デジタルイオントラップ

デジタルイオントラップ質量分析計

デジタルイオントラップ(DIT)は、離散的なDC電圧レベルを高速に切り替えることで生成される、通常は矩形波のデジタル信号によって駆動される四重極イオントラップです。デジタルイオントラップは主に質量分析装置として開発されました。

歴史

デジタルイオントラップ(DIT)は、離散的な高電圧レベル間の高速スイッチングによって生成されるトラッピング波形を有するイオントラップです。高電圧スイッチのタイミングは、デジタル電子回路によって精密に制御されます。矩形波信号で駆動される四重極イオントラップ内のイオンの運動は、1970年代にSheretov, EP [ 1 ]とRichards, JA [ 2 ]によって理論的に研究されました。Sheretov [ 3 ]はまた、質量選択不安定性モードで動作する四重極イオントラップ用のパルス波形駆動を実装しましたが、共鳴励起/排出は使用されていませんでした。

この考え方は1999年にDing L.とKumashiro S.によって大幅に再考され、[ 4 ] [ 5 ]、矩形波四重極電場におけるイオン安定性がMathieu空間のa - q座標系にマッピングされました。パラメータaqは、正弦波RF駆動四重極電場を扱う際に通常用いられるMathieuパラメータと同じ定義を持ちます。また、aqパラメータの永年周波数依存性も導出され、共鳴励起に基づく多くの現代的なイオントラップ動作モードの基礎が築かれました。[ 6 ]

また、1999年に、Peter TA Reillyは、原始的なハイブリッド方形波/正弦波駆動3Dイオントラップを使用して、自動車の排気ガスから得られたナノ粒子から生成イオンを捕捉し、続いてアブレーションして質量分析し始めました。2001年にReillyは、質量分析と応用トピックに関する第49回アメリカ質量分析学会(ASMS)会議に出席し、ナノ粒子の質量分析の仕事[ 7 ] [ 8 ]を発表し、Li Dingと初めて会いました。Reillyは当時、他の機器が競合できない高質量範囲の分析にDITを集中させるべきだとDingに提案しました。しかし、2001年の会議の後、数年間にわたってDingと島津製作所によって発表された研究は、市販機器の従来の質量範囲での方形波駆動DITの開発に焦点を当てていました。この間、Reillyは、矩形波形で動作する四重極ベースの質量分析計とイオントラップの質量範囲を拡大するために、デジタル波形の開発を開始しました。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]

18年間にわたり、Reillyグループは、現代のデジタル波形技術(DWT)、その実装と特性評価、波形生成方法、[ 22 ] [ 21 ]および安定性図に限定されない一般理論、[ 18 ]ポテンシャルモデル、[ 19 ]最近ではデジタル四重極受容性[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]の開発に大きく貢献しました。 Reillyの業績と並行して、また個別に作業していた島津研究室のDingグループは、3Dイオントラップ用のデジタル駆動技術の実装を継続しました。 そして18年後、島津は2019年のASMS会議で、より高い質量範囲で動作するように設計されたベンチトップMALDI矩形波駆動3Dイオントラップ質量分析計を発表しました。 DIT技術は世界中の多くのグループによって開発され、線形および3D四重極イオントラップに実装されています。[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]

デジタル駆動による安定性

図1デジタルイオントラップの駆動信号波形と双極子励起波形(3D)

3D タイプの四重極イオントラップの場合、デジタル波形の影響下にあるイオンの動き (右の図を参照) は、従来のトラッピング パラメータで表現できます。

1つのz8eあなたメートルr02Ω21{\displaystyle a_{z}=-{\frac {8eU}{mr_{0}^{2}\オメガ ^{2}}}\qquad \qquad (1)\!}

そして

qz4eVメートルr02Ω22{\displaystyle q_{z}={\frac {4eV}{mr_{0}^{2}\Omega ^{2}}}.\qquad \qquad (2)\!}
図2.デジタル駆動波形の3つの異なるデューティサイクルにおけるZ方向のイオン運動の安定性図

ここで、 Ω =2πfはデジタル波形の角周波数である。2D (線形)イオントラップにおけるも同様の定義が文献で与えられている。[ 40 ] DC成分の性質については少なくとも2つの仮説がある。1つ目はDingによるもので、DITにおいてDC成分UはAC電圧の中間レベルV 1とV 2だけでなく、波形の デューティサイクルdにも依存すると仮定している。1つのq{\displaystyle a,q}

あなたdV1+1dV2{\displaystyle U=dV_{1}+(1-d)V_{2}}

一方、2番目だがより一般的な仮定は、波形に明示的なDC電圧オフセットが加えられない限り、 DC成分は存在しないと仮定しています。後者の解釈は、デューティサイクルがd = 0.5から離れると安定性図に生じる変化によって説明されます。この変化が起こると、両四重極軸の安定q値とa値の範囲が変化します。これらの変化により、イオンの運動は一方の軸に沿って、もう一方の軸よりも大きく変位します。これが、結果的にDCバイアスの影響です。

