Разработка и создание измерительной ячейки масс-спектрометра ионного циклотронного резонанса с динамической гармонизацией электрического поля тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат физико-математических наук Болдин, Иван Александрович

• Болдин, Иван Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Болдин, Иван Александрович

Введение.

Глава Т. Основы масс-спектрометрии ИЦР-ПФ и обзор предложенных конструкций измерительных ячеек.

Основной принцип масс-спектрометрии ИЦР-ПФ.

Общее описание процедуры ИЦР-ПФ эксперимента.

Линейная теория движения ионов в измерительной ячейке ИЦР.

Аналитические характеристики масс-спектрометра ИЦР-ПФ.

Нелинейные эффекты движения ионов в измерительной ячейке ИТ TP.

Неидеальное удерживающее электрическое поле.

Кулоновское взаимодействие ионов друг с другом и с наведенными на электродах зарядами.

Неоднородное поле возбуждения и нелинейное детектирование.

Существующие измерительные ячейки ИЦР.

Оптимизация поля возбуждения.

Оптимизация удерживающего электрического поля.

Нерешенные проблемы и постановка задачи.

Глава II. Принцип новой измерительной ячейки ИЦР и теоретический анализ ее функционирования.

Теоретические основы предлагаемого принципа.

Конструкция новой измерительной ячейки ИЦР.

Моделирование движения ионов в новой измерительной ячейке ИЦР.

Глава III. Экспериментальное исследование новой измерительной ячейки ИЦР.

Описание эксперимента.

Результаты.

Сравнение новой изменительной ячейки со скомпенсированной ячейкой

Определение циклотронного радиуса.

Обсуждение результатов.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и создание измерительной ячейки масс-спектрометра ионного циклотронного резонанса с динамической гармонизацией электрического поля»

Метод масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье (ИЦР ПФ) обладает самой высокой разрешающей. способностью и точностью измерения масс среди всех известных методов масс-спектрометрии. Сверхвысокие характеристики масс-спектрометров

ИЦР ПФ позволяют успешно применять их при решении самых сложных аналитических задач, таких как: анализ сложных смесей - нефть, гуминовые вещества; идентификация молекулы по точной массе; разделение изотопных кластеров в масс-спектрах белков в top-down протеомике для определения моноизотопной массы. Измерительной ячейкой масс-спектрометра ИЦР ПФ является ионная ловушка Пеннинга. В такой ловушке ионы удерживаются сильным магнитным полем в радиальном направлении, а в направлении вдоль магнитного поля они 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.

Вращающиеся ионы наводят переменный ток между детектирующими электродами измерительной ячейки, зависимость которого от времени измеряется, и получаемый сигнал подвергается частотному анализу, который обычно совершается методом преобразования Фурье, в результате которого получается спектр циклотронных частот. По циклотронным частотам по известной формуле определяются отношения масс к зарядам. При заданной индукции магнитного поля, в котором находится измерительная ячейка ИЦР, для увеличения разрешающей способности и точности измерения массы нужно увеличивать время детектирования наведенного тока в соответствии со свойствами Фурье преобразования. Для этого необходимо, чтобы ионное облако, совершающее циклотронное движение, двигалось синхронно как можно дольше. Основными факторами, лимитирующими время, в течение которого детектируемый ток не затухает, является давление остаточных 4 газов в измерительной ячейке и ангармоничность электрического поля, удерживающего ионы в аксиальном направлении. Благодаря прогрессу в вакуумной технике в последнее время удается снизить значение первого фактора, и основным источником влияния на разрешающую способность ИЦР масс-спектрометров становится ангармоничность электрического поля. В нескольких лабораториях были предложены измерительные ячейки ИЦР, конструкция которых направлена на создание такого удерживающего электрического поля, которое как можно меньше возмущает синфазность движения ионного пакета (устранение асинхронности движения ионов называется гармонизацией измерительной ячейки). Предлагаемые измерительные ячейки ИЦР спроектированы так, чтобы создать электрическое поле максимально близкое к гиперболическому, так как такое поле в идеале вообще не приводит к расфазировке ионов. При этом поле, близкое к гиперболическому, удается создать лишь в области около центра измерительной ячейки.

В диссертации предложен принципиально новый подход к решению этой проблемы. Он состоит в том, чтобы создать не истинно гиперболическое поле, а такое, которое оказалось бы гиперболическим в результате усреднения по циклотронному периоду. Теоретически (если считать, что частота аксиальных колебаний намного меньше циклотронной) предложенная конфигурация электрического поля не приводит к расфазировке при движении ионного пакета с любым циклотронным радиусом и с любыми амплитудами аксиальных колебаний составляющих его ионов. В диссертации теоретически и экспериментально показано, что измерительная ячейка ИЦР на основе предложенной идеи превосходит все другие по разрешающей способности и точности измерения масс. Разрешающая способность, продемонстрированная этой измерительной ячейкой на белке бычий альбумин, является самой высокой, когда-либо полученной для белка на магните с индукцией 7 Тесла.

