Моделирование ионных ансамблей в задачах современной масс-спектрометрии с учетом кулоновского взаимодействия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат наук Копаев, Игорь Александрович

• Копаев, Игорь Александрович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Копаев, Игорь Александрович

Содержание

Введение

Глава 1. Моделирование стационарных распределений ионов в высокочастотных ловушках и ионопроводах

§1. Введение

§2. Математическая модель и вариационная постановка задачи

§3. Сведение задачи к конечномерной

§3.1. Специальное представление кулоновского потенциала в плоском случае

§ 3.2. Кубическая сплайновая аппроксимация гармоник потенциала в круге К

§ 4. Результаты численного моделирования

§4.1. Сравнение с аналитической моделью

§4.2. Примеры расчета высокочастотных систем транспортировки ионов

§ 4.3. Случай высокочастотных ловушек с учетом йС-поля

§5. Возможные обобщения и выводы

§5.1. Возможности построения алгоритма для решения задачи в трехмерной постановке

§ 5.2. Выводы

Глава 3. Теоретические и программные аспекты моделирования эффектов пространственного заряда в коротких ионных пучках

§1. Введение

§2. Модифицированный метод Барнса-Хата древовидного упорядочения частиц в проблеме многих тел

§ 3. Расчет "зеркального" потенциала

§ 4. Обобщенный метод вариации начальных параметров на основе метода тау-вариаций

§ 5. Реализация алгоритмов расчета пространственного заряда в пакете -прикладных программ МАБ1М

§ 5.1. Численное решение тестовых задач

§ 5.1.1. Кулоновский потенциал и электрическое поле в статических тестовых задачах

§ 5.1.1.1. Изучение сходимости на примере сферического облака ионов

§ 5.1.1.2. Изучение сходимости на примере сферического облака ионов , окруженного сферическим электродом

§ 5.1.2. Кулоновский потенциал и электрическое поле в динамических тестовых задачах

¿1

§ 5.1.2.1. Моделирование кулоновской динамики заряженной сферы в свободном пространстве

§ 5.1.2.2 Моделирование кулоновской динамики заряженной сферы в проводящем кубе

§ 5.2. Распараллеливание и оптимизация вычислительного процесса

§ 6. Выводы

ГЛАВА 3. Моделирование многоотражательного времяпролетного масс-анализатора

§ 1.Введение

§ 2. Оптимизация потенциалов для многоотражательной ловушки

§ 3. Постановка эксперимента: инжекция ионов и их детектирование

§ 4. Математическое моделирование резонансных эффектов пространственного заряда

§ 4.1. Эффект самофокусировки в многоотражательной времяпролетной системе

§ 4.2. Эффект коалесценции в масс-анализаторе МЭ-1

§ 5. Особенности процесса коалесценции в мультирефлектроне

§ 6. Коалесценция в случае протеиновой модели

§ 7. Выводы

Заключение

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование ионных ансамблей в задачах современной масс-спектрометрии с учетом кулоновского взаимодействия»

Введение

По объему получаемой информации и чувствительности масс-спектрометрия находится вне конкуренции с другими методами анализа. В масс-спектре органических образцов могут регистрироваться одновременно сотни соединений, что позволяет провести анализ ткани с целью выявления патологии, в том числе онкологической, или обнаружения лекарственных и маркерных препаратов. Поэтому разработка масс-спектрометрических методик анализа образцов тканей в реальном масштабе времени является исключительно актуальной задачей.

Для ряда современных масс-спектрометрических низковакуумных и атмосферных методов ионизации, например, типа электроспрей [1, 2], MALDI [3] , химической ионизации [4] , фотоионизации [5], DART [6], или использующих ионизацию излучением лазерной плазмы [7], повышение чувствительности анализа является одной из приоритетных задач. Следствием высокой эффективность перечисленных методов ионизации является увеличение плотности заряженных частиц в масс-аналитических системах и необходимость учета кулоновских эффектов при их разработке. В связи с этим большое значение приобретает использование, с целью удержания заряженных частиц, высокочастотных (ВЧ) ионных ловушек и систем транспортировки ионов из области ионизации в рабочую область масс-анализатора. Одним из наиболее распространенных подходов является разделение функций накопления ионов и их анализа, которое впервые было реализовано путехМ концентрации ионов в трехмерной квадруполыюй ловушке с последующим импульсным вводом ионов во времяпролетный масс-анализатор [8, 9]. Накопление ионов также возможно в двумерных ВЧ-системах транспортировки [10].

Электродинамические высокочастотные ловушки и ионопроводы применяются также в масс-спектрометрах с преобразованием Фурье [11-13]. Преимуществом такого подхода является практически полное использование накопленных ионов и возможность их предварительной "подготовки" для более эффективного анализа. Важными условиями оптимальной работы ионной ловушки являются достаточная ионная емкость, отсутствие нежелательной фрагментации частиц и высокие ионно-оптические свойства выходного пучка. Разработка подобных приборов требует исследования движения ионов в ВЧ-полях с учетом краевых эффектов, объемного заряда пучка и столкновений ионов с буферным газом.

С другой стороны существует необходимость учета эффектов объемного заряда для нестационарных систем, например, типа "Рефлектрон" [14]. Для них характерен эффект,

3

кажущийся на первый взгляд парадоксальным. В результате кулоновского взаимодействия ионы одного типа с одинаковым отношением массы к заряду совершают колебания с одинаковым периодом, несмотря на начальный энергетический разброс и наличие возмущений поля, нарушающих условия изохронизма [15]. Природа этого эффекта синхронизации колебаний (самофокусировки) обусловлена резонансным характером кулоновского взаимодействия, присущим колебательному движению ансамбля заряженных частиц. Заметим, что эффект синхронизации колебаний в системе двух слабосвязанных осцилляторов был известен еще X. Гюйгенсу, который называл это явление "странной симпатией".