DIT内のイオンの安定性を正確に把握することが重要です。例えば、波形のデューティサイクルが異なると、安定境界も異なります。d = 0.5の矩形波の場合、最初の安定領域の境界は約0.712で軸と交差しますが、これは正弦波の境界値である0.908よりも小さくなります。デジタル駆動四重極におけるイオン運動の安定性は、ヒルの方程式の解析行列解から計算できます。 [ 41 ] [ 42 ]qz{\displaystyle q_{z}}qz{\displaystyle q_{z}}

Vfnτn[cosτnfn1/fnsnτnfnfnsnτnfncosτnfn]fn>031つの{\displaystyle \mathbf {V} (f_{n},\tau _{n})={\begin{bmatrix}cos(\tau _{n}{\sqrt {f_{n})}}&1/{\sqrt {f_{n}}}sin(\tau _{n}{\sqrt {f_{n}}}\\-{\sqrt {f_{n}}}sin(\tau _{n}{\sqrt {f_{n}}})&cos(\tau _{n}{\sqrt {f_{n}}})\end{bmatrix}}\qquad f_{n}>0\qquad \qquad \qquad (3a)}

Vfnτn[coshτnfn1/fnsnhτnfnfnsnhτnfncoshτnfn]fn<03b{\displaystyle \mathbf {V} (f_{n},\tau _{n})={\begin{bmatrix}cosh(\tau _{n}{\sqrt {-f_{n})}}&1/{\sqrt {-f_{n}}}sinh(\tau _{n}{\sqrt {-f_{n}}}\\{\sqrt {-f_{n}}}sinh(\tau _{n}{\sqrt {-f_{n}}})&cosh(\tau _{n}{\sqrt {-f_{n}}})\end{bmatrix}}\qquad f_{n}<0\qquad \qquad (3b)}

図3.線形デジタルイオントラップと2つのデューティサイクル((a) d = 0.50、(b) d = 0.60 )のMathieu 空間(q,a )安定性図。水平線は、パラメータa = 0のときの安定したq値の範囲を示しています。緑色の領域は完全に安定した状態を示しています。青色の領域は、 x軸に沿ってのみ安定した状態を示しています。黄色の領域は、y軸に沿ってのみ安定した状態を示しています。

解析解は、各周期がn 個の定電位ステップの連続として表される限り、任意の周期関数に適用できます。各定電位ステップは、無次元マシュー空間で波形電位パラメータ によって表されます。ここで、qa は、前に (1) と (2) で定義されています。 (3) の値は、定電位ステップの時間幅です。物理的なDCオフセットなしで動作するデジタル システムでは、波形電位は値 に減少します。パラメータの符号は、各ステップでの定電位の符号に依存し、適切な行列はパラメータの符号に依存します。デジタル波形は、高状態と低状態 (電位の符号) のみに存在すると近似できるため、Brabeck によって実証されたイオンの安定性は、わずか 2 つまたは 3 つの定電位ステップで決定できます。[ 43 ]デジタル波形の完全な 1 サイクルが 2 つの定電位ステップで表せるという単純ですがよくあるケースでは、最初の電位ステップを表す行列が 2 番目の電位ステップを表す行列に掛け合わされます。一般的なケースでは、 n 個の定電位ステップ で定義される波形サイクルの最終行列は次のようになります。T{\textstyle T}T1ntn{\textstyle T=\sum _{1}^{n}t_{n}}f1つの±2q{\textstyle f=a\pm 2q}τntnπ{\textstyle \tau _{n}=t_{n}\pi }±2q{\textstyle \pm 2q}

MVf1τ1×Vf2τ2×Vfnτn4{\displaystyle \mathbf {M} =\mathbf {V} (f_{1},\tau _{1})\times \mathbf {V} (f_{2},\tau _{2})...\times \mathbf {V} (f_{n},\tau _{n})\qquad \qquad \qquad (4)}

行列(4)はしばしば転送行列と呼ばれる。これはイオンが安定運動するかどうかを評価するために使用される。この行列のトレースの絶対値が2未満の場合、イオンは安定運動していると言える。安定運動とは、イオンの永年振動が最大変位を持つことを意味する。トレースの絶対値が2を超える場合、イオンの運動は安定しておらず、イオンの変位は永年振動ごとに増加する。

線形または3D DITやデジタル質量フィルタにおけるイオン軌道も同様の手順で計算できる。[ 27 ] [ 44 ]安定性計算とは異なり、分解能と精度の観点からは、波形の各周期を適切な数の定電圧ステップで表すのが有利である。[ 44 ] [ 29 ] [ 43 ]例えば、定電位ステップの軌道は、そのステップに適切な行列(3)をステップの軌道ベクトルに乗じて計算される。 {\textstyle k}1{\textstyle k-1}

