Simulation of the Effect of Mechanical Misalignment on High M/Z Resolution Cdms Trap Solutions

Význam tématu

Charge detection mass spectrometry (CDMS) s elektrostatickými lineárními iontovými pasti (ELIT) umožňuje přímé měření hmotnosti velkých a heterogenních iontů. Zvýšení m/z rozlišení vede k lepší přesnosti určení náboje a tím i hmotnosti iontů, což je klíčové například pro analýzu virových vektorů, proteinových komplexů a dalších biomolekul.

Cíle a přehled studie

Studie se zabývá vlivem realistických mechanických tolerancí sestavení elektrody na m/z rozlišení a stabilitu tří navrhovaných vysokorozlišovacích ELIT geometrií (krátká 3-elektrodová, dlouhá 3-elektrodová a 4-elektrodová past) ve srovnání s prototypem.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika:

• Monte Carlo simulace mechanického seřízení elektrod s odchylkami až 16 µm (normální rozdělení).
• Trajektoriální simulace vztahů mezi nábojem a polohou iontů v CUDA modelu s Runge-Kutta 4. řádu.
• Výpočet elektického pole LAPACE rovnice v SIMION 2020.

Použitá instrumentace:

• SIMION 2020 pro řešení elektrických polí.
• GPU akcelerace s CUDA a PyCUDA pro trajektorijní výpočty.

Hlavní výsledky a diskuse

Analýza stability a m/z rozlišení pro stovky náhodně posunutých pastí ukázala:

• 4-elektrodová geometrie: prakticky žádná ztráta stability (>99 %), mírné snížení rozlišení (až 10 %), retrospektivní doladění napájecích napětí V4 zlepšilo výsledek.
• Dlouhá 3-elektrodová past: stabilita nad 95 %, rozlišení kleslo v některých případech až o 20 %, částečná obnova retunováním.
• Krátká 3-elektrodová past: výrazná ztráta stability i rozlišení, mnoho konfigurací vůbec neudrželo ionty.
• Radialní vychýlení a náklon poloviny pasti do 0,2° a 0,2 mm neměly zásadní vliv na stabilitu, u rozlišení do 5–10 %.

Přínosy a praktické využití metody

Optimalizované 4-elektrodové řešení nabízí robustní vysoké m/z rozlišení (>100 000) při běžných výrobních tolerancích, aniž by bylo nutné extrémně přesné sestavení. To umožňuje spolehlivé CDMS analýzy ve výzkumu i v průmyslové kontrole kvality virů, proteinů a makromolekul.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další vývoj může směřovat ke:

• Automatizovaným výrobním procesům s in situ kalibrací elektrod.
• Vylepšeným softwarovým algoritmům pro korekci drobných mechanických odchylek v reálném čase.
• Implementaci adaptivních napěťových schémat pro vyšší dynamické rozlišení.

Závěr

Monte Carlo simulace prokázaly, že z navržených ELIT geometrií je nejodolnější 4-elektrodová past, poskytující stabilní zachycení iontů a vysoké m/z rozlišení i při běžných výrobních tolerancích. Krátké a dlouhé 3-elektrodové varianty vykazují citlivější chování a vyžadují pečlivější mechanickou montáž a ladění napětí.

Reference

1. D. Reitenbach, D. Botamanenko, L. Miller, M. Jarrold, Anal. Chem. 2024, 96, 14060−14067
2. D. Langridge, K. Richardson, J. Brown, K. Giles, MP 394, ASMS 2023
3. SIMION 2020, Scientific Instrument Services, Inc.