Таким образом совокупность следующих двух факторов: 1) в масс-спектре органических объектов могут регистрироваться одновременно сотни соединений; 2) высокая эффективность современных методов ионизации; означает, что из-за высокой плотности ионных пакетов, при разработке современных масс-аналитических систем необходим учет кулоновского взаимодействия. При этом подавляющее большинство практических задач масс-спектрометрии со сложной геометрией электродов и существенным влиянием кулоновскимих эффектов не могут быть решены аналитически.

Значительное количество работ, посвященных математическому моделированию влияния объемного заряда на свойства ионных ловушек и систем транспортировки, так же свидетельствует об актуальности данной проблемы. Например, в работе [16] , где применены уравнения Матье для описания движения ионов в идеальной бесконечной гиперболической квадруполыюй ловушке, подробно рассмотрены вопросы применимости псевдопотенциальной модели, основанной на замене ВЧ- составляющей поля усредненным потенциалом, для расчета стационарных распределений ионов. В этой же работе даны оценки уширение области локализации ионов одного типа без учета влияния буферного газа под действием кулоновского взаимодействия для случая идеальной гиперболической квадруполыюй ловушки. В работе [17] также использован подход, основанный на рассмотрении уравнений Матье с учетом столкновительных методом Монте-Карло процессов для разряженного буферного газа.

В работе [18] рассмотрены примеры расчета псевдопотенциала для аксиально-симметричной системы и аналитически исследовано разделение двух сортов ионов для случая идеальной бесконечной гиперболической квадруполыюй ловушки без учета столкновений ионов с буферным газом. В работе [19] тех же авторов, где продемонстрировано «сглаживание» распределений заряженных частиц в результате

охлаждения буферным газом, кулоновское взаимодействие так же учитывалось только для случая гиперболической квадрупольной ловушки.

По сравнению же с прямым итеративным расчетом попарного взаимодействия в том числе прямым расчетом методом Монте-Карло [20], преимущество представленного ниже подхода состоит в значительно меньшей ресурсоемкости. Также использование стационарных распределений в качестве начальных условий для нестационарных методов расчета эффектов объемного заряда [21] позволяет существенно снизить ресурсоемкость некоторых задач.

Важными условиями оптимальной работы ионной ловушки являются достаточная ионная емкость, отсутствие нежелательной фрагментации частиц и высокие ионно-оптические свойства выходного пучка. Разработка подобных приборов требует исследования движения ионов в ВЧ-полях с учетом краевых эффектов, объемного заряда пучка и столкновений ионов с буферным газом.

Повышение разрешающей способности масс-аналитических систем также является одной из наиболее актуальных задач современной масс-спектрометрии. Длина пролета ионов является исключительно важной характеристикой времяпролетных масс-анализаторов. С другой стороны Мамырин с соавторами предложили использовать масс-анализатор типа «рефлектрон» [14], что позволило добиться повышения разрешающей способности путем компенсации начального энергетического разброса за счет отражения ионов от системы электродов (так называемого ионного зеркала). Для того, чтобы существенно увеличить длину пролета ионов в таких приборах, и, тем самым, улучшить их разрешающую способность, были предложены различные многоотражательные системы, в которых ионных пучок совершает множество колебаний между двумя или несколькими электростатическими зеркалами. В частности, Волышк и Казарес (H.Wollnik and A. Casares) [22]создали многоотражательный масс-анализатор с двумя осесимметричными ионными зеркалами и бесполевым пространством между ними. Оптимизация геометрии зеркал и питающих напряжений обеспечивала изохронность движения ионов, т.е. независимость периода колебаний от начальных параметров. Позднее было показано [23], что за счет специального выбора распределения электрического поля в зеркалах можно сделать равными нулю времяпролетные хроматические аберрации до третьего порядка включительно и, одновременно, обеспечить пространственную устойчивость ионного пучка для сколь угодно большого числа колебаний ионов между зеркалами. В таких времяпролетные системах типа мультирефлектрон, можно наблюдать самофокуссировку (self-bunching) и коалесценцию,

являющиеся следствием значимости кулоновского расталкивания: все ионы данного типа начинают колебаться с равным периодом, несмотря на возмущения поля, которые могут нарушать условия изохронизма. Природа такого эффекта самофокусировки связана с резонансным характером кулоновского взаимодействия, присущим колебательному движению ансамбля заряженных частиц.

Явор и Веренчиков [24], а также Явор с соавторами [10, 25, 26] предложили новую конструкцию времяпролетного масс-анализатора, содержащего два протяженных ионных зеркала, параллельных друг другу. В этом приборе ионный пучок совершает множество изохронных колебаний между зеркалами и одновременно дрейфует вдоль зеркал. Система электростатических одиночных линз препятствует дезинтеграции ионного пучка в направлении дрейфа.

Макаровым и соавторами [27-29] была разработана конструкция времяанализирующей системы, содержащей протяженное зеркало и совокупность ортогональных ему зеркал. Такая конструкция не нуждается в дополнительных линзах и использует четырехкратную симметрию фазового пространства для компенсации внеосевых времяполетных аберраций.

Найтом (Knight) была предложена орбитальная электростатическая ловушка с квадро-логарифмическим полем, обладающим идеальными изохронными свойствами [30]. Это распределение поля было применено Голиковым в энергоанализаторе [31], а также Макаровым в Фурье масс-спектрометре Orbitrap [32]. В дальнейшем Макаров и соавторы использовали уникальные свойства квадро-логарифмического поля в моногоотражателыюм времяпролетном масс-анализаторе[27].

