Trampa de iones digital

La trampa de iones digital (DIT) es una trampa de iones cuadrupolar accionada por señales digitales, generalmente en forma de onda rectangular, generadas mediante la conmutación rápida entre niveles discretos de voltaje de CC . La trampa de iones digital se ha desarrollado principalmente como analizador de masas.

Una trampa de iones digital (DIT) es una trampa de iones que tiene una forma de onda de atrapamiento generada por la conmutación rápida entre niveles discretos de alto voltaje. La sincronización de la conmutación de alto voltaje se controla con precisión mediante circuitos electrónicos digitales. El movimiento de iones en una trampa de iones cuadrupolar impulsada por una señal de onda rectangular fue estudiado teóricamente en la década de 1970 por Sheretov, EP ^{[ 1 ]} y Richards, JA ^{[ 2 ].} Sheretov ^{[ 3 ]} también implementó la excitación de forma de onda pulsada para la trampa de iones cuadrupolar que funciona en modo de inestabilidad selectiva de masa, aunque no se utilizó excitación/eyección de resonancia.

La idea fue revisada sustancialmente por Ding L. y Kumashiro S. en 1999, ^{[ 4 ] [ 5 ]} donde la estabilidad iónica en el campo cuadrupolar de onda rectangular se representó en el sistema de coordenadas a - q del espacio de Mathieu , con los parámetros a y q teniendo la misma definición que los parámetros de Mathieu normalmente utilizados al tratar con campos cuadrupolares impulsados ​​por RF sinusoidal . También se derivó la dependencia de la frecuencia secular de los parámetros a y q , sentando así las bases para muchos modos de operación modernos de trampas de iones basados ​​en la excitación por resonancia. ^{[ 6 ]}

Además, en 1999, Peter TA Reilly comenzó a atrapar y posteriormente ablacionar y analizar en masa los iones producto de nanopartículas obtenidas de gases de escape de automóviles con una trampa de iones 3D híbrida primitiva impulsada por onda cuadrada/onda sinusoidal. En 2001, Reilly asistió a la 49.ª Conferencia de la Sociedad Estadounidense de Espectrometría de Masas (ASMS) sobre Espectrometría de Masas y Temas Aplicados, donde presentó su trabajo de análisis de masas de nanopartículas ^{[ 7 ] [ 8 ]} y conoció a Li Ding por primera vez. En ese momento, Reilly le sugirió a Ding que deberían enfocar el DIT para el análisis en el rango de masas altas donde otros instrumentos no podían competir. Sin embargo, el trabajo publicado por Ding y Shimadzu en los años posteriores a la reunión de 2001 se centró en el desarrollo de DIT impulsados ​​por onda cuadrada en el rango de masas convencional de la instrumentación comercial. Durante este tiempo, Reilly comenzó a desarrollar formas de onda digitales para aumentar el rango de masas de los espectrómetros de masas basados ​​en cuadrupolos y trampas de iones que operan con formas de onda rectangulares. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}

Durante dieciocho años, el grupo Reilly contribuyó sustancialmente al desarrollo de la tecnología moderna de forma de onda digital (DWT), su implementación y caracterización, métodos de generación de forma de onda, ^{[ 22 ] [ 21 ]} y teoría general que incluye, pero no se limita a, diagramas de estabilidad, ^{[ 18 ]} el modelo de pseudopotencial , ^{[ 19 ]} y más recientemente la aceptación de cuadrupolo digital. ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} Paralelamente a los logros de Reilly, pero también trabajando de forma independiente, el grupo Ding en el Laboratorio de Investigación de Shimadzu continuó implementando su tecnología de accionamiento digital para una trampa de iones 3D. Finalmente, después de 18 años, Shimadzu presentó un espectrómetro de masas de trampa de iones 3D de sobremesa accionado por onda cuadrada MALDI que fue diseñado para trabajar en el rango de masas más alto en la conferencia ASMS 2019. La tecnología DIT también ha sido desarrollada e implementada en trampas de iones lineales y de cuadrupolo 3D por muchos otros grupos alrededor del mundo. ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]}

