轨道阱边缘场效应及其补偿方法的研究.pdf
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1、第45卷第2 期2024年3月质谱学报Journal of Chinese Mass Spectrometry SocietyVol.45No.2Mar.2024轨道阱边缘场效应及其补偿方法的研究王俊恬,任熠”,黄正旭1-3,陈政阁,丁力4(1.暨南大学质谱仪器与大气环境研究所,广东广州510 6 32;2.广东省麦思科学仪器创新研究院,广东广州510 530;3.广州禾信仪器股份有限公司,广东广州510 530;4.宁波大学材料科学与化学工程学院,浙江宁波3152 11)摘要:静电轨道阱(Orbitrap)自推出以来已被证明是一款强大的离子分析器,其分辨率受电极结构中边缘场的影响。因此,函需
2、研究由离子人射孔和外电极间隙共同导致的畸变场对分辨率的影响,并提出边缘场效应的解决方法。本实验利用离子光学仿真软件(SIMION)分别建立了理想、畸变和矫正3种结构模型,以测量不同初始轴向振幅和不同轨道半径对应的轴向振动周期分散来衡量轨道阱可以达到的极限分辨率。通过对比理想模型的实验结果与理论结果,验证了仿真参数选取和离子运动计算方法的可靠性;在畸变模型实验中,探究外电极间隙和离子入射孔导致的边缘场效应引起的离子轴向运动周期分散情况,及其对分辨率产生的影响;在矫正模型实验中证明了可以通过调节2 个补偿电极的电压来修正畸变场,从而克服离子入射孔和外电极间隙共同产生的边缘场效应,乃至其他缺陷所引起
3、的场畸变问题,仿真得到轨道阱对m/100离子的极限质量分辨率可达2 50 0 0 0 0。关键词:轨道阱;边缘场;补偿电极;分辨率;仿真模拟中图分类号:0 6 57.6 3doi:10.7538/zpxb.2023.0097文献标志码:A文章编号:10 0 4-2 997(2 0 2 4)0 2-0 2 37-0 9Fringing Field Effect of Orbitrap and Its Compensation MethodWANG Jun-tian,REN Yi?,HUANG Zheng-xul3,CHEN Zheng-ge,DING Li(1.Institute of Mass
4、 Spectrometry and Atmospheric Environment,Jinan University,Guangzhou 510632,China;2.MS Scientific Instrument Innovation Institute,Guangzhou 510530,China;3.Guangzhou Hexin Instrument Co.,Guangzhou 510530,China;4.College of Materials Science and Chemical Engineering,Ningbo University,Ningbo 31521l,Chi
5、na)Abstract:Since it was introduced,the Orbitrap has been proved to be a powerful ionanalyzer whose resolution is affected by the fringing field in the electrode structure.Orbitrap is an ultra-high precision instrument.The gap between two outer half elec-trodes and the design of ion perforation on o
6、ne side of the outer electrode will producefringing field effect,resulting in the distortion of the ideal electrostatic field.Thedistorted field formed in the internal space of Orbitrap will have a serious impact on theresolution.Thermo Fisher Scientific is the only company that has a patent on Orbi
7、trapmass spectrometers and related technologies,however,it has not provided relevantmaterials to explain the problem in detail and specific solutions,and few researchers本文通信作者丁力238have conducted in-depth research.Therefore,it is necessary to study the influence ofthe distortion field caused by the i
8、on perforation and the outer electrode gap on theresolution,and propose a solution to the fringing field effect.In this work,ion opticalsimulation software(SIMION)was used to establish ideal,distorted and correctedmodels,in order to measure the limiting resolution of the orbital trap by measuring th