あなたあなた˙Vfτあなた1あなた˙15{\displaystyle {\binom {u_{k}}{{\dot {u}}_{k}}}=\mathbf {V} (f_{k},\tau _{k}){\binom {u_{k-1}}{{\dot {u}}_{k-1}}}\qquad \qquad (5)}

安定性図は、各軸の行列トレースをq値a値の定義された範囲にわたって計算することによって生成できます。方形波の安定性図は、従来の高調波四重極場の安定性図と非常によく似ています。波形に追加パラメータdがあるため、デジタルイオントラップは、従来の高調波RFイオントラップでは不可能な特定の実験を実行できます。[ 45 ] [ 20 ] [ 17 ] [ 31 ] [ 23 ]一例として、デジタル非対称波分離法が挙げられます。これは、d値を約0.6に設定して質量範囲を狭め、前駆体イオンを分離する方法です。[ 46 ] [ 47 ]

DIT は、考えられるあらゆるデューティ サイクルおよび周波数においてDCオフセットなしで一定のAC電圧で動作できるため、多用途の機器です。動的周波数では質量範囲に制限はありません。[ 48 ]線形および 3D DIT の Mathieu 空間安定性図はデューティ サイクルによって変化します。a = 0の場合、デューティ サイクルに依存する各四重極軸の安定したq値の範囲は限られます。図 3 (a) は、線形 DIT のデューティ サイクルd = 0.50に対する Mathieu 空間安定性図を示しています。水平線はパラメーターa = 0 の場所を示しています。完全に安定したq値の範囲は、この線が緑色の領域を通過する場所に現れ、q = 0から約q = 0.7125までの範囲になります。図の青色の領域は、x軸に沿った安定性のみを示しています。黄色の領域は、y軸に沿った安定性のみを示しています。デューティサイクルをd = 0.60に増加させると、水平線が交差する緑色の減少によって示されるように、完全に安定したq値の範囲は減少します(図3(b)参照)。この図では、青色と緑色の領域を通る線の交点によって定義されるx軸に沿った安定したq値の全範囲は、黄色と緑色の領域を通る線の交点によって定義されるy軸に沿った安定したq値の全範囲よりも広くなっています。図3(b)では、線形DITのy方向の全体的な安定性はx方向よりも小さくなっています。線形DITの周波数を低下させて特定のイオンのq値が完全に安定した緑色の領域の右側の境界に対応するようにすると、そのイオンは励起され、最終的にy方向に放出されます。これが、共鳴励起なしに線形DITにおけるイオン励起方向の制御を可能にする基本的なメカニズムです。[ 25 ]

図4.周波数とm/zの次元における線形DITの安定性図(デューティサイクル(a)d = 0.50、(b)d = 0.60)。緑の領域はx軸y軸の安定性、青の領域はx軸のみの安定性、黄色の領域はy軸のみの安定性を示す。

DITやその他のデジタル質量分析計は、駆動波形の周波数を走査することでイオンを走査します。走査中、交流電圧は通常一定です。デジタル機器はデューティサイクルを用いており、これにより直流電圧とは完全に独立して動作し、共鳴励起も発生しません。[ 25 ]直流電圧がゼロのとき、パラメータaもゼロになります。

その結果、イオンの安定性はqに依存する。これらの考慮により、実験の計画と実行に適した新しいタイプの安定性図を設計することが可能になった。2014年にBrabeckとReillyは、いくつかのユーザー入力に基づいて、安定した質量電荷比m/zの範囲を対応する駆動周波数の範囲にマッピングする安定性図を作成した。 [ 18 ]特定のデューティサイクルでは、オペレーターはスキャンの各周波数で安定した質量の範囲をすばやく参照できます。図4(a)と(b)は、それぞれデューティサイクルd = 0.50d = 0.60の線形DITの周波数-m/z安定性図を示しています。[ 40 ]

永年周波数と擬ポテンシャル井戸の深さ

永年周波数は、周期信号によって駆動される四重極場におけるイオン運動の基本周波数成分であり、通常、イオン運動の共鳴励起、および/または衝突誘起解離につながるイオンエネルギー活性化のために選択される。永年周波数は、慣例的に次のように表される。

ωz12βzΩ6{\displaystyle \omega _{z}={\frac {1}{2}}\beta _{z}\オメガ \qquad \qquad (6)\!}

デジタル駆動信号については、ディンは行列変換理論を用いて永年周波数の表現を導出した。[ 49 ]

ωzΩ2π1つのrccosϕ11+ϕ222{\displaystyle \omega _{z}={\frac {\Omega }{2\pi }}arccos{\frac {\phi _{11}+\phi _{22}}{2}}}