Para una trampa de iones cuadrupolar de tipo 3D, el movimiento de los iones bajo la influencia de una forma de onda digital (véase la figura de la derecha) se puede expresar en términos de los parámetros de atrapamiento convencionales:

${\displaystyle a_{z}=-{\frac {8eU}{mr_{0}^{2}\Omega ^{2}}}\qquad \qquad (1)\!}$

y

${\displaystyle q_{z}={\frac {4eV}{mr_{0}^{2}\Omega ^{2}}}.\qquad \qquad (2)\!}$

Aquí, Ω =2πf es la frecuencia angular de la forma de onda digital. Definiciones similares de la${\displaystyle a,q}$También se dieron en la literatura datos para la trampa de iones 2D (lineal). ^{[ 40 ]} Hay al menos dos postulados sobre la naturaleza del componente de CC . El primero, que se ha atribuido a Ding, supone para la DIT que el componente de CC , U, depende no solo del nivel medio de los voltajes de CA , V ₁ y V ₂ , sino también del ciclo de trabajo , d de la forma de onda:

${\displaystyle U=dV_{1}+(1-d)V_{2}}$

Por otro lado, el segundo postulado, más general, asume que no existe un componente de CC a menos que se añada explícitamente una tensión de CC a las formas de onda. Esta última interpretación se explica por el cambio en el diagrama de estabilidad que se produce cuando el ciclo de trabajo se aleja de d = 0,5. Cuando esto ocurre, el rango de valores estables de q y a para ambos ejes del cuadrupolo cambia. Estos cambios provocan que el movimiento de los iones se desplace más a lo largo de un eje que del otro. Este es, por consiguiente, el efecto de la polarización de CC .

Es importante conocer con precisión la estabilidad de los iones dentro del DIT. Por ejemplo, diferentes ciclos de trabajo de la forma de onda dan como resultado un límite de estabilidad diferente. Para el caso de una onda cuadrada, donde d = 0,5, el límite de la primera región de estabilidad cruza el${\displaystyle q_{z}}$eje en aproximadamente 0,712, que es menor que 0,908, el valor límite${\displaystyle q_{z}}$para una forma de onda sinusoidal. La estabilidad del movimiento de iones en un cuadrupolo accionado digitalmente se puede calcular a partir de las soluciones matriciales analíticas de la ecuación de Hill : ^{[ 41 ] [ 42 ]}

${\displaystyle \mathbf {V} (f_{n},\tau _{n})={\begin{bmatrix}cos(\tau _{n}{\sqrt {f_{n})}}&1/{\sqrt {f_{n}}}sin(\tau _{n}{\sqrt {f_{n}}}\\-{\sqrt {f_{n}}}sin(\tau _{n}{\sqrt {f_{n}}})&cos(\tau _{n}{\sqrt {f_{n}}})\end{bmatrix}}\qquad f_{n}>0\qquad \qquad \qquad (3a)}$

${\displaystyle \mathbf {V} (f_{n},\tau _{n})={\begin{bmatrix}cosh(\tau _{n}{\sqrt {-f_{n})}}&1/{\sqrt {-f_{n}}}sinh(\tau _{n}{\sqrt {-f_{n}}}\\{\sqrt {-f_{n}}}sinh(\tau _{n}{\sqrt {-f_{n}}})&cosh(\tau _{n}{\sqrt {-f_{n}}})\end{bmatrix}}\qquad f_{n}<0\qquad \qquad (3b)}$

