высоких магнитных полях // Четвертая Всероссийская конференция «Фундаментальные вопросы масс-спектрометрии и ее аналитические применения». Звенигород, Россия, 10-14 октября, 2010.

11.Костюкевич Ю., Владимиров Г., Николаев Е., Влияние столкновений ионных облаков на когерентность циклотронного движения Четвертая Всероссийская конференция «Фундаментальные вопросы масс-спектрометрии и ее аналитические применения» // Звенигород, Россия, 10-14 октября, 2010.

12.Nagomov К., Vladimirov G., Kostyukevich Y., Popov I., Nikolaev E. Observation of Fine Structure in Isotopic Peak Distributions in 4.7T magnet FT-ICR mass spectra obtained by using dynamically harmonized cell // 60th Amer. Soc. Mass Spectrom. Annual Conf. on Mass Spectrometry & Allied Topics Minneapolis, MN June 9-13, 2013.

13.Kostyukevich Y., Vladimirov G., Nikolaev E. Dynamically Harmonized FT-ICR Cell with Specially Shaped Electrodes for Compensation of Inhomogeneity of the Magnetic Field // 19th International Mass Spectrometry Conference Japan Kyoto September 15-21,2012.

14.Kostyukevich Y., Kononikhin A., Popov I., Kliarybin O., Nikolaev E. H/D Exchange Mass Spectrometry in atmospheric pressure ESI-MS interface for enumeration of labile hydrogens in complex mixtures // 60th Amer. Soc. Mass Spectrom. Annual Conf. on Mass Spectrometry & Allied Topics Minneapolis, MN June 9 - 13, 2013.

15. Kostyukevich Y., Vladimirov G., Nikolaev E. Dynamically Harmonized FT-ICR Cell with Specially Shaped Electrodes for Compensation of Inhomogeneity of the Magnetic Field // Innovations in Mass Spectrometry Instrumentation Conference, Saint-Petersburg July, 14-18, 2013.

Список цитируемой литературы

1. Aebersold R., Mann M. Mass spectrometry-based proteomics // Nature. - 2003. -V. 422.-N. 6928.-P. 198-207.

2. Kim S., Kramer R. W., Hatcher P. G. Graphical method for analysis of ultrahighresolution broadband mass spectra of natural organic matter, the van Krevelen diagram // Analytical Chemistry. - 2003. - V. 75. - N. 20. - P. 5336-5344.

3. Kostyukevich Y., Kononikhin A., Popov I., Kharybin O., Perminova I., Konstantinov A., Nikolaev E. Enumeration of Labile Hydrogens in Natural Organic Matter by Use of Hydrogen/Deuterium Exchange Fourier Transform Ion Cyclotron

Resonance Mass Spectrometry // Analytical chemistry. - 2013. - V. 85. - N. 22. - P. 11007-11013.

4. Marshall A. G., Hendrickson P. L., Jackson G. S. Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry: A primer // Mass Spectrometry Reviews. - 1998. - V. 17. N. l.-P. 1-35.

5. Guan S. H., Marshall A. G. Ion traps for fourier-transform ion-cyclotron resonance mass-spectrometry - principles and design of geometric and electric configurations // International Journal of Mass Spectrometry. - 1995. - V. 146. - P. 261296.

6. Vladimirov G., Hendrickson P. L., Blakney G. V., Marshall A. G., Heeren R. M. A., Nikolaev E. N. Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Resolution and Dynamic Range Limits Calculated by Computer Modeling of Ion Cloud Motion // Journal of the American Society for Mass Spectrometiy. - 2012. - V. 23. - N. 2. - P. 375-384.

7. Marshall A. G., Schweikhard L. Fourier-transform ion-cyclotron resonance mass-spectrometry - technique developments // International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes. - 1992. - V. 118. - P. 37-70.

8. Grosshans P. B., Shields P. J., Marshall A. G. Comprehensive theory of the fourier-transform ion-cyclotron resonance signal for all ion trap geometries // The Journal of Chemical Physics. - 1991. - V. 94. - N. 8. - P. 5341-5352.

9. Brustkern A., Rempel D., Gross M. An Electrically Compensated Trap Designed to Eighth Order for FT-ICR Mass Spectrometry // Journal of the American Society for Mass Spectrometry. - 2008. - V. 19. - N. 9. - P. 1281-1285.