Однако, стоит отметить, что, в представленных выше работах [22-24, 27, 30, 31] , эффекты объемного заряда упоминаются только в контексте их присутствия в эксперименте а в других подобных работах, посвященных разработке многоотражательных ионных систем [15, 33-37] электрическое поле задается аналитически. Однако, даже в случае, когда конструкция зеркала является идеальной с точки зрения времяпролетных аберраций, допустимое количество ионов в пучке ограничивается эффектами кулоновского расталкивания. Для современных масс-аналитических систем, использующих высокоэффективные методы ионизации [1-7], учет кулоновских эффектов весьма актуален, поскольку позволяет выяснить реальный предел разрешения при работе с плотными ионными пучками, несущими значимый объемный заряд.

В наибольшей степени эффекты объёмного заряда проявляются при увеличении количества ионов одного типа (т.е. имеющих одно и то же отношение массы к заряду). В результате кулоновского взаимодействия все ионы данного типа начинают колебаться с одинаковым периодом, благодаря упомянутому резонансному характеру кулоновского взаимодействия, присущему колебательному движению ансамбля заряженных частиц.

Несмотря на то, что эффект самофокусировки сужает пик частиц с одинаковым отношением массы к заряду, он не способствует улучшению разрешения, поскольку всегда сопровождается так называемым эффектом коалесценции (coalescence - слипание). С точки зрения динамики заряженных частиц, коалесценция представляет собой самофокусировку групп ионов с близкими m/z. В самом деле, рассмотрим два "масс-пика", каждый из которых содержит большое количество одинаковых ионов, причем отношение массы к заряду для ионов обоих пиков весьма близко. Если эффект самофокусировки превалирует над эффектом разделения пиков, обусловленным разностью периодов колебаний, частицы обоих типов будут двигаться между зеркалами как единый пучок. В этом случае ионные пики не смогут быть разрешены даже после сколь угодно большого количества колебаний. Очевидно, что с практической точки зрения коалесценция определяет предел разрешающей способности масс-спектрометра, поэтому чрезвычайно важно уметь определять совокупность условий, при которых оно наступает.

Математическое моделирование указанных выше явлений весьма сложно и требует прецизионной оценки вклада кулоновского взаимодействия в движение ионного пучка на фоне внешних электрических полей. Для решения соответствующей задачи кулоновской динамики в данной работе применяется сочетание алгоритма Барнса-Хата (Barnes-Hut) [38, 39], заимствованного из небесной механики и обладающего высоким быстродействием, и специальной процедуры расчета ионных траекторий, основанной на теории возмущений [40]. Суть подхода состоит в декомпозиции исходных уравнений движения на две взаимосвязанные системы уравнений, одна из которых содержит только внешние поля [41], и, таким образом, ее решение может быть представлено в виде аберрационного ряда[42], а другая в своей правой части явно содержит только кулоновский потенциал.

В статьях Гринфельда, Монастырского и соавторов [40, 43, 44] проведено моделирование эффектов самофокусировки и коалесценции, вызванных наличием объемного заряда, а так же проведено моделирование эффектов самофокусировки и коалесценцции, вызванных наличием объемного заряда. В этих работах использовалось аналитическое задание аксиально-симметричного поля и не учитывалось поле

"зеркального изображения", обусловленное взаимодействием ионного пучка с находящимися поблизости электродами. В то же время практика расчетов и эксперименты показывают, что ионный пучок может проходить вблизи границ электродов системы, и для адекватного описания динамики ионного ансамбля учет поля "зеркального изображения" оказывается необходимым.

Разумеется, подавляющее большинство практических задач масс-спектрометрии со сложной геометрией электродов и кулоновскими эффектами не могут быть решены аналитически. Для их анализа требуется создание специализированных вычислительных методов и комплекса программ, учитывающих наиболее существенные аспекты рассматриваемой задачи.

Можно сделать вывод, что для анализа ансамблей ионов требуется создание специализированных вычислительных методов и комплекса программ, учитывающих наиболее существенные аспекты рассматриваемой задачи. Такой подход дает возможность не только выяснить реальный предел разрешения при работе с плотными ионными пучками, но и допустимую ионную емкость для систем со значимым объемным зарядом.

Таким образом, актуальность данной работы обусловлена необходимостью прецизионного учета кулоновского взаимодействия при разработке современных масс-аналитических систем, для которых характерно использование высокоэффективных методов ионизации при анализе сложных масс-спектров органических объектов.

Цели диссертационной работы

Таким образом, основные цели работы состояли в следующем:

Изучение поведения ансамблей заряженных частиц в электромагнитных полях с учетом влияния объемного заряда применительно к задачам масс-спектрометрии высокого разрешения, а именно:

¡.Создание подхода для исследования средствами математического моделирования особенностей функционирования высокочастотных ионных ловушек и систем транспортировки ионов, обусловленных кулоновским взаимодействием и присутствием буферного газа.

2.Разработка математических моделей для описания резонансных кулоновских эффектов самогруппировки и коалесценции ионов в многоотражательных времяпролетных системах.

Для достижения поставленных целей потребовалось решить следующие

/

конкретные задачи:

1. Разработать математические алгоритмы и соответствующее программное обеспечение, позволяющее в адиабатическом приближении получить численное решение задачи о равновесных распределениях ионов в ВЧ-ловушках и системах транспортировки со сложной геометрией, с учетом эффектов кулоновского взаимодействия, а также взаимодействия ионов с молекулами буферного газа.

2. На основе численного моделирования исследовать поведение стационарных распределений ионов в ВЧ-ловушках с различной геометрией.

3. Разработать математические алгоритмы и соответствующее программное обеспечение для описания кулоновской динамики ионных пучков применительно к задачам времяпролетной масс-спектрометрии с учетом "зеркального" потенциала, возникающего в результате взаимодействия ионного пучка с полезадающими электродами.