Las soluciones analíticas se aplican a cualquier función periódica siempre que cada período,${\textstyle T}$puede representarse como una serie de n pasos de potencial constante${\textstyle T=\sum _ {1}^{n}t_ {n}}$Cada paso de potencial constante se representa en el espacio de Mathieu adimensional mediante el parámetro de potencial de forma de onda.${\textstyle f=a\pm 2q}$, donde q y a se definieron anteriormente por (1) y (2). El valor${\textstyle \tau _{n}=t_{n}\pi }$en (3) es el ancho temporal del escalón de potencial constante. En un sistema digital que se opera sin un desplazamiento de CC físico , el potencial de la forma de onda se reduce al valor${\textstyle \pm 2q}$El signo del parámetro dependerá del signo del potencial constante en cada paso, y la matriz apropiada dependerá del signo del parámetro. Dado que una forma de onda digital puede aproximarse como existente solo en estados alto y bajo (signo del potencial), la estabilidad de los iones, como demostró Brabeck, puede determinarse en tan solo dos o tres pasos de potencial constante. ^{[ 43 ]} En el caso simple pero frecuente de que un ciclo completo de una forma de onda digital pueda representarse mediante dos pasos de potencial constante, la matriz que representa el primer paso de potencial se multiplicaría por la matriz que representa el segundo paso de potencial. En el caso general, la matriz final de un ciclo de forma de onda definido por n pasos de potencial constante es:

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

La matriz (4) se conoce comúnmente como matriz de transferencia. Se utiliza para evaluar si un ion tendrá un movimiento estable. Si el valor absoluto de la traza de esta matriz es menor que 2, se dice que el ion tiene un movimiento estable. Un movimiento estable significa que la oscilación secular del ion tiene un desplazamiento máximo. Cuando el valor absoluto de la traza es mayor que 2, el movimiento del ion no es estable y su desplazamiento aumenta con cada oscilación secular.

Las trayectorias iónicas en un DIT lineal o 3D, así como en un filtro de masas digital, también pueden calcularse utilizando un procedimiento similar. ^{[ 27 ] [ 44 ]} A diferencia del cálculo de estabilidad, es ventajoso para fines de resolución y precisión representar cada período de la forma de onda con un número adecuado de pasos de voltaje constante. ^{[ 44 ] [ 29 ] [ 43 ]} La trayectoria para el paso de potencial constante,${\textstyle k}$, por ejemplo, se calcula mediante la multiplicación de la matriz apropiada (3) para ese paso sobre el vector de trayectoria del paso,${\textstyle k-1}$:

${\displaystyle {\binom {u_{k}}{{\dot {u}}_{k}}}=\mathbf {V} (f_{k},\tau _{k}){\binom {u_{k-1}}{{\dot {u}}_{k-1}}}\qquad \qquad (5)}$

Se puede generar un diagrama de estabilidad calculando la traza de la matriz para cada eje sobre un rango definido de valores q y a . El diagrama de estabilidad de una onda cuadrada es muy similar al del campo cuadrupolar armónico tradicional. Al tener el parámetro adicional d en la forma de onda, la trampa de iones digital puede realizar ciertos experimentos que no están disponibles en la trampa de iones de RF de onda armónica convencional . ^{[ 45 ] [ 20 ] [ 17 ] [ 31 ] [ 23 ]} Un ejemplo es el aislamiento de onda asimétrica digital, que es el método de usar un valor ad alrededor de 0,6 para estrechar el rango de masas para aislar un ion precursor. ^{[ 46 ] [ 47 ]}