9、eaxial vibration period dispersion corresponding to different initial axial amplitudes anddifferent orbital radius.By comparing the experimental and theoretical results of theideal model,the reliability of the selection of simulation parameters and the calculationmethod of ion motion were verified.I
10、n the distortion model experiment,the ion axialmotion period dispersion caused by the fringing field effect arising from the outerelectrode gap and ion perforation and its influence on the resolution was investigated.Inthe correction model experiment,it was proved that the distortion field can be co
11、rrectedby adjusting the voltage of the two compensating electrodes,so as to overcome thefringing field effect caused by the ion perforation and the outer electrode gap.In addi-tion,it was also found that the axial flight period error caused by radial dispersion in thecorrected model is smaller than
12、that in the ideal model,and the difference between thetwo is small in the axial dispersion.The comprehensive result of the corrected model isbetter than that of the ideal model.Therefore,the error caused by scratches on thesurface of the electrodes can be corrected by adjusting the voltage of the co
13、mpensatingelectrodes.The final simulation results showed that the limiting mass resolution for m/z100 ion can reach to 2 500 000.Key words:Orbitrap;fringing field;compensator electrode;resolution;simulation静电轨道阱质谱仪(Orbitrapmass spec-trometer)自问世以来,凭借高分辨率、高质量精度、宽动态范围、高灵敏度等优势,已成为质谱领域中最重要的高端仪器之一,是蛋白质组学
14、1-6 1和代谢组学7-12 1研究中重要的分析工具。从192 3年出现金登阱13,到1996 年Gillig等14 对其进行电场改进,最终在2 0 0 0 年由Makarov等15 发展成一种可实现高分辨傅里叶变换质量分析的静电轨道离子阱。现实中,为了检测镜像电荷信号以及方便安装,轨道阱外电极会被分割成对称的两部分,中间则形成1圈间隙,为了离子注人,会在一侧的外电极上开1个离子入射孔16-18 。这些设计需求会破坏理想的四极-对数场,使同种质荷比在不同的轨道运动,产生不同的轴向振动频率,从而导致分辨率下降。采用阱外场调节电极来修正离子阱的边缘场效应在三维离子阱和线形离子阱研究中已有报道19-
15、2 1。Makarov等2 2 提出,可以采用调节人射孔处电极电压来补偿外电极之间的装配质谱学报第45卷偏差,提高实际分辨率。但是,2 种边缘场造成的频率误差难以通过调节单个补偿电极电压来消除,也未见关于定量限制或消除人射孔处和2 个外电极之间缝隙所产生的边缘效应的报道。本工作将研究离子人射孔和外电极间隙共同导致的轨道阱边缘场对分辨率的影响,并提出场畸变的补偿方法,以实现分辨率的改善。1理论与模型理论上,静电轨道阱是由1个纺锤形的中心电极和1个同轴的外电极组成,示于图1。在柱坐标系下,根据原始电极形状公式2 3,可以用式(1)表示:(R1.2)221.2(r)+(Rm)21L22其中,下标1表
16、示中心电极,下标2 表示外电极,R1表示中心电极的最大半径,R表示外电极的最大内半径,R表示特征半径。一般工作(1)第2 期时,保持外电极为零电位,在中心电极上施加直流电压U,阱内空间产生四极-对数项的静电电位分布,经推导:kU(r,):2k(R2其中,U。表示中心电极电压;k=2U./R2一R一Rln(R2/R)),被称为轴向回弹力,即当离子的极性与U。相反时,离子在轴向上受到1个指向中央平面(之0)的回复力,而在径向上会受到指向中心轴的束缚力。图1静电轨道阱基本结构Fig.1 Fundamental structure of Orbitrap将离子以一定的绕轴旋转动能注入上述理想的静电轨道
17、阱中,离子将可能绕着中心电极旋转。当离子同时具有轴向能量时,还要沿轴向做简谐振动。它的运动具有3个特征频率15,即沿中心电极(轴)方向运动的轴向频率、绕中心电极的旋转频率w。以及最大半径与最小半径间的径向频率,各频率的表达式如下:bmRmRW2(Rm2Wr一2R其中,R表示离子旋转运动为圆轨道时的半径,其值与离子的初始条件有关。根据上述公式可知,在电场确定的情况下,离子沿中心电极的轴向振荡频率只与质荷比有关,与离子的初始动能和位置无关,因此可以用作质量分析。离子在轨道阱内的轴向简谐运动可以在左右2 个外王俊恬等:轨道阱边缘场效应及其补偿方法的研究-R.2+U.R239电极之间产生镜像电流,被连