4. На основе численного моделирования исследовать влияние резонансных кулоиовских эффектов самогруппировки и слипания на предельно достижимую разрешающую способность в многоотражательных ионных системах.

Научная новнзна диссертационной работы состоит в том, что: Предложена новая вариационная формулировка задачи о расчете стационарных распределений ионов в высокочастотных ионных ловушках с учетом кулоновского взаимодействия, впервые позволившая моделировать взаимодействие ионов с буферным газом при ненулевой температуре в системах со сложной трехмерной геометрией, не допускающей аналитического решения.

Разработан численный алгоритм решения указанной задачи, основанный на дискретизации исходного термодинамического функционала с использованием сплайновых аппроксимаций и применении метода сопряженных градиентов. Алгоритм реализован в виде отдельного программного модуля пакета прикладных программ МАБ1М, что впервые обеспечило моделирование широкого класса рассматриваемых прикладных задач с использованием имеющихся в пакете МА81М программных средств. Впервые получено количественное описание характера локализации ионов с различным отношением массы к заряду в высокочастотных ионных ловушках и ионопроводах со сложной трехмерной геометрией при учете ненулевой температуры буферного газа.

На основе метода Барнса-Хата, метода граничных элементов и теории возмущений впервые разработаны математические алгоритмы и соответствующее программное обеспечение для описания кулоновской динамики ионных пучков применительно к задачам времяпролетной масс-спектрометрии высокого разрешения с учетом "зеркального" потенциала, возникающего в результате взаимодействия ионного пучка с полезадающими электродами.

На основе созданного программного обеспечения впервые получено детальное описание резонансных кулоновских эффектов самогруппировки и коалесценции ионов для многоотражательных времяпролетных систем, не допускающих аналитического решения.

Значимость результатов диссертационной работы

Результаты диссертационной работы по моделированию ионных ансамблей в задачах масс-спектрометрии с учетом пространственного заряда имеют следующую практическую значимость:

1. Возможность оптимизации основных технических характеристик высокочастотных стационарных ионных ловушек и ионопроводов со сложной геометрией и получения оценок их предельной емкости.

2. Оценка влияния эффектов самогруппировки и коалесценции, обусловленных резонансным кулоновским взаимодействием ионов, на предельную разрешающую способность и чувствительность реальных масс-спектрометрических систем.

Методология исследования

В данной работе использовались следующие методологические подходы: Вариационные принципы решения задач математической физики применительно к задачам ионной оптики с учетом кулоновского взаимодействия.

Расчет электрических полей методом граничных элементов, с использованием сплайновой аппроксимации поверхностной плотности заряда для решения интегрального уравнения Фредгольма первого рода и выделением особенностей в угловых точках границы.

Алгоритм Барнса-Хата решения задачи взаимодействия многих тел.

Обобщенный метод возмущений произвольных постоянных, позволяющий выполнить декомпозицию уравнений Лоренца и в явном виде выделить влияние кулоновского взаимодействия на траектории заряженных частиц.

Теория аберраций третьего порядка, основанная на методе тау-вариаций по совокупности начальных параметров, определяющих движение заряженных частиц в электромагнитном поле.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Разработанный на основе термодинамического функционала вариационный подход к расчёту стационарных распределений ионов в высокочастотных ионных ловушках позволяет корректно учитывать эффекты пространственного заряда в ионном ансамбле, в том числе при взаимодействии ионов с буферным газом, имеющим ненулевую температуру.

2. На основе минимизации дискретного аналога предложенного термодинамического функционала методом сопряженных градиентов с использованием сплайновых аппроксимаций построен алгоритм численного решения задачи о расчете стационарных распределений ионов в высокочастотных ионных ловушках.

3. Разработанное программное обеспечение позволяет проводить качественный и количественный анализ локализации различных типов ионов в высокочастотных ловушках и ионопроводах, обусловленной кулоновским взаимодействием в присутствии буферного газа при ненулевой температуре и эффектами наведенного заряда.

4. Обобщенный, применительно к задачам ионной оптики, алгоритм Барнса-Хата позволяющий принципиально сократить объем вычислений по сравнению с методами прямого расчета попарного кулоновского взаимодействия программно реализован в виде отдельного модуля пакета прикладных программ МАБГМ, использующего метод конечных элементов и теорию возмущений.

5. Разработанное математическое обеспечение корректно описывает эффекты самогруппировки и коалесценции ионных ансамблей и позволяет оценивать их вклад в разрешающую способность и динамический диапазон реальных ионно-оптических систем.

Достоверность и обоснованность научных результатов

Достоверность и обоснованность научных результатов подтверждена тщательным тестированием алгоритмов на представительной совокупности модельных задач, продемонстрированным в работе, а так же хорошим соответствием результатов численного моделирования и экспериментальных данных.

Апробация работы

Работа была апробирована на следующих научных конференциях:

СРО-8 - 8th International Conference in Charged Particle Optics, Singapore, -12-16 July 2010 9th Workshop on Complex Systems of Charged Particles and their Interaction with Electromagnetic radiation, Moscow, Russia, April 13-14,2011

Десятый Всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики», Москва, 24-26 мая 2011г.

59th Annual ASMS Conference on Mass Spectrometry and AlliednTopics, Denver, USA June 59,2011

Одиннадцатый Всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики», Москва, 28-30 мая 2013г.