El DIT es un instrumento versátil porque es capaz de operar a voltaje CA constante sin un desplazamiento CC para cualquier ciclo de trabajo y frecuencia imaginables. La frecuencia dinámica no impone un límite en el rango de masa. ^{[ 48 ]} El diagrama de estabilidad del espacio de Mathieu del DIT lineal y 3D cambia con el ciclo de trabajo. Cuando a = 0 habrá un rango finito de valores q estables para cada eje cuadrupolar que dependerá del ciclo de trabajo. La Fig. 3 (a) muestra un diagrama de estabilidad del espacio de Mathieu para el ciclo de trabajo d = 0,50 de un DIT lineal. La línea horizontal indica donde el parámetro a = 0. El rango de valores q completamente estables aparece donde esta línea pasa por la región coloreada en verde; va desde q = 0 hasta aproximadamente q = 0,7125 . Las áreas coloreadas en azul en la figura representan la estabilidad solo a lo largo del eje x . Las regiones coloreadas en amarillo representan la estabilidad solo a lo largo del eje y . Cuando el ciclo de trabajo aumenta a d = 0,60, el rango de valores q completamente estables disminuye (véase la figura 3 (b)), como lo indica la reducción del verde que interseca la línea horizontal. En esta representación, el rango total de valores q estables a lo largo del eje x , definido por la intersección de la línea que pasa por las regiones azul y verde, es mayor que el rango total de valores q estables a lo largo del eje y , definido por la intersección de la línea que pasa por las regiones amarilla y verde. En la figura 3 (b), la estabilidad general del DIT lineal en la dirección y es menor que en la dirección x . Si la frecuencia del DIT lineal disminuye para que un ion en particular tenga un valor q que corresponda al límite derecho de la región verde completamente estable, entonces se excitará y finalmente se eyectará en la dirección y. Este es el mecanismo fundamental que permite controlar la dirección de excitación de iones en un DIT lineal sin excitación resonante. ^{[ 25 ]}

El DIT y otros analizadores de masas digitales escanean iones mediante el escaneo de la frecuencia de la forma de onda de excitación. El voltaje de CA suele ser fijo durante el escaneo. Los dispositivos digitales utilizan un ciclo de trabajo que les permite operar de forma totalmente independiente de un voltaje de CC y sin excitación resonante. ^{[ 25 ]} Cuando el voltaje de CC es cero, el parámetro a también es cero.

En consecuencia, la estabilidad iónica dependerá de q . Con estas consideraciones, fue posible diseñar un nuevo tipo de diagrama de estabilidad más adecuado para la planificación y ejecución de experimentos. En 2014, Brabeck y Reilly crearon un diagrama de estabilidad que relaciona el rango de relaciones masa-carga estables, m/z, con el rango correspondiente de frecuencias de excitación, basándose en varias entradas del usuario. ^{[ 18 ]} Para un ciclo de trabajo determinado, el operador puede consultar rápidamente el rango de masas estables en cada frecuencia de un escaneo. La figura 4 (a) y (b) muestra el diagrama de estabilidad frecuencia- m/z para un DIT lineal con un ciclo de trabajo de d = 0,50 y d = 0,60 respectivamente. ^{[ 40 ]}

La frecuencia secular es el componente de frecuencia fundamental del movimiento iónico en el campo cuadrupolar impulsado por una señal periódica, y se suele elegir para la excitación resonante del movimiento iónico con el fin de lograr la eyección iónica y/o la activación de la energía iónica, lo que puede conducir a la disociación inducida por colisión. La frecuencia secular se escribe convencionalmente como:

${\displaystyle \omega _ {z}={\frac {1}{2}}\beta _ {z}\Omega \qquad \qquad (6)\!}$

Para la señal de conducción digital, Ding derivó la expresión de la frecuencia secular utilizando la teoría de la transformación matricial. ^{[ 49 ]}

${\displaystyle \omega _{z}={\frac {\Omega }{2\pi }}arccos{\frac {\phi _{11}+\phi _{22}}{2}}}$

Dónde  :${\displaystyle \phi _{11},\phi _{22}}$son dos elementos diagonales de la matriz de transformación del movimiento iónico. Para una onda cuadrada libre de CC (${\displaystyle a=0}$) la matriz de transformación puede expresarse utilizando el parámetro de estabilidad${\displaystyle q}$, de este modo:

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

Las fórmulas (6) y (7) dan una relación directa entre la frecuencia secular y los parámetros de la forma de onda de accionamiento digital (frecuencia y amplitud), sin utilizar el proceso iterativo que se necesita para una trampa de iones cuadrupolar accionada sinusoidalmente.