18、接的放大器检测。将镜像电流的时域信号经傅里叶变换后得到频域信号,最后根据离子质荷比与频率的关系得到高分辨质谱图。以上理论模型只能描述严格根据式(2)构(2)造的静电阱,其两端(之轴方向)向无穷大延伸,而实际的静电轨道阱在轴向必然要有限截断。此外,为了分析离子源产生的离子,外电极上必然开有离子人射孔;并且为了检测镜像电流,外电极会被分割成对称的两部分,中间形成1圈间隙。这些变异必然以各种边缘场的形式破坏以上的频率关系,特别是式(3)的轴向频率。当离子轴向运动频率不再独立于离子的初始条件时,相同质荷比离子以不同的初始条件人射,运动于不同旋转半径、不同轴向振幅,会有不同的轴向频率偏差,使离子的轴向运
19、动失相(dephase)。理论上,失相造成的傅里叶变换频谱峰分辨率下降与离子群频率(或周期)偏差相对应2 41。所以,本工作将研究引入边缘场前后,离子轴向运动频率(周期)对轨道半径、轴向幅度的依赖性,并通过调节补偿电压进行改善,以实现等效的边缘场修正。2仿真模型和参数设置本工作借助SIMION8.225仿真软件对静电轨道阱分辨率进行研究,编写GEM文件,分别建立了理想、畸变和矫正3种结构模型。2.1理想模型理想模型是用网格电位建立的1个纯四极-对数场的理论模型,目的是找到合适的仿真参数,减少因软件及其设置引起的误差。SIMION(3)计算电场时采用有限差分法,网格尺寸大小决定了电场的计算精度,
20、尺寸越小,电场的计算精度越高,但过小的网格尺寸将导致仿真轨道阱(4)空间占用很大的内存空间。由于轨道阱含有单边注人孔的边缘场,只能将网格类型设置成三(5)维平面(planar),并关于方向对称以减少网格数量。理想模型的GEM文件参照文献2 6 1报道的标准Orbitrap几何尺寸,并根据式(1)的电极形状表达式编写,中心电极最大半径R为9mm,外电极最大半径R为15mm,特征半径Rm为2 2 mm。轴向截断长度为2 5mm,根240据SIMION8.2软件允许的内存总量和可容忍的计算速度,将网格设置为0.0 4 mm/grid。为了提高边界网格的精度,采用surface=“fractional
21、进行“去毛刺”处理。对于上述0.0 4 mm/grid网格的设置需求,需要划分的总网格数近4亿,利用配置为3.5GHz主频、2 4核处理器的计算机对畸变和矫正模型进行1次电场迭代需要耗时半个月(采用0.1 mm/grid的网格尺寸进行迭代需约1周,0.5mm/grid的网格尺寸只需2天左右)。由于本研究需要较高的电场精度,即使时间成本大幅增加,也是值得的。2.2畸变模型畸变模型是根据实际需求开设了外电极间隙和离子人射孔的场结构模型,研究边缘场效应对轨道阱分辨率产生的影响。在理想模型的基础上,以赤道平面之0 为中心,开设总宽度为0.8 mm的环形间隙,将外电极分成左右2 个电极,再根据现实机械装
22、配的要求,在已开设间隙处的靠外一侧适当扩宽槽缝,以便放置陶瓷绝缘环,示于图2。在距离赤道平面7 mm处的右电极上方开设离子人射孔,其开口方式为在外电极壁上(外电极的壁厚设置为1mm)以1 mm圆柱体磨去电极壁,使壁上呈现1个长2.8 mm、宽0.5mm的人射椭圆孔,示于图3。阔槽外电极内电极图2 中间环形间隙畸变结构Fig.2 Intermediate annular gap in distortion structure外电极图3离子入射孔畸变结构Fig.3Ion perforation in distortion structure质谱学报第45卷2.3矫正模型在畸变模型的基础上,在外电极
23、中间间隙处增加环形补偿电极,在离子人射孔上方增加圆柱补偿电极,示于图4,补偿电极到引人孔的距离约为 1 mm。环形中问电极人射孔电极外电极内电极图4用于畸变场补偿的中间环形电极和入射孔电极Fig.4 Intermediate annular electrode and perforatingelectrode for compensating distortion field2.4仿真实验仿真实验的目的是对比不同场形下的分辨率。如果按照傅里叶变换质谱(FTMS)分辨率的研究,仿真1个相同质荷比的离子群长时间(几百毫秒)的飞行轨迹,并记录产生的镜像电流信号,再采用傅里叶变换得到谱峰并计算分辨率将
24、耗费很长的计算时间。根据分析器的极限分辨率是因离子频率分散造成失相而被限制的原理,本工作并不基于傅里叶变换计算分辨率,而是通过直接编写 Lua 程序计算离子在轴环状间隙向上的往复飞行周期进行分析。离子人射孔当离子在阱内飞行时,记录离子在轴向上每次速度逆转的飞行时间t;以及发生该次速度方向变化的次数i,当i足够大时,可算出离子在轴向上的飞行平均周期T,即:T21当轨道条件的变化造成同种离子的轴向运动周期变化达到T时,可估算质量分辨率为:离子入射孔R=2T离子的轨道条件主要有轴向振幅、绕轴旋转的平均半径以及半径的振荡幅度。这些物理量与离子从C-trap注人进来时的能量、中心电极电压及下降速度、离子
25、质荷比及离子进入后的进一步轨道压缩过程(U。进一步缓慢下降)等许多工作参数有关。在轨道阱工作流程中,(6)T(7)(8)第2 期离子通过顶部入射孔进人轨道阱后,随着中心电极电压的下降,其运动轨道逐步压缩。因此,轨道阱的分辨率应根据离子最终压缩到的运动范围结果进行探究。然而,本工作研究的重点是畸变场及其修正,而不是离子注入过程,因此对轨道条件的选取主要参考有关文献2 2.2 6 给出的范围并适当扩大。Makarov等2 2 提出,Orbitrap工作时,离子在轴向振幅的分散仅约0.1mm,而考虑离子的径向分散范围约1 mm。根据本文设计的离子入射孔宽度为0.5mm,以及对离子注入-压缩的初步仿真
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