5th International Workshop on Electrostatic Storage Devices, Heidelberg, Germany, June 17-21, 2013

62nd ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, Baltimore, Maryland, USA, June 15-19, 2014

The 9th International Conference in Charged Particle Optics (CPO-9) Brno, Czech Republic from August 31 - September 5 2014

Список публикаций по теме диссертации

Основные результаты диссертации изложены в 9 научных работах, 3 из которых опубликованы в рецензируемых журналах, входящих в Перечень ведущих журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

1. D.E. Grinfeld, I.A. Kopaev, А.А. Makarov, М.А. Monastyrskiy Equilibrium ion distribution modeling in RF ion traps and guides with regard to Coulomb effects. Nuclear Instruments in Physics Research (NIM-A), 2011, T.645, № 1, p. 141-145

2. Dmitry Grinfeld, Anastassios E. Giannakopulos, Igor Kopaev, Alexander Makarov, Mikhail Monastyrskiy,Michael Skoblin Space-charge effects in an electrostatic multireflection ion trap. European journal of mass spectrometry, 2014 T. 20 p. 131-142

3. И. А. Копаев, Д. Э. Гринфельд, М. А. Монастырский, С. С. Алимпиев, "Моделирование стационарных распределений ионов в высокочастотных низковакуумных ловушках с учетом кулоновского взаимодействия". Масс-спектрометрия, 2014, Т. 11, № 4, С. 239-246

4. Д.Э. Гринфельд, И.А. Копаев, А.А. Макаров, М.А. Монастырский, «Двумерные и трехмерные математические модели для построения равновесных распределений ионов в радиочастотных ионных ловушках и системах транспортировки с учетом кулоновского взаимодействия», труды Десятого Всероссийский семинара «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики», Москва, 2011г.

5. D. Grinfeld, M. Monastyrsky, I. Kopaev, A. Makarov "Space-charge effects in RF ion storage devices". Book of abstracts of the 59th Annual ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, Denver, USA June 5-9,2011

6. Д.Э. Гринфельд, И.А. Копаев, A.A. Макаров, M А. Монастырский, М.Г. Скоблин «Численное моделирование кулоновских эффектов при движении ионов в многоотражателыюм масс-анализаторе», труды Одинадцатого Всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики», Москва, 2013г.

7. A. Giannakopulos, D. Grinfeld, I. Kopaev, A. Makarov, M. Monastyrskiy, M. Skoblin, "Space-Charge Dynamics in a Multi-Reflection Ion Trap", book of abstracts of 5th International Workshop on Electrostatic Storage Devices, Heidelberg, Germany, 2013

8. D. Grinfeld, A. E. Giannakopulos, I. Kopaev, M. Monastyrskiy, M. Skoblin, A. Makarov, "Space charge effects in a Coaxial Two-Mirror Electrostatic Multi-Reflection Mass Analyzer" , proceedings of the 62nd ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, Baltimore, Maryland, USA, June 15-19,2014

9. D. Grinfeld, M. Monastyrsky, M. Skoblin, I. Kopaev, A. Makarov," Aberration and space-charge effects control in the Orbitrap mass analyzer", Book of abstracts of the 9th International Conference in Charged Particle Optics (CPO-9), Brno, Czech Republic, 2014

Личный вклад автора

Диссертационная работа является результатом пятилетних исследований автора в лабораториях лазерной диагностики отдела колебаний и теоретической и вычислительной электронной оптики отдела фотоэлектроники ИОФ РАН в качестве студента-дипломника, аспиранта и младшего научного сотрудника.

Основные результаты, касающиеся разработки соответствующих вычислительных алгоритмов вариационной задачи о расчете стационарных распределений ионов в высокочастотных ионных ловушках, создания и тестирования программного обеспечения для решения указанной задачи, численного исследования локализации различных типов ионов в высокочастотных ионных ловушках с реальной геометрией электродов, получены автором лично.

В составе группы соавторов, автор диссертации принимал непосредственное участие в постановке вариационной задачи о расчете стационарных распределений ионов в высокочастотных ионных ловушках, программной реализации алгоритма Барнса-Хата применительно к задачам ионной оптики, разрабатывал тестовые модели и проводил

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Копаев, Игорь Александрович, 2015 год

Список литературы

1. Yamashita М., Fenn J. В. Electrospray ion source. Another variation on the free-jet theme // The Journal of Physical Chemistry. - 1984. - T. 88, № 20. - C. 4451-4459.

2. Александров M., Галль Jl., Краснов H., Николаев В., Шкуров В. Экстракция ионов из растворов при атмосферном давлении-новый метод масс-спектрометрического анализа // ДАН СССР. - 1984. - Т. 277, № 2. - С. 379-383.

3. Karas М., Bachmann D., Bahr U. е., Hillenkamp F. Matrix-assisted ultraviolet laser desorption of non-volatile compounds // International journal of mass spectrometry and ion processes. - 1987. - T. 78. - C. 53-68.

4. Тальрозе В., Любимова А. Вторичные процессы в ионном источнике масс-спектрометра // Докл. АН СССР. - Т. 86 -, 1952. - С. 909-912.

5. REVELSKII I., Yashin Y., Kurochkin V., Kostyanovskii R. Mass-spectrometry with photoionization at atmospheric-pressure and the analysis of multicomponent mixtures without separation // Industrial laboratory. - 1991. - T. 57, № 3. - C. 243-248.

6. Cody R. В., Laramee J. A., Durst H. D. Versatile new ion source for the analysis of materials in open air under ambient conditions // Analytical Chemistry. - 2005. - T. 77, № 8. - C. 22972302.

7. Пенто А. В., Никифоров С. M., Симановский Я. О., Гречников А. А., Алимпиев С. С. Лазерная абляция и ионизация излучением лазерной плазмы при атмосферном давлении в масс-спектрометрии органических соединений // Квантовая электроника. - 2013. — Т. 43, № 1. - С. 55-59.

