Improved performance of linear ion trap mass spectrometer with added octopole and dodecapole fields

Význam tématu

Lineární iontové pasti (LIT) představují klíčovou technologii v hmotnostní spektrometrii pro vysoce citlivou a selektivní analýzu komplexních vzorků.
Optimalizace vyšších vícepolárních polí (oktopolární, dodekapolární) otevírá cestu ke zlepšení hmotnostního rozlišení, izolační schopnosti a účinnosti zachycení iontů.

Cíle a přehled studie

Studie se zaměřila na vývoj a vyhodnocení lineární iontové pasti modifikované přidáním oktopolárního a dodekapolárního pole.
Cílem bylo:

• Navrhnout a optimalizovat geometrii elektrod pro vyvážené multipólové složky.
• Provést rychlé a přesné výpočty multipólových koeficientů a stop iontů pomocí LabVIEW a GPU akcelerace.
• Sestrojit experimentální prototyp na bázi LCMS-8050 a ověřit simulace měřením mass-izolace a CID.

Použitá metodika a instrumentace

Pro získání detailního elektromagnetického pole byla použita metoda povrchového náboje (SCM) až do 100. řádu.
Trajektorie iontů se počítaly 4. řádem Runge-Kutta a paralelně na GPU (NVIDIA Quadro GP100) v prostředí LabVIEW.

• LCMS-8050 (Shimadzu) s upravenou LIT elektrodou (model D)
• Argon jako chladicí plyn, vakuum ~0,1 Pa
• Dipólové excitace a izolační transformátor pro aplikaci FNF vlny
• LabVIEW pro 2D/3D simulace
• GPU NVIDIA Quadro GP100 pro akceleraci výpočtů

Hlavní výsledky a diskuse

Optimalizované posuny elektrod (dx=0,40 mm, dy=0,75 mm) vedly k vyvážené hodnotě A4/A2 ≈1,22 % a A6/A2 ≈–1,22 %.
Simulace ukázaly ostře ohraničenou rezonanční křivku na obou stranách frekvenčního pásma, což napovědělo o lepší separační schopnosti.
Experimentální měření izolačního profilu PEG 1000 pro m/z 921–923 potvrdilo zvýšené rozlišení oproti původní LIT.
CID analýza iontu m/z 555 ukázala, že pro fragmentaci byla potřeba třikrát vyšší excitace, což indikuje zvýšenou účinnost zachycení iontů.

Přínosy a praktické využití metody

Modifikace LIT přináší:

• Lepší hmotnostní izolaci sousedních iontů ve složitých směsích.
• Vyšší účinnost zachycení iontů a rozšířený dynamický rozsah.
• Zvýšenou citlivost při CID experimentech.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další vývoj lze směřovat k

• integraci adaptivního řízení vícepolárních polí v reálném čase,
• další akceleraci výpočtů na moderních GPU či FPGA,
• rozšíření aplikace do hyphenovaných systémů LC-MS/MS pro proteomiku a metabolomiku.

Závěr

Optimalizace geometrii elektrod lineární iontové pasti zavedením vyvážených oktopolárních a dodekapolárních složek významně zlepšila izolační schopnost a účinnost zachycení iontů. Experimentální výsledky validovaly simulační předpovědi a potvrdily praktický přínos pro analytickou praxi.

Reference

• (1) A. A. Makarov, Anal. Chem. 1996, 68, 4257–4263
• (2) J. Taniguchi, 66th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, TP426 (2016)
• (3) A. Krishnaveni et al., Int. J. Mass Spectrom. 275 (2008) 11–20