Цель работы

Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное доказательство возможности создания ловушки Пеннинга, в которой усредненный по циклотронному движению потенциал является гармоническим, и не происходит потери синхронизации циклотронного движения ионов, благодаря чему достигается сверхвысокая разрешающая способность.

Научная новизна работы

В работе предложен новый принцип создания электрических полей в ловушках Пеннинга для обеспечения условий гармоничности аксиального движения ионов в них: при наличии сильного магнитного поля использование вместо гиперболического поля эффективно-гиперболического, то есть гиперболического после усреднения по циклотронному периоду. Приводится теоретическое обоснование подхода. Разработана и создана уникальная измерительная ячейка ИЦР, использующая этот принцип для создания электрического поля, удерживающего ионы в аксиальном направлении и не разрушающего синфазность циклотронного движения ионного пакета в течение длительного времени (десятков секунд). Измерительная ячейка охарактеризована экспериментально, на ней получена рекордная для магнитов 7 Тесла разрешающая способность.

Практическая значимость работы

Разработанная измерительная ячейка ИЦР позволяет значительно повысить разрешающую способность ИЦР спектрометра. Это существенно для приложений, в которых требуется сверхвысокое разрешение по массам, например, при измерении масс белков в top-down протеомике и при анализе сложных смесей, таких как нефть и гуминовые кислоты. Предлагаемый метод измерения позволяет применять недорогие сверхпроводящие магниты с относительно низкой магнитной индукцией.

Структура диссертации

В первой главе дается краткое изложение принципов масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье (ИЦР ПФ) и формулируется проблема, решение которой является основным результатом диссертации. Приводится обзор работ по данной теме. Во второй главе излагается новый метод гармонизации измерительной ячейки ИЦР и приводится теоретическое обоснование для данного метода. В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования предложенной измерительной ячейки ИЦР.

Заключение диссертации по теме «Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва», Болдин, Иван Александрович

Выводы

1) Был предложен новый принцип: при наличии сильного магнитного поля использование вместо гиперболического поля эффективно-гиперболического.

2) Проведено теоретическое обоснование возможности применения ловушки Пеннинга с сегментированными электродами, реализующими этот принцип, в масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье.

3) Разработана и создана измерительная ячейка ИЦР, реализующая принцип динамической гармонизации.

4) Аналитические возможности измерительной ячейки ИЦР исследованы экспериментально, и показано ее преимущество перед всеми другими.

5) Достигнуты рекордные аналитические характеристики для спектрометров ионного циклотронного резонанса с магнитами 7 Тесла.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Болдин, Иван Александрович, 2011 год

1. Ландау JI. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. II. Теория поля. 8-е изд. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001.

2. Penning, F.M., Philips techn. Rev. 2 1937, 201.

3. Hippie, J. A. H. Sommer, H. A. Thomas. A Precise Method of Determining the Faraday by Magnetic Resonance. Phys. Rev. 1949, 76, 1877 -1878.

4. Sommer H, Hippie H A and Thomas J A. The Measurement of e/M by Cyclotron Resonance. Phys. Rev. 1951, 82, 697.74

5. M.B. Comisarow and A.G. Marshall. Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Spectroscopy. Chem. Phys. Lett. 1974, 25, 282.

6. Comisarow MB, Marshall AG. Frequency-sweep Fourier transform ion cyclotron resonance spectroscopy. Chem. Phys. Lett. 1974; 26: 489.

7. Shenheng Guan. Linear Response Theory of Ion Excitation for Fourier Transform Mass Spectrometry. J Am Soc Mass Spectrom 1991, 2, 483-486.

8. Peter B. Grosshans, Alan G. Marshall. General Theory of Excitation in Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry. Anal. Chem. 1991. 63, 2057-2061

9. Griffith, D.J.: Introduction to electrodynamics, p. 157. Prentice-Hall, 562 New Jersey (1999)

10. W. Shockley. Currents to Conductors Induced by a Moving Point Charge. Journal of Applied Physics 1938, Vol. 9, p. 635.

11. Alan G. Marshall, Christopher L. Hendrickson, and George S. Jackson. FT ICR MS: A Primer. Mass Spectrometry Reviews 1998, 17, 1-35

12. Herold L. K., Kouzes R. T. Limits to Fourier transform—ion cyclotron resonance mass spectrometry for atomic mass measurements. Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes 1990, 96, 247.

13. Hearn BA, Watson CH, Baykut G, Eyler JR. An ion trajectory model for fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry. Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes 1990, 95, 299.