8. Qian М. G., Lubman D. М. A marriage made in MS // Analytical chemistry. - 1995. - T. 67, №> 7. - С. 234A-242A.

9. Weickhardt C., Moritz F., Grotemeyer J. Time-of-flight mass spectrometry: State-of the-art in chemical analysis and molecular science // Mass Spectrometry Reviews. - 1996. - T. 15, № 3. -C. 139-162.

10. Явор M., Никитина Д., Веренчиков А., Щербаков А., Козлов Б. Расчет параметров ионного пучка, выходящего из газонаполненного радиочастотного квадруполя // Научное приборостроение. -2005. - Т. 15, № 3. - С. 40-53.

11. Senko М. W., Hendrickson С. L., Emmett М. R., Shi S. D.-H., Marshall A. G. External accumulation of ions for enhanced electrospray ionization Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry // Journal of the American Society for Mass Spectrometry. - 1997. -T. 8, № 9. - C. 970-976.

12. Sannes-Lowery К., Griffey R. H., Kruppa G. H., Speir J. P., Hofstadler S. A. Multipole storage assisted dissociation, a novel in-source dissociation technique for electrospray ionization generated ions // Rapid communications in mass spectrometry. - 1998. - T. 12, № 23. - C. 19571961.

13. Makarov A., Denisov E., Lange O., Horning S. Dynamic range of mass accuracy in LTQ Orbitrap hybrid mass spectrometer // Journal of the American Society for Mass Spectrometry. -2006. - T. 17, № 7. - C. 977-982.

14. Мамырин Б.А. К. И., ШмиккД.В., ЗагулинВ.А. Масс-рефлектрон. Новый безмагнитный времяпролётный масс-спектрометр с высокой разрешающей способности) // ЖЭТФ. - 1973. - Т. 64, № 1. - С. 82-89.

15. Pedersen Н. В., Strasser D., Amarant В., Heber О., Rappaport М., Zajfman D. Diffusion and synchronization in an ion-trap resonator // Physical Review A. - 2002. - T. 65, № 4. - C. 042704.

16. Guan S., Marshall A. G. Equilibrium space charge distribution in a quadrupole ion trap // Journal of the American Society for Mass Spectrometry. - 1994. - T. 5, № 2. - C. 64-71.

17. Parks J., Szoke A. Simulation of collisional relaxation of trapped ion clouds in the presence of space charge fields // The Journal of chemical physics. - 1995. - T. 103, № 4. - C. 14221439.

18. Kim Т., Tolmachev A. V., Harkewicz R., Prior D. C., Anderson G., Udseth H. R., Smith R. D., Bailey Т. H., Rakov S., Futrell J. H. Design and implementation of a new electrodynamic ion funnel // Analytical chemistry. - 2000. - T. 72, № 10. - C. 2247-2255.

19. Tolmachev A. V., Udseth H. R., Smith R. D. Modeling the ion density distribution in collisional cooling RF multipole ion guides // International Journal of Mass Spectrometry. -2003.-T. 222, № 1. - C. 155-174.

20. Xiong X., Xu W., Fang X., Deng Y., Ouyang Z. Accelerated Simulation study of space charge effects in quadrupole ion traps using GPU techniques // Journal of the American Society for Mass Spectrometry. - 2012. - T. 23, № 10. - C. 1799-1807.

21. Grinfeld D., Giannakopulos A., Kopaev I., Makarov A., Monastyrskiy M., Skoblin M. Space-charge effects in an electrostatic multi-reflection ion trap // European Journal of Mass Spectrometry. - 2014. - T. 20, № 2. - C. 131-142.

22. Wollnik H., Casares A. An energy-isochronous multi-pass time-of-flight mass spectrometer consisting of two coaxial electrostatic mirrors // International Journal of Mass Spectrometry. -2003. - T. 227, № 2. - C. 217-222.

23. Wollnik H., Casares A., Radford D., Yavor M. Multi-pass time-of-flight mass spectrometers of high resolving power // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. - 2004. - T. 519, № 1. - C. 373-379.

24. Веренчиков А., Явор M. Устойчивость ионного движения в периодических электростатических полях // Научное приборостроение. - 2004. - Т. 14, № 2. - С. 46-58.

25. Pomozov Т., Yavor М., Verentchikov A. Reflectrons with ion orthogonal acceleration based on planar gridless mirrors // Technical Physics. - 2012. - T. 57, № 4. - C. 550-555.

26. Yavor M. Mass analysis device with wide angular acceptance including a reflectron // Book Mass analysis device with wide angular acceptance including a reflectron / EditorGoogle Patents, 2013.

27. Makarov A. A., Giannakopulos A. Charged Particle Analysers And Methods Of Separating Charged Particles // Book Charged Particle Analysers And Methods Of Separating Charged Particles / EditorGoogle Patents, 2012.

28. Bandura D., Makarov A. Time-of-flight mass reflection with a large area of ion collection // International journal of mass spectrometry and ion processes. - 1993. - T. 127. - C. 45-55.

29. Davis S. C., Makarov A. A., Hoffman A. D. Time-of-flight mass spectrometer // Book Time-of-flight mass spectrometer / EditorGoogle Patents, 2004.

30. Knight R. Storage of ions from laser-produced plasmas // Applied Physics Letters. — 1981. — T. 38, № 4.-C. 221-223.

31. Siegbahn K., Kholine N., Golikov G. A high resolution and large transmission electron spectrometer // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. - 1997. - T. 384, № 2. - C. 563-574.

32. Makarov A. Electrostatic axially harmonic orbital trapping: a high-performance technique of mass analysis // Analytical chemistry. - 2000. - T. 72, № 6. - С. 1156-1162.

33. Pedersen H. В., Strasser D., Ring S., Heber O., Rappaport M., Rudich Y., Sagi I., Zajfman D. Ion motion synchronization in an ion-trap resonator // Physical review letters. - 2001. - T. 87, № 5.-C. 055001.

