SIMULATION OF A QUADRUPOLE MASS FILTER EMPLOYING A DIGITAL WAVEFORM AND DISCONTINUOUS ION INTRODUCTION TO OBTAIN HIGH RESOLUTION AND TRANSMISSION

Význam tématu

Quadrupólové hmotnostní filtry patří mezi nejrozšířenější analytické nástroje, avšak tradičně nabízejí kompromis mezi rozlišením a přenosovou účinností. Vývoj metod, které umožňují současné dosažení vysokého rozlišení a vysoké přenosové účinnosti, je klíčový pro citlivé kvantitativní a kvalitativní analýzy v laboratořích i průmyslovém prostředí.

Cíle a přehled studie / článku

Autoři představují teoretický rámec a simulace nové provozní strategie quadrupólu kombinující digitální waveforms tzv. EC signál, provoz v diskrétních fázích bez napájení a řízené pulzní zavádění iontů. Cílem je prolomit dosavadní inverzní vztah mezi rozlišením a přenosovou účinností a dosáhnout teoretického rozlišení až přes 100 000 při značné přenosové účinnosti.

Použitá metodika a instrumentace

Pro analýzu průběhu trajektorií iontů byla použita matrix metoda řešení rovnic Mathieu–Hillové, doplněná 3D simulacemi v prostředí SIMION 3D v8.1. Simulace předpokládají ideální kvadratické pole, hyperbolické elektrody o poloměru 9 mm, délku tyčí 130 mm, vnitřní poloměr quadrupólu r0 = 4 mm a RF frekvenci 1 MHz. Pro posouzení citlivosti na přechodovou nepravidelnost signálu byly simulovány různé úrovně časového jitteru.

Hlavní výsledky a diskuse

Byla definována veličina iAPC (inverse amplitude phase characteristic) popisující fázově závislou akceptanci quadrupólu. Digitální EC signál ve stabilitních oblastech r1 a r12 vykazuje výrazně rozšířenou oblast vysoké akceptance nezávisle na rozlišení, na rozdíl od harmonického provozu. Simulace ukazují, že v oblasti r12 lze dosáhnout 10% valley rozlišení přes 100 000 bez dosažení limitu. Diskutována je citlivost na počáteční šířku polohy a rychlosti iontů, tvar elektrod, mechanické posuny a časový jitter. Pro běžné toleranční hodnoty (±1 µm, jitter ±1 ps) zůstává výkon velmi dobrý.

Přínosy a praktické využití metody

• Dosažení vysokého rozlišení (10 000–100 000) při přenosové účinnosti nad 50 %.
• Možnost implementace v analytických systémech QA/QC, farmaceutickém a petrochemickém průmyslu.
• Nižší požadavky na permanentní vysoké napájení během zavádění iontů, kombinace s pulzními zdroji iontů.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Další zlepšení přesnosti digitálních řídicích signálů a snížení jitteru.
• Miniaturizace a integrace do kompaktních hmotnostních spektrometrů.
• Rozšíření metodiky na vícestupňové MS/MS systémy.
• Vývoj speciálních elektronických řídicích jednotek pro digitální EC vlny.

Závěr

Kombinace digitálního EC waveforms s diskrétním přívodem iontů umožňuje významně překonat tradiční kompromis mezi rozlišením a přenosovou účinností quadrupólových filtrů. Teoretická i simulační data potvrzují možnost dosažení extrémně vysokého rozlišení při prakticky zajímavé přenosové účinnosti.

Reference

• E. Sheretov et al., Opportunities for optimization of the rf signal applied to electrodes of quadrupole mass spectrometers. Part II. EC signals, Int. J. Mass Spectrom., 1987, 198, 83–96.
• L. A. Pipes, Matrix Solution of Equations of the Mathieu-Hill Type, J. Appl. Phys. 1953, 24, 902–910.
• SIMION 3D v8.1, Scientific Instrument Services Ltd.
• W. Paul, H. P. Reinghard, U. Von Zahn, Das elektrische Massenselektor als Massenspektrometer und Isotopentrenner, Z. Phys. 1958, 152, 143–153.