14. Xiang X., Guan S., Marshall A. G. Simulated Ion Trajectory and Induced Signal in Ion Cyclotron Resonance Ion Traps. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1994, 5, 238.

15. Guan S., Pasa-Tolic L., Marshall A. G., Xiang X. Off-axis injection into an ICR ion trap: a means for efficient capture of a continuous beam of externally generated ions. Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes 1994, 139,75.

16. Naito Y., Inoue M. Non-linear Effects on Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectra Induced by Off-resonance Excitations. Rapid Commun. Mass Spectrom. 1997, 11, 578.

17. Dahl DA. SIMION 3D version 7.0 User's manual, 1995.

18. Mitchell D. W., Smith R. D. Cyclotron motion of two Coulombically interacting ion clouds with implications to Fourier-transform ion cyclotron resonance mass spectrometry. Phys. Rev. E 1995, 52, 4366.

19. Gross M. L., Rempel D. L. Fourier transform mass spectrometry. Science 1984,226,261.

20. Chen S. P., Comisarow M. B. Modelling coulomb effects in Fourier-transform ion cyclotron resonance mass spectrometry by charged disks and charged cylinders. Rapid Commun. Mass Spectrom. 1992, 6, 1.

21. Nikolaev E. N., Gorshkov M. V. Dynamics of ion motion in an elongated cylindrical cell of an ICR spectrometer and the shape of the signal registered Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes 1985, 64, 115.

22. Gorshkov M. V., Nikolaev E. N. Optimal cyclotron radius for high resolution FT-ICR spectrometry. Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes 1993, 125, 1.

23. Miluchihin N. V., Miura K., Inoue M. Application of a parallel computer to simulation of ion trajectories in an ion cyclotron resonance spectrometer. Rapid Commun. Mass Spectrom. 1993, 7, 966.

24. Mitchell D. W., Smith R. D. Two dimensional many particle simulation of trapped ions. Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes 1997, 165/166, 271.

25. Birdsall CK, Langdon AB. Plasma Physics via Computer Simulation. McGraw-Hill, New York, 1985.

26. Hockney RW, Eastwood JW. Computer Simulation Using Particles. Adam Hilger: New York, 1988.

27. Birdsall CK. Particle-in-cell charged-particle simulations, plus Monte Carlo collisions with neutral atoms, PIC-MCC. IEEE. Transactions on Plasma Science 1991, 19, 65.

28. Mitchell D. W. Realistic Simulation of the Ion Cyclotron Resonance Mass

29. Spectrometer Using a Distributed Three-Dimensional Particle-In-Cell Code. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1999, 10, 136.

30. E. N. Nikolaev, R. M. A. Heeren, A. M. Popov, A. V. Pozdneev, K. S. Chingin. Realistic modeling of ion cloud motion in a Fourier transform ion cyclotron resonance cell by use of a particle-in-cell approach. Rapid Commun Mass Spectrom. 2007, 21, 3527.

31. Boris JP. Relativistic plasma simulation-optimization of a hybrid code. Proc. 4th Conf. Num. Sim. Plasmas, Naval Research Laboratory, Washington DC, 3-67, 2-3 November, 1970!

32. X. Xiang, P. B. Grosshans, A. G. Marshall. Image charge-induced ion cyclotron orbital frequency shift for orthorhombic and cylindrical FT-ICR ion traps. Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes 1993, 125, 33.

33. Cornell, E. A; Boyce, K. R; Fygenson, D. L.; Pritchard, D. E. Two ions in a Penning trap: Implications for precision mass spectroscopy. Phys. Rev. A 1992,45, 3049.

34. Huang, J.; Tiedemann, P. W.; Land, D. P.; Mclver, R T.; Hemminger, J. C. Dynamics of ion coupling in an FTMS ion trap and resulting effects on mass spectra, including isotope ratios. Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes 1994, 134, 11.

35. Peurrung, A. J.; Kouzes, R. T. Long-term coherence of the cyclotron mode in a trapped ion cloud. Phys. Rev. E 1994, 49, 4362.

36. Pasa-Tolic L., Huang Y, Guan S., Kim H. S., Marhsall A. G. Ultrahighresolution matrix-assisted laser desorption/ionization Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectra of peptides. J. Mass Spectrom.1995, 30, 825.

37. Naito Y., Inouc M. Mass Spectrometry Using Fourier Transform . J. Mass Spectrom. Soc. Jpn. 1994, 42, 291.

38. Naito Y., Inoue M. Collective motion of ions in an ion trap for Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry. Int.'J. Mass Spectrom. Ion Processes 1996; 157/158: 85.

39. A. Boldin, E. N. Nikolaev. Theory of peak coalescence in Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry. Rapid Commun. Mass Spectrom. 2009, 23, 3213.

40. G. Gabrielse, L. Haarsma, S.L. Rolston. Open-endcap Penning traps for high precision,experiments. Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes 1989, 88, 319.

