Моделирование ионных ансамблей в задачах современной масс-спектрометрии с учетом кулоновского взаимодействия

• Автор: Копаев, Игорь Александрович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 113 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Моделирование стационарных распределений ионов в высокочастотных ловушках и ионопроводах
§1. Введение
§2. Математическая модель и вариационная постановка задачи
§3. Сведение задачи к конечномерной
§3.1. Специальное представление кулоновского потенциала в плоском случае
§ 3.2. Кубическая сплайновая аппроксимация гармоник потенциала в круге К
§ 4. Результаты численного моделирования
§4.1. Сравнение с аналитической моделью
§4.2. Примеры расчета высокочастотных систем транспортировки ионов
§ 4.3. Случай высокочастотных ловушек с учетом ОС-поля
§5. Возможные обобщения и выводы
§5.1. Возможности построения алгоритма для решения задачи в трехмерной постановке
§ 5.2. Выводы
Глава 3. Теоретические и программные аспекты моделирования эффектов пространственного заряда в коротких ионных пучках
§1. Введение
§2. Модифицированный метод Барнса-Хата древовидного упорядочения частиц в проблеме многих тел
§ 3. Расчет “зеркального” потенциала
§ 4. Обобщенный метод вариации начальных параметров на основе метода тау-вариаций
§ 5. Реализация алгоритмов расчета пространственного заряда в пакете -прикладных программ МА51М
§ 5.1. Численное решение тестовых задач
§ 5.1.1. Кулоновский потенциал и электрическое поле в статических тестовых задачах
§ 5.1.1.1. Изучение сходимости на примере сферического облака ионов
§ 5.1.1.2. Изучение сходимости на примере сферического облака ионов , окруженного сферическим электродом
§ 5.1.2. Кулоновский потенциал и электрическое поле в динамических тестовых задачах

§ 5.1.2.1. Моделирование кулоновской динамики заряженной сферы в свободном пространстве
§ 5.1.2.2 Моделирование кулоновской динамики заряженной сферы в проводящем кубе
§ 5.2. Распараллеливание и оптимизация вычислительного процесса
§ 6. Выводы
ГЛАВА 3. Моделирование многоотражательного времяпролетного масс-анализатора
§ 1.Введение
§ 2. Оптимизация потенциалов для многоотражательной ловушки
§ 3. Постановка эксперимента: инжекция ионов и их детектирование
§ 4. Математическое моделирование резонансных эффектов пространственного заряда
§ 4.1. Эффект самофокусировки в многоотражательной времяпролетной системе
§ 4.2. Эффект коалесценции в масс-анализаторе МЭ-
§ 5. Особенности процесса коалесценции в мультирефлектроне
§ 6. Коалесценция в случае протеиновой модели
§ 7. Выводы
Заключение
Список литературы
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение
По объему получаемой информации и чувствительности масс-спектрометрия находится вне конкуренции с другими методами анализа. В масс-спектре органических образцов могут регистрироваться одновременно сотни соединений, что позволяет провести анализ ткани с целью выявления патологии, в том числе онкологической, или обнаружения лекарственных и маркерных препаратов. Поэтому разработка масс-спектрометрических методик анализа образцов тканей в реальном масштабе времени является исключительно актуальной задачей.
Для ряда современных масс-спектрометрических низковакуумных и атмосферных методов ионизации, например, типа электроспрей [1, 2], MALDI [3] , химической ионизации [4] , фотоионизации [5], DART [6], или использующих ионизацию излучением лазерной плазмы [7], повышение чувствительности анализа является одной из приоритетных задач. Следствием высокой эффективность перечисленных методов ионизации является увеличение плотности заряженных частиц в масс-аналитических системах и необходимость учета кулоновских эффектов при их разработке. В связи с этим большое значение приобретает использование, с целью удержания заряженных частиц, высокочастотных (ВЧ) ионных ловушек и систем транспортировки ионов из области ионизации в рабочую область масс-анализатора. Одним из наиболее распространенных подходов является разделение функций накопления ионов и их анализа, которое впервые было реализовано путем концентрации ионов в трехмерной квадруполыюй ловушке с последующим импульсным вводом ионов во времяпролетный масс-анализатор [8, 9]. Накопление ионов также возможно в двумерных ВЧ-системах транспортировки [10].
Электродинамические высокочастотные ловушки и ионопроводы применяются также в масс-спектрометрах с преобразованием Фурье [11-13]. Преимуществом такого подхода является практически полное использование накопленных ионов и возможность их предварительной “подготовки” для более эффективного анализа. Важными условиями оптимальной работы ионной ловушки являются достаточная ионная емкость, отсутствие нежелательной фрагментации частиц и высокие ионно-оптические свойства выходного пучка. Разработка подобных приборов требует исследования движения ионов в ВЧ-полях с учетом краевых эффектов, объемного заряда пучка и столкновений ионов с буферным газом.
С другой стороны существует необходимость учета эффектов объемного заряда для нестационарных систем, например, типа “Рефлектрон” [14]. Для них характерен эффект,

Рассмотрим Ь сечений, подобных построенному выше для решения двумерной задачи, и введем аппроксимацию (в рассматриваемом случае линейную) для функционала (1.4).
<*{0} §[0) С №
1= 0 1= =1 1= ъ 2 1= И =
Рисунок 1.11 Илюстрация приближенной модели с последовательностью слоев
Экспоненциальная часть функционала 5о (1.8) в трехмерной постановке может быть представлена как
50= ЕЁо1^01 (1.41)
§'0} = // йг ехр drd0 (1.42)
сделав подстановку
?1= г^г (1.43)

и апроксимировав кулоновский потенциал линейной функцией
ср(я) + ф(г) = (1 - ^)А, + ^А,+1 (1.44)
На интервале я, 5 я 2 ят ,гдеА) = ф(я,) + ф(я,) и А1+1 = <р(г1+1) + ф(г1+1) Интегрирование по Ъ дает
(г,„_г|) ехрнл;^5|ехр{чя^т^ = Ь 0.45)
откуда экспоненциальная часть функционала 8о имеет вид