34. Козлов б. H., Кириллов с. H., монахов а. М. Простая модель кулоновского взаимодействия во времяпролетных масс-спектрометрах и электростатических ловушках. Эффекты второго порядка. Автофокусировка и слияние соседних пиков // масс спектрометрия. - 2012. - Т. 9, № 4. - С. 223-233.

35. 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. - T. 23, № 12. - C. 2198-2207.

36. Kharchenko A., Vladimirov G., Heeren R. M., Nikolaev E. N. Performance of Orbitrap mass analyzer at various space charge and non-ideal field conditions: simulation approach // Journal of the American Society for Mass Spectrometry. - 2012. - T. 23, № 5. - C. 977-987.

37. Vladimirov G., Hendrickson C. L., Blakney G. Т., Marshall A. G., Heeren R. M., 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 Spectrometry. - 2012. - T. 23, № 2. - C. 375-384.

38. Barnes J., Hut P. A hierarchical О (N log N) force-calculation algorithm //. - 1986.

39. Barnes J. E. A modified tree code: don't laugh; it runs // Journal of Computational Physics. -1990.-T. 87, № l.-C. 161-170.

40. Greenfield D., Monastyrskii M. Advances in Imaging and Electron Physics: Selected problems of computational charged particle optics //. - 2011. - Т. 155.

41. Jansen G. Coulomb Interactions in Particle Beams Academic // New York. - 1990. - C. 409.

42. Kruit P., Jansen G. H. Space charge and statistical Coulomb effects // Handbook of Charged Particle Optics. - 1997. - C. 275-318.

43. Bolotskikh P., Grinfeld D., Makarov A., Monastyrskiy M. Coulomb dynamics of ion bunches in multi-reflection electrostatic traps // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. - 2011. - T. 645, № 1. - C. 146-152.

44. D. E. Grinfeld M. A. M. New approach to the problem of Coulomb interaction in electron and ion bunches // Physics Procedia, Proceedings of the Seventh International Conference on Charged Particle Optics (CPO-7). - 2008. - Т. 1, № 1. - C. 217-227.

45. Быков В. П., Герасимов А., Турин В. Кулоновская дезинтеграция слабых электронных потоков и фотоотсчеты // Успехи физических наук. - 1995. - Т. 165, № 8. - С. 955-966.

46. Monastyrski М., Degtyareva V., Schelev М. Y., Tarasov V. Dynamics of electron bunches in subpicosecond streak tubes // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. - 1999. - T. 427, № l.-C. 225-229.

47. Wollnik H., Przewloka M. Time-of-flight mass spectrometers with multiply reflected ion trajectories // International journal of mass spectrometry and ion processes. - 1990. - T. 96, № 3. -C. 267-274.

48. Ishida Y., Wada M., Wollnik H. A multi-reflection time-of-flight mass spectrometer for mass measurements of short-lived nuclei // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. - 2005. - T. 241, № 1. - C. 983-985.

49. Kutscher R., Grix R., Li G., Wollnik H. A transversally and longitudinally focusing time-offlight mass spectrometer // International journal of mass spectrometry and ion processes. - 1991. -T. 103, № 2. -C. 117-128.

50. Shchepunov V. A., Wollnik H. Non-Linear Beam Dynamics in High Resolution Multi-Pass Time of Flight Mass Separator//Particle Accelerator Conference, 2005. РАС 2005. Proceedings of the. - IEEE, 2005. - C. 4105-4107

51. Wollnik H. Time-of-flight mass analyzers // Mass Spectrometry Reviews. - 1993. - T. 12, № 2.-C. 89-114.

52. Wollnik H. Energy-isochronous time-of-flight mass analyzers // International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes. - 1994. - T. 131. - C. 387-407.

53. Zajfman D., Heber O., Vejby-Christensen L., Ben-Itzhak I., Rappaport M., Fishman R., Dahan M. Electrostatic bottle for long-time storage of fast ion beams // Physical Review A. -1997. - T. 55, № 3. - C. R1577.

54. Geyer Т., Tannor D. J. A mapping approach to synchronization in the'Zajfman trap1: stability conditions and the synchronization mechanism // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. - 2004. - T. 37, № 1. - C. 73.

55. Fergusson G. J., Vestal M. L. Methods and apparatus for detecting negative ions from a mass spectrometer: пат. 4766312 США. - 1988.

56. Makarov A. A., Giannakopulos A. Multiple Ion isolation in multi-reflection systems : пат. 7999223 США.-2011.

57. Sato Т., Toyoda М., Ishihara М. Method and apparatus for time-of-flight mass spectrometry : пат. 7504620 США. - 2009.

58. Strasser D., Geyer Т., Pedersen H. В., Heber O., Goldberg S., Amarant В., Diner A., Rudich Y., Sagi I., Rappaport M. Negative mass instability for interacting particles in a ID box: theory and application // Physical review letters. - 2002. - T. 89, № 28. - C. 283204.

59. Boldin I. A., Nikolaev E. N. Theory of peak coalescence in Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry // Rapid Communications in Mass Spectrometry. - 2009. - T. 23, № 19.-C. 3213-3219.

60. Dehmelt H. Radiofrequency spectroscopy of stored ions I: Storage // Adv. At. Mol. Phys. -1967.-T.3.-C. 53.

61. Tolmachev A., Chernushevich I., Dodonov A., Standing K. A collisional focusing ion guide for coupling an atmospheric pressure ion source to a mass spectrometer // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. -1997. -T. 124, № 1. - С. 112-119.

