A GPU ACCELERATED CDMS TRAP TRAJECTORY SIMULATOR AND OPTIMISER
Postery | 2023 | Waters | ASMSInstrumentace
Software
ZaměřeníOstatní
VýrobceWaters
Souhrn
Význam tématu
Charge detection mass spectrometry (CDMS) představuje pokročilou techniku pro analýzu vysoce hmotných a heterogenních iontů s přesným stanovením poměru m/z a náboje jednotlivých částic. Zlepšení m/z rozlišení ELIT geometrie přímo ovlivňuje citlivost a spolehlivost měření v proteomice, materiálové vědě či syntetické chemii.Cíle a přehled studie
Autoři vyvinuli GPU akcelerovaný simulátor trajektorií iontů a optimalizátor elektrodových geometrií pro elektrostatickou lineární iontovou past (ELIT). Cílem je dosáhnout výrazného zrychlení simulací a maximalizovat m/z rozlišení CDMS pastí oproti stávajícím tříelektrodovým konfiguracím.Použitá metodika a instrumentace
Simulace trajektorií probíhají pomocí 4. řádové Runge-Kutta integrace implementované v PyCUDA. Elektrodová pole byla vyřešena v SIMION® 2020 a importována do CUDA modelu. Optimalizace parametrů (napětí elektrod, délka trubice) byla realizována modifikovaným Nelder–Mead simplex algoritmem s moderním restartovacím mechanizmem.- Hardware: NVIDIA® GV100 GPU; referenční CPU stanice
- Software: PyCUDA, CUDA Toolkit, SIMION® 2020
- Metodika: simulace 16 384 trajektorií paralelně; cílová funkce – m/z rozlišení (Gaussian) a stabilita ≥95 % iontů
Hlavní výsledky a diskuse
Optimalizace na GPU přinesla zrychlení simulace trajektorií až ~100× oproti jednojádrové CPU simulaci. Čtyřelektrodové geometrie s prodlouženou trubicí (>150 mm) dosahují m/z rozlišení řádu 600 000–1 000 000, což je 2–3 řády více než konvenční tříelektrodové pasti. Rozlišení rostlo s prodlužováním trubice a úpravou napětí; 14 mm varianta elektrod vykazuje lepší tvar píku než 12 mm verze. Díky větší toleranci na odchylky axiální kinetické energie mohou nové geometrie fungovat i při zachycení více iontů současně, čímž se zvyšuje propustnost CDMS analýzy.Přínosy a praktické využití metody
Optimalizovaný GPU simulátor výrazně urychluje návrh ELIT geometrií, umožňuje rychlejší iterace a lepší rozlišení v reálných experimentech. Vyšší m/z rozlišení a robustnost vůči variacím energie iontů otevírá cestu k analýze komplexních biopolymerů, nanopartikelů i virových částic s vysokou přesností.Budoucí trendy a možnosti využití
- Integrace automatizovaných pattern search algoritmů pro optimalizaci fyzických rozměrů elektrod
- Využití strojového učení pro predikci optimálních parametrů bez rozsáhlých simulací
- Rozvoj multi-iontového provozu CDMS s udržením vysokého rozlišení
- Implementace pokročilých gridless zrcadel v MR-TOF systémech
Závěr
Byl vyvinut GPU akcelerovaný simulátor trajektorií a optimalizátor pro ELIT, který dosahuje až stonásobného zrychlení výpočtů a m/z rozlišení přesahujícího jeden milion. Tento nástroj výrazně zkracuje vývoj nových pastev CDMS a zvyšuje jejich odolnost vůči odchylkám kinetické energie iontů, což přináší významné zlepšení v analytické chemii.Reference
- Hogan J. A., Jarrold M. F. (2018). Optimized Electrostatic Linear Ion Trap for Charge Detection Mass Spectrometry. Journal of the American Society for Mass Spectrometry 29(10):2086–2095.
- Zhao Q., Urosević D., Mladenović N., Hansen P. (2009). A restarted and modified simplex search for unconstrained optimization. Computers & Operations Research 36(12):3263–3271.
- Yavor M. I., Pomozov T. V., Kirillov S. N., Khasin Y. I., Verenchikov A. N. (2018). High performance gridless ion mirrors for multi-reflection time-of-flight and electrostatic trap mass analyzers. International Journal of Mass Spectrometry 426:1–11.
Obsah byl automaticky vytvořen z originálního PDF dokumentu pomocí AI a může obsahovat nepřesnosti.
Podobná PDF
Simulation of the Effect of Mechanical Misalignment on High M/Z Resolution Cdms Trap Solutions
2025|Waters|Postery
SIMULATION OF THE EFFECT OF MECHANICAL MISALIGNMENT ON HIGH M/Z RESOLUTION CDMS TRAP SOLUTIONS David Langridge, Kevin Giles, Keith Richardson Waters Corporation, Wilmslow, UK OVERVIEW PURPOSE: Examination of the effect of realistic mechanical build tolerances on the performance of high…
Klíčová slova
trap, trapcdms, cdmsoffset, offsetelectrode, electrodehalf, halfresolution, resolutioncase, casemechanical, mechanicalassemblies, assembliestolerances, tolerancesmonte, montestability, stabilitycarlo, carlosolutions, solutionsconstructed
High Capacity Electrostatic Ion Trap Mass Spectrometer and its Signal Processing Design and Simulation On increasing charge capacity of EITs There have been increasing attempts to make use of larger space for ion trapping and measurement of the image charge…
Klíčová slova
field, fieldcharge, chargeimage, imageeit, eitfrequency, frequencyfft, fftion, ionfocusing, focusingisochronous, isochronousmotion, motionpitch, pitchaxsim, axsimtransform, transformrotational, rotationalprecession
SIMULATION OF A QUADRUPOLE MASS FILTER EMPLOYING A DIGITAL WAVEFORM AND DISCONTINUOUS ION INTRODUCTION TO OBTAIN HIGH RESOLUTION AND TRANSMISSION
2019|Waters|Postery
SIMULATION OF A QUADRUPOLE MASS FILTER EMPLOYING A DIGITAL WAVEFORM AND DISCONTINUOUS ION INTRODUCTION TO OBTAIN HIGH RESOLUTION AND TRANSMISSION David Langridge1, Martin Green1, Benjamin Jeffrey2, Robert Appleby2 1 Waters Corporation, Wilmslow, UK; 2University of Manchester, Manchester, UK INTRODUCTION Generally…
Klíčová slova
acceptance, acceptancewaveform, waveforminverse, inversepositional, positionalquadrupole, quadrupolejitter, jittersimion, simiondiscontinuous, discontinuousresolution, resolutioneffect, effectphase, phaseions, ionsamplitude, amplitudesimulation, simulationtiming
Calibration of Charge Detection MS Instruments
2025|Waters|Postery
Calibration of Charge Detection MS Instruments Authors: Keith Richardson1; Kevin Giles1; Anisha Haris1; Benjamin Draper2; Martin Jarrold2 Affiliations: 1Waters Corporation, Wilmslow, UK; 2Megadalton Solutions Inc., Bloomington, IN METHOD: • m/z calibration using a single parameter and twoparameter linear calibration of…
Klíčová slova
charge, chargecdms, cdmskda, kdainterquartile, interquartilecalibration, calibrationstate, statemass, masselectrostatic, electrostaticmagnitude, magnitudenovel, novelrms, rmsprototype, prototypeexpected, expectedcalibrant, calibranthaving