10. Kaiser N. K., Savory J. J., McKenna A. M., Quinn J. P., Hendrickson P. L., Marshall A. G. Electrically Compensated Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Cell for Complex Mixture Mass Analysis // Analytical Chemistry. - 2011. - V. 83. - N. 17. - P. 6907-6910.

11. Boldin I. A., Nikolaev E. N. Fourier transform ion cyclotron resonance cell with dynamic harmonization of the electric field in the whole volume by shaping of the

excitation and detection electrode assembly // Rapid Communications in Mass Spectrometry. -2011,- V. 25.-N. l.-P. 122-126.

12. Nikolaev E. N., Boldin I. A., Jertz R., Baykut G. Initial Experimental Characterization of a New Ultra-High Resolution FTICR Cell with Dynamic Harmonization // Journal of the American Society for Mass Spectrometry. - 2011. - V. 22. -N.7.-P. 1125-1133.

13. Kostyukevich Y. I., Vladimirov G. N., Nikolaev E. N. Dynamically Harmonized FT-ICR Cell with Specially Shaped Electrodes for Compensation of Inhomogeneity of the Magnetic Field. Computer Simulations of the Electric Field and Ion Motion Dynamics // Journal of the American Society for Mass Spectrometry. - 2012. - V. 23. - N.12. - P. 21982207.

14. Anderson W. A. Electrical current shims for correcting magnetic fields // Review of Scientific Instruments. - 1961. - V. 32. - N. 3. - P. 241-250.

Подписано в печать 19.03.2014 г. Формат А5 Печать цифровая. Тираж 100 Экз. Заказ № 15611 Типография ООО "Ай-клуб" (Печатный салон МДМ) 119146, г. Москва, Комсомольский пр-кт, д.28 Тел. 8-495-782-88-39

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Костюкевич, Юрий Иродионович, Москва

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л.Тальрозе

Российской академии наук

На правах рукописи

04201457317

Костюкевич Юрий Иродионович

01.04.17 - химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных

состояний вещества

диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: д.ф.-м.н., проф. Николаев E.H.

Москва 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................................................................................................................4

Глава I

Принципы работы ИЦР..................................................................................................10

1.1 Литературный обзор......................................................................................................10

1.2 Устройство масс-анализатора ИЦР................................................................22

1.3 Движение иона в гиперболическом электростатическом поле......................................................................................................................................................25

1.4 Ионные ловушки для масс-анализатора ИЦР......................................28

1.5 Возбуждение циклотронного движения......................................................29

1.6 Детектирование сигнала цилиндрическим конденсатором. Гармоники......................................................................................................................................33

1.7 Столкновения с остаточным газом..................................................................36

1.8 Преобразование Фурье..............................................................................................38

Глава И.

Электростатические ионные ловушки для масс-

спектрометрии ИЦР............................................................................................42

2.1 Кубическая ловушка....................................................................................................43

2.2 Цилиндрическая ловушка........................................................................................45

2.3 Расфазировки ионных облаков в неоднородном магнитном

и негармоническом электрическом поле............................................................47

2.4 Ионные ловушки с динамической гармонизацией............................51

2.5 Вычисление электростатического поля......................................................54

2.6 Интегрирование уравнений движения........................................................61

2.7 Интерполяция поля......................................................................................................64

Глава III

Компенсационная ионная ловушка с динамической гармонизацией............................................................. 66

3.1 Теория компенсации....................................................................................................67

3.2 Схема компенсационной ионной ловушки с динамической гармонизацией..............................................................................................................................^

3.3 Моделирование компенсации..............................................................................71

3.4 Изучение компенсации..............................................................................................72

3.5 Идеальная компенсационная ловушка с динамической гармонизацией..............................................................................................................................78

3.6 Влияние точности электростатического поля на результаты моделирования............................................................................................................................82

3.7 Форма поля в ловушках с динамической гармонизацией..........87

3.8 Экспериментальное получение сверхвысокого разрешения.. 92

Основные результаты и выводы..........................................................................102

Литература....................................................................................................................................103