Normalmente, la profundidad del pozo de "potencial efectivo" o pozo de pseudopotencial se utiliza para estimar la energía cinética máxima de los iones que permanecen atrapados. Para DIT, esto también se derivó utilizando la aproximación de Dehmelt :

${\displaystyle D_{z}={\frac {{\pi }^{2}}{48}}q_{z}V\approx 0.206q_{z}V}$ [eV]

Inicialmente, la trampa de iones digital se construyó en forma de trampa de iones 3D, ^{[ 50 ]} donde la señal de excitación se alimentaba al electrodo anular de la trampa. En lugar de aumentar el voltaje de RF, en la DIT, la frecuencia de la señal de forma de onda rectangular se reduce durante un escaneo de masas hacia adelante. Esto evitó la ruptura por alto voltaje que establecía el límite superior de un escaneo de masas. El rango de masas de la DIT de hasta 18 000 Th se demostró mediante el uso de una fuente de iones MALDI atmosférica ^{[ 50 ]} y posteriormente se amplió para cubrir el m/z de un anticuerpo con carga simple a aproximadamente 900 000 Th por Koichi Tanaka et al. ^{[ 51 ]}

El circuito de conmutación MOSFET es responsable de proporcionar la señal de excitación de onda rectangular. El circuito de excitación del DIT es mucho más compacto que el generador de RF con circuito resonador LC utilizado en la trampa de iones de onda sinusoidal convencional. También ofrece la capacidad de arranque y terminación rápidos de la forma de onda, lo que permite la inyección y expulsión de iones con alta eficiencia. Un electrodo de ajuste de campo, ubicado junto a la tapa de entrada y polarizado con ciertos voltajes de CC, ayudó a lograr una buena resolución de masa tanto para escaneos de masa directos como inversos, así como para el aislamiento de precursores. Con un voltaje de atrapamiento de +/- 1 kV, se demostró un poder de resolución de escaneo con zoom de 19 000.

Muchas características nuevas para el análisis de masas en tándem se revelaron gradualmente mediante el uso de la trampa de iones digital. Los iones pueden ser eliminados selectivamente de la trampa de iones por eyección de límite simplemente variando el ciclo de trabajo de la forma de onda digital, en lugar de aplicar el voltaje de " CC de resolución " convencional. ^{[ 46 ]} Dado que se emplean formas de onda rectangulares en la DIT, los electrones pueden inyectarse en la trampa durante uno de los niveles de voltaje sin ser acelerados por el campo eléctrico variable . Esto permitió la disociación por captura de electrones , que necesita un haz de electrones de muy baja energía para interactuar con los iones atrapados, lograda en la trampa de iones digital, ^{[ 52 ]} sin la asistencia de un campo magnético.

También se desarrollaron otras formas de trampa de iones digital, incluyendo la trampa de iones lineal construida con placas de circuitos impresos ^{[ 30 ]} y la guía/trampa de iones lineal con estructura de varillas. ^{[ 31 ] [ 23 ]} Normalmente se utilizaban dos conjuntos de circuitos de conmutación para generar dos fases de forma de onda de pulso rectangular para dos pares de varillas en el caso de la trampa de iones digital lineal.

Hexin Instrument Co., Ltd (Guangzhou, China) comercializó en 2017 un espectrómetro de masas de trampa de iones portátil DT-100 para el monitoreo de COV . El espectrómetro de masas emplea una fuente de fotoionización VUV y una trampa de iones lineal digital como analizador de masas. Con un peso total de 13 kg y ^un  tamaño de 350 x 320 x 190  mm³ incluyendo la batería de litio recargable. La especificación incluye un rango de masas de 20–500 Th para MS y MS² ^, y una resolución de masas de 0,3 Th (FWHM) a 10⁶ Th .   

Shimadzu Corp. lanzó en 2019 el espectrómetro de masas de trampa de iones digital MALDI MALDImini-1. Con un tamaño similar al de una hoja A3 , este espectrómetro de masas MALDI abarca un impresionante rango de masas de hasta 70 000 Th y un rango de masas MS/ ⁿ de hasta 5000 Th . Dispone de una función de análisis de masas en tándem de hasta MS/ ³ , que permite a los investigadores realizar análisis estructurales exhaustivos, como el análisis directo de glicopéptidos , el análisis de modificaciones postraduccionales y el análisis estructural de glicanos ramificados .