62. Raznikov V. V., Soulimenkov I. V., Kozlovski V. I., Pikhtelev A. R., Raznikova M. O., Horwath Т., Kholomeev A. A., Zhou Z., Wollnik H., Dodonov A. F. Ion rotating motion in a gas-filled radio-frequency quadrupole ion guide as a new technique for structural and kinetic investigations of ions // Rapid Communications in Mass Spectrometry. - 2001. - T. 15, № 20. -C.1912-1921.

63. Raznikov V. V., Kozlovsky V. I., Dodonov A. F., Raznikova M. O. Heating of ions moving in a gas under the influence of a uniform and constant electric field // Rapid communications in mass spectrometry. - 1999. - T. 13, № 5. - C. 370-375.

64. Goeringer D. E., McLuckey S. A. Evolution of ion internal energy during collisional excitation in the Paul ion trap: A stochastic approach // The Journal of chemical physics. - 1996. -T. 104, № 6.-C. 2214-2221.

65. Ландау Л., Лившиц E. Теоретическая физика. То*м V. Статистическая физика. Изд. 4, испр // Book Теоретическая физика. Том V. Статистическая физика. Изд. 4, испр / EditorM.: Наука, 1995.

66. Кудрявцев Л. Математический анализ, т. 1,2// М.: Высшая школа. - 1980.

67. Harting Е., Read F. Н. Electrostatic lenses //. - 1976.

68. Murata Н., Ohye Т., Shimoyama Н. Improved 3D boundary charge method // SPIE's 1996 International Symposium on Optical Science, Engineering, and Instrumentation -International Society for Optics and Photonics, 1996. - C. 103-114.

69. Computational methods in optimization: a unified approach. / Polak E.: Academic press, 1971.

70. Liu H., Munro E., Rouse J., Zhu X. Simulation methods for multipole imaging systems and aberration correctors // Ultramicroscopy. - 2002. - T. 93, № 3. - C. 271-291.

71. Zhang H., Berz M. The fast multipole method in the differential algebra framework // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. - 2011. - T. 645, № 1. - C. 338-344.

72. Berz M. Computational aspects of optics design and simulation: COSY INFINITY // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. - 1990. - T. 298, № 1. - C. 473-479.

73. Makino К., Berz M. Cosy infinity version 8 // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. - 1999. -T. 427, № 1. - C. 338-343.

74. Berz M. Modern map methods for charged particle optics // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. -1995. -T. 363, № 1. - C. 100-104.

75. Makino K., Berz M. Cosy infinity version 9 // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. - 2006. -T. 558, № l.-C. 346-350.

76. Быков В. П. Лазерное детектирование оптических сигналов // Квантовая электроника. - 1999. - Т. 29, № 3. - С. 258-260.

77. Быков В. П. Фотоотсчеты и лазерное детектирование слабых оптических сигналов // Успехи физических наук. - 2005. - Т. 175, № 5. - С. 495-513.

78. D.E. Greenfield М. А. М., V.A. Tarasov MASIM 3D package for precise CPO calculations based on perturbation technique // Software DemonstrationsAbstract Book, "CPO-7" International Conference. - 2006. - C. 23.

79. Makarov A. A., Grinfield D. E„ Monastyrskiy M. A. Multireflection time-of-flight mass spectrometer // Book Multireflection time-of-flight mass spectrometer / EditorGoogle Patents, 2013.

80. Artaev V., Yavor M., Pomozov Т., Verenchikov A. Advancements in Multi-Reflecting High Resolution ToF Mass Analyzers with Folded Flight Path // J. Amer. Soc. Mass Spectrom - T. 24.

81. Haas W., Faherty В. K., Gerber S. A., Elias J. E., Beausoleil S. A., Bakalarski С. E., Li X., Villen J., Gygi S. P. Optimization and use of peptide mass measurement accuracy in shotgun proteomics // Molecular & Cellular Proteomics. - 2006. - T. 5, № 7. - C. 1326-1337.

82. Moini M. Ultramark 1621 as a calibration/reference compound for mass spectrometry. II. Positive-and negative-ion electrospray ionization // Rapid Communications in Mass Spectrometry. - 1994. - T. 8, № 9. - C. 711-714.

83. Makarov A., Denisov E., Kholomeev A., Balschun W., Lange O., Strupat K., Horning S. Performance evaluation of a hybrid linear ion trap/orbitrap mass spectrometer // Analytical chemistry. - 2006. - T. 78, № 7. - C. 2113-2120.

84. Erve J. C., Gu M., Wang Y., DeMaio W., Talaat R. E. Spectral accuracy of molecular ions in an LTQ/Orbitrap mass spectrometer and implications for elemental composition determination // Journal of the American Society for Mass Spectrometry. - 2009. - T. 20, № 11. - C. 2058-2069.

85. Degtyareva V. P., Monastyrsky M. A., Schelev M. Y., Tarasov V. A. Computer studies on dynamics of ultrashort electron packets in streak tubes and diffractometers // Optical Engineering. - 1998. - T. 37, № 8. - C. 2227-2232.

86. Kolesnikov S., Monastyrskiy M. General theory of spatial and temporal aberrations in cathode lenses with slightly broken axial symmetry (Parts 1,2)// Sov. Phys. Tech. Phys./Theoretical and Mathematical Physics. - 1988. - T. 33, № 1. - C. 1-11.

87. Greenfield D., Monastyrskiy M. A., Tarasov V. A. Perturbation techniques in the problems of computational charged particle optics // Proceedings SPIE. - T. 6278 -, 2006. - C. 627804.

88. Grinfeld D. E., Kopaev I. A., Makarov A. A., Monastyrskiy M. A. Equilibrium ion distribution modeling in RF ion traps and guides with regard to Coulomb effects // Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section a-Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment. - 2011. - T. 645, № 1. - C. 141-145.