41. S.C. Beu, D.A. Laude, Jr. Open trapped ion cell geometries for Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry. Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes 1992, 112, 215.

42. P. Caravatti and M. Allemann. The 'infinity cell': A new trapped-ion cell with radiofrequency covered trapping electrodes for fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry. Org. Mass Spectrom.,1991, 26, 514.

43. Hunter, R. L., Sherman, M. G., Mclver, R. T. Jr. An elongated trapped-ion cell for ion cyclotron resonance mass spectrometry with a superconducting magnet. Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys. 1983, 50, 259.

44. Y. Wang and K.-P. Wanczek. A new ion cyclotron resonance cell for simultaneous trapping of positive and negative ions. Rev. Sci. Instrum. 1993, 64, 883.

45. Vartanian, V. H., Hadjarab, F., Laude, D. A. Open Cell Analog of the Screened Trapped-ion Cell Using Compensation Electrodes for Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry. Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes 1995, 151(2/3), 175.

46. J. Franzen, E. Nikolaev, US Patent 7368711, 2008.

47. Ландау JI. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. I. Механика. 8-е изд. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001, стр. 123.

48. R. S. Van Dyck, Jr., D. J. Wineland, P. A. Ekstrom, H. G. Dehmelt. High mass resolution with a new variable anharmonicity Penning trap. Applied Physics Letters 1976, 28, 446.

49. Van Dyck, R. S., Jr., Schwinberg, P. B. Preliminary Proton/Electron Mass Ratio using a Compensated Quadring Penning Trap. Phys. Rev. Lett. 1981, 47, 395.

50. Yin, W. W.; Wang, M.; Marshall, A. G.; Ledford, E. B. Experimental evaluation of a hyperbolic ion trap for Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1992, 3, 188.

51. G. Gabrielse, F. C. Mackintosh. Cylindrical Penning traps with orthogonalized anharmonicity compensation. Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes, 1984, 57, 1.

52. G. S. Jackson; F. M. White, S. Guan, A. G. Marshall. Matrix-shimmed ion cyclotron resonance ion trap simultaneously optimized for excitation, detection, quadrapolar axialization, and trapping. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1999,10, 759.

53. Guan, S.; Kim, H. S.; Marshall, A. G.; Wahl, M. C.;Wood, T. D.; Xiang, X. Shrink-Wrapping an Ion Cloud for Higher-Performance Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry. Chem. Rev. 1994, 94, 2161.

54. J. E. Bruce, G. A. Anderson, Chuan-Yuan Lin, M. V. Gorshkov, A. L. Rockwood, R. D. Smith. A novel high-performance Fourier transform ion cyclotron resonance cell for improved biopolymer characterization. J. Mass Spectrom. 2000, 35, 85.

55. Y. Naito, M<. Fujiwara, M. Inoue. Improvement of the electric field in the cylindrical trapped-ion cell. Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes 1992, 120, 179.

56. C. R. Weisbrod, N. K. Kaiser, G. E. Skulason, J. E. Bruce. Trapping Ring Electrode Cell: A FTICR Mass Spectrometer Cell for Improved Signal-to-Noise and Resolving Power. Anal. Chem. 2008, 80, 6545.

57. A. V. Tolmachev, E. W. Robinson, S. Wu, H. Kang, N. M. Lourette, L. Pasa-Tolic, R. D. Smith. Trapped-Ion Cell with Improved DC Potential Harmonicity for FT-ICR MS. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2008, 19, 586.

58. А. М. Brustkern, D. L. Rempel, M. L. Gross. An electrically compensated trap designed to eighth order for FT-ICR mass spectrometry. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2008, 19, 1281.

59. Nikolaev, E. N., Rakov, V.S., Futrell, J.H.: Analysis of harmonics for an elongated FTMS Cell with multiple electrode detection. Int J Mass Spectrom Ion Processes 1996, 157/158, 215.

60. Grosshans, P.B., Marshall, A.G.: Cyclotron radius determination in Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry. Int J Mass Spectrom Ion Processes 1992, 115, 1.

61. Ge Y., Rybakova I. N., Xu Q., Moss R. L. Top-down high-resolution mass spectrometry of cardiac myosin binding protein С revealed that truncation alters protein phosphorylation state. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009 Aug 4, 106, 12658.

62. E. N. Nikolaev, M. V. Gorshkov, A. V. Mordekhaj, V. L. Talroze. Авторское свидетельство СССР SU1307492, 1985.

63. E. N. Nikolaev, A. V. Mordekhaj, M. V. Gorshkov, V. L. Talroze, Авторское свидетельство СССР SU1684831, 1989.

64. E. N. Nikolaev, M. V. Gorshkov, A. V. Mordehai, V. L. Talrose. Rapid Commun. Mass Spectrom. 1990, 4, 144.