ここで、はイオン運動の変換行列の2つの対角要素です。DC自由矩形波( )の場合変換行列は安定性パラメータ を用いて次のように表すことができます。 ϕ11,ϕ22{\displaystyle \phi _{11},\phi _{22}}a=0{\displaystyle a=0}q{\displaystyle q}

βz=1πarccos[cos(πqz/2)cosh(πqz/2)(7){\displaystyle \beta _{z}={\frac {1}{\pi }}arccos[cos(\pi {\sqrt {q_{z}/2}})cosh(\pi {\sqrt {q_{z}/2}})\qquad \qquad (7)\!}

式(6)と(7)は、正弦波駆動四重極イオントラップに必要な反復プロセスを使用せずに、永年周波数とデジタル駆動波形パラメータ(周波数と振幅)との間の直接的な関係を示しています。

通常、「有効ポテンシャル」井戸、あるいは擬ポテンシャル井戸の深さは、トラップされたままのイオンの最大運動エネルギーを推定するために使用されます。DITの場合、これもデメルト近似を用いて導出されました。

Dz=π248qzV0.206qzV{\displaystyle D_{z}={\frac {{\pi }^{2}}{48}}q_{z}V\approx 0.206q_{z}V} [電子ボルト]

楽器と演奏

当初、デジタルイオントラップは3次元イオントラップの形で構築され[ 50 ] 、駆動信号はトラップのリング電極に供給されていました。DITでは、RF電圧をスキャンアップする代わりに、正方向質量スキャン中に矩形波形信号の周波数をスキャンダウンします。これにより、質量スキャンの上限となる高電圧破壊を回避しました。大気MALDIイオン源を用いることで、DITの質量範囲は18,000 Thまで実証され[ 50 ] 、後に田中耕一らによって、約900,000 Thの一価抗体のm/zをカバーするまで拡張されました[ 51 ]。

MOSFETスイッチ回路は、矩形波駆動信号を供給する役割を果たします。DITの駆動回路は、従来の正弦波イオントラップに用いられるLC共振器回路を備えたRFジェネレータに比べて大幅に小型ですまた、波形の高速起動と高速終了が可能で、イオンの高効率な注入・排出を可能にします。入口エンドキャップに隣接して配置され、特定のDC電圧でバイアスされた電場調整電極は、順方向および逆方向の質量スキャン、そしてプリカーサーの分離において優れた質量分解能を実現しました。+/- 1kVのトラッピング電圧で、19,000のズームスキャン分解能が実証されました。

デジタルイオントラップ質量分析計を用いたサブスタンスPのECD MS/MS質量スペクトル
デジタルイオントラップ質量分析計を用いたサブスタンスPのECD MS/MS質量スペクトル

デジタルイオントラップを用いることで、タンデム質量分析における多くの新しい機能が徐々に明らかになってきた。従来の「分解DC」電圧を印加する代わりに、デジタル波形のデューティサイクルを変化させるだけで、境界排出によってイオントラップからイオンを選択的に除去することができる。[ 46 ] DITでは矩形波が採用されているため、電子は変化する電界によって加速されることなく、電圧レベルのいずれかでトラップに注入することができる。これにより、捕捉されたイオンと相互作用するために非常に低エネルギーの電子ビームを必要とする電子捕獲解離が、デジタルイオントラップで磁場の助けを借りずに 達成可能となった[ 52 ] 。

デジタルイオントラップの他の形態も開発されており、プリント基板を使用して構築された線形イオントラップ[ 30 ]やロッド構造の線形イオンガイド/トラップ[31]などがあります。[ 23 ]線形デジタルイオントラップの場合、通常、2組のスイッチ回路を使用して、2対のロッドに2位相の矩形パルス波形を生成します。

商業化

Hexin Instrument Co. Ltd.製のポータブルデジタルリニアイオントラップ質量分析計 DT-100

Hexin Instrument Co., Ltd(中国広州)は、2017年にVOCモニタリング用のポータブルイオントラップ質量分析計DT-100を製品化しました。この質量分析計は、VUV光イオン化源とデジタルリニアイオントラップを質量分析計として採用しています。総重量は13 kg、サイズは充電式リチウム電池を含めて350 x 320 x 190 mm 3です。質量範囲は MSとMS 2ともに20~500 Th、質量分解能は 106 Thで0.3 Th(FWHM) です。

Maldimini-1デジタルイオントラップ質量分析計

島津製作所は、2019年にMALDIデジタルイオントラップ質量分析計MALDImini-1を発売しました。A3用紙サイズのこのMALDI質量分析計は、最大70,000  Thの質量範囲と5,000  Thの質量範囲をカバーしています。MS 3までのタンデム質量分析機能も利用可能で、直接糖ペプチド分析、翻訳後修飾分析、分岐糖鎖構造解析など、包括的な構造解析を行うことができます。

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