Математическое моделирование движения ионов в масс-спектрометрах

• Автор: Позднеев, Александр Валерьевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 147 с. : ил.

Введение
Глава 1. Математическая модель частиц в ячейке для моделирования поведения ионов в ловушке массспектрометра 1.1. Устройство и принцип работы массспектрометра на основе ионноциклотронного резонанса с фурьепреобразованием сигнала .

1.2. Математическая постановка задачи.

1.3. Алгоритм численного моделирования

1.3.1. Общая схема алгоритма.

1.3.2. Схема интегрирования уравнений движения.

1.3.3. Интерполяция заряда и поля

1.3.4. Численное решение уравнений поля

1.3.5. Метод детектирования сигнала ионноциклотронного резонанса

1.3.6. Алгоритм учета влияния нейтрального газа

1.4. Выводы.

Глава 2. Комплекс параллельных программ для моделирования экспериментов по измерению масс с помощью массспектрометра
2.1. Архитектура системы моделирования масстспектрометра .
2.2. Алгоритм распараллеливания кода частиц в ячейке
2.2.1. Параллельная реализация алгоритма моделирования
движения ионов в массспсктрометре .
2.2.2. Параллельная реализация алгоритма расчета кулонов
ского поля.
2.3. Исследование масштабируемости кода на системе . .
2.3.1. Исследование ускорения кода при увеличении числа процессоров.
2.3.2. Исследование эффективности кода при увеличении размера задачи и числа процессоров.
2.4. Исследование масштабируемости на системе . .
2.4.1. Исследование масштабируемости в сильном смысле . .
2.4.2. Исследование масштабируемости в слабом смысле . 2.5. Выводы
Глава 3. Численное моделирование поведения ионов в ловушках массспектрометров
3.1. Исследование влияния кулоповских сил на массспектр
3.1.1. Исследование смещения спектральных пиков для ионов одной массы.
3.1.2. Исследование эффекта разрыва коалесценции ионных облаков с частицами двух близких масс
3.1.3. Поведение ионных облаков с частицами трех близких масс в реальной геометрии ловушки массспектрометра .
3.2. Исследование влияния напряженности магнитного поля на
эволюцию ионного облака в ловушке реальной геометрии. . . .1 3.3. Прямое сравнение результатов моделирования с экспериментом моделирование массспектра белка цитохром с
3.4. Исследование динамики ионного облака в накопительной
и транспортной линейных ионных ловушках.
3.5. Выводы.
Заключение
Список литературы


В орбитрэпах и массспектрометрах ионноциклотронного резонанса исходный сигнал это зависимость величины заряда, наведенного на детектирующих пластинах, от времени. В этом случае для получения массспектра сначала необходимо выполнить преобразование Фурье, чтобы получить фурьеспектр сигнала, а затем перейти от шкалы частот к шкале масс . Такой спектр является дискретным, и возникает проблема определения массы по пикам, для чего разрабатываются специальные методы . Высоту самого интенсивного пика обычно принимают за единицу и соответствующим образом нормируют весь спектр. Таким образом, пики на массспектре могут выражать относительное содержание ионов каждой массы . В массснектрометрии массы принято выражать в атомных единицах массы а. За одну атомную единицу массы принимают массы изотопа углерода С. Когда речь идет о биомолекулах вместо слов атомная единица массы, как правило, используют термин дальтбн Да. Массы больших молекул измеряют в кило 1 кДа 3 Да и мегадальтонах 1 МДа б Да. Итак, 1 а. Да 1,2 кг 3,,. Для безразмерной величины некоторые авторы используют наименование томсон 1,3,. В зависимости от метода ионизации ион может быть, например, положительным радикалом Мв, протонированным М Н или депротонированным ионом М Н . Поэтому массу электрона или протона нужно учитывать при нахождении массы молекулы по значениям тх из массспектра 2,3. Точность измерения массы отражает отличие между измеренным и действительным, или теоретическим, значениями. Как правило, точность рассматривается в применении к ионам, имеющим единичный заряд МН. Точность может быть определена как абсолютная погрешность измеренной массы если теоретическая масса иона М Н составляет га, а в эксперименте получена величина т6