Введение

Наиболее высокие разрешающая способность и точность измерения массы достигаются в масс-анализаторах ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье (ИЦР ПФ) [2]. Измерительной ячейкой масс-спектрометра ИЦР ПФ является ионная ловушка Пеннинга, в которой в направлении, перпендикулярному к линиям магнитного поля, ионы удерживаются силой Лоренца, а в направлении вдоль магнитного поля ионы удерживаются электрическим полем. Для измерения отношения массы к заряду на электроды измерительной ячейки подается переменное напряжение, которое, входя в резонанс с циклотронными частотами ионов, возбуждает их циклотронное движение. Ионные ансамбли совершают синхронное циклотронное движение с большим циклотронным радиусом и наводят переменный ток между детектирующими электродами измерительной ячейки, преобразование Фурье которого дает спектр циклотронных частот. Имея циклотронные частоты, можно определить отношения масс к зарядам по известной формуле \\^В/т. При фиксированной индукции магнитного поля В для увеличения разрешающей способности и точности измерения массы требуется увеличение времени детектирования сигнала. Для этого необходимо, чтобы ионное облако совершало синхронное движение как можно дольше. Потеря синхронности циклотронного движения, так называемая расфазировка ионного облака,

приводит к экспоненциальному затуханию наведенного сигнала.

Основными факторами, лимитирующими время, в течение которого детектируемый сигнал не затухает, являются давление остаточных газов в измерительной ячейке, неоднородность магнитного поля и отклонение электростатического потенциала от гиперболической формы. Благодаря существенному прогрессу в вакуумной технике удалось снизить значение первого фактора, и основным фактором, влияющим на разрешающую способность ИЦР масс-спектрометров, становятся неидеальности электрического и магнитных полей.

Были предложены различные измерительные ячейки ИЦР, конструкция которых направлена на создание гиперболического удерживающего электрического поля [3, 4]. Ранее предложенная ионная ловушка с динамической гармонизацией позволила создать эффективный гиперболический потенциал во всем объеме измерительной ячейки [5, 6]. Однако, влияние неоднородностей магнитного поля по-прежнему не было устранено.

В диссертации предложен принципиально новый подход к решению проблемы неидеальных электрических и магнитных полей [7]. Вместо того чтобы создавать отдельно однородное магнитное поле и гиперболическое электрическое поле, можно создать такую их комбинацию, что их взаимное влияние на циклотронную частоту иона окажется скомпенсированным.

В диссертации проведено подробное исследование предлагаемой компенсационной ячейки. Показано, что развивая концепцию ячейки с динамической гармонизацией, удается создавать в измерительной ячейке дополнительную поправку к гиперболическому полю, такую, что оказывается возможным скомпенсировать линейную и квадратичную неоднородности магнитного поля.

Применение подхода, основанного на компенсации неоднородностей магнитного поля, позволило экспериментально осуществить сверхточное измерение массы изолированных молекулярных ионов пептидов,

продемонстрировать длительность синхронного циклотронного движения до

280с и разрешающую способность до 12 ООО ООО.

Цель работы. В диссертационной работе были поставлены следующие цели:

3) Разработка нового класса ионных ловушек с пространственно периодичным потенциалом.

Задачи работы. Для достижения цели необходимо было выполнить

следующие задачи:

Научная новизна:

Практическая значимость. Результаты работы представляют несомненную практическую значимость, поскольку основная проблема масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса на гибридных и постоянных магнитах - неоднородное магнитное поле. В работе впервые в мире предложен метод решения данной проблемы. Кроме того, результаты работы позволят повысить разрешающую способность существующих масс-спектрометров ИЦР. Полученные результаты очень важны для развития техники ИЦР с применением высоких магнитных полей ИТ и 21 Т. В связи со сложной конструкцией магнитов, создающих такие поля, классические методы шиммирования не позволяют достигать высокой однородности магнитного поля.

Методология и методы исследования. Основным методом исследования являлось компьютерное моделирование, включающее в себя вычисление электростатического поля, создаваемого ионной ловушкой, и численное решение уравнений движения ионов в электрических и магнитных полях. Экспериментальное исследование возможности применения подхода, основанного на компенсации неоднородностей магнитного поля, производилось на масс-спектрометре ИЦР Bruker Apex Qe. Данные исследования выполнялись в соавторстве с коллективом лаборатории ионной и молекулярной физики ИНЭП ХФ РАН Нагорновым К.О., Владимировым Г.Н., под руководством Николаева E.H. и Попова И.А..

Положения, выносимые на защиту:

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

4) 19-й конференции Международного масс-спектрометрического

общества (Япония, Киото, 2012);

6) 1-й международной конференции «Инновации в инструментальной масс-спектрометрии» (Санкт-Петербург 2013).

Личный вклад автора. Автор внес основной вклад в работу. Им было разработано программное обеспечение для высокоточного вычисления электростатического поля в ионных ловушках с динамической гармонизацией. Кроме того, автором было разработано программное обеспечение для высокоточного интегрирования уравнений движения ионов в ловушках с динамической гармонизацией. Автор диссертации является создателем самой идеи компенсационной ловушки с динамической гармонизацией. Им было проведено математическое моделирование. Автор участвовал в экспериментальных исследованиях и проводил обработку результатов.

Глава I. Принципы работы ИЦР

В настоящей главе рассматривается история масс-спектрометрии ИЦР, её место в аналитической химии и химической физике. Рассматриваются основные принципы работы масс-спектрометра ИЦР.

1.1 Литературный обзор

В настоящее время одним из самых распространенных физических методов исследования, применяемых в аналитической химии для анализа молекулярного состава исследуемого вещества, является масс-спектрометрия [1]. Любой масс-спектрометрический эксперимент состоит из следующих стадий [8-13]:

1) стадия напуска анализируемого вещества в масс-спектрометр;

2) стадия ионизации исследуемого образца;

3) стадия пространственного разделения образовавшихся ионов путем действия на них электрическими и магнитными полями;

4) стадия детектирования сигнала.

Рассмотрим более подробно каждый из вышеперечисленных пунктов. Напуск исследуемого вещества в масс-спектрометр может производиться различными методами. Обычно способ напуска определяется используемым на данном масс-спектрометре методом ионизации. Так, если метод ионизации позволяет работать с непрерывным потоком образца, напуск может производиться напрямую из колонки газового или жидкостного хроматографа. В случае, если имеется возможность работать только с небольшим количеством вещества, нанесенного на подложку, то использовать потоковую подачу не представляется возможным и образец необходимо вводить вручную.

Ионизация образца является неотъемлемой частью любого масс-сиектрометрического эксперимента, поскольку для пространственного разделения молекул путем действия на них электрическими и магнитными полями необходимо, чтобы молекулы несли ненулевой заряд. К настоящему времени было разработано и всесторонне исследовано множество различных методов ионизации вещества. Исторически первым подходом была ионизация электронным ударом, суть которой состоит в том, что исследуемое вещество переводится в газовую фазу, после чего на него направляется пучок быстрых электронов. Электрон при близком пролете рядом с молекулой исследуемого вещества возбуждает электронную оболочку молекулы и приводит к ионизации путем выбивания одного из электронов молекулы. Также известны методы ионизации с использованием коронного разряда, фотоионизация, химическая ионизация и другие методы.

Однако, описанные выше подходы не могут использоваться для анализа биологических макромолекул, поскольку являются «жесткими» и приводят к разрушению молекулы во время ионизации, что недопустимо для биологических применений. Именно поэтому в настоящее время при исследованиях биологических макромолекул (белков, олигонуклеотидов, пептидов) наиболее распространены следующие два "мягких" метода. Один из них - это ионизация с помощью электроспрея, предназначенная для ионизации веществ, находящихся в жидкой форме [9], и поэтому её удобно использовать совместно с жидкостной хроматографией. Другой подход - это матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация (МАЛДИ), которая основана на возгонке и ионизации образца из сухой кристаллической матрицы лазерными импульсами [13].

Оба метода не разрушают межатомные связи биологических макромолекул, что принципиально для возможности использования их при ионизации и измерении масс белков, пептидов и олигонуклеотидов [1, 10]. Появление методов мягкой ионизации привело к существенному распространению масс-спектрометрии в биомедицинских исследованиях и

было отмечено присуждением Нобелевской премии по химии за 2002 год Дж. Фенну и К. Танака.

В масс-спектрометрии кроме определения массы исследуемого вещества также широко применяется техника измерения масс фрагментов исследуемой молекулы [1]. Для того чтобы осуществить фрагментацию биологических макромолекул, были разработаны различные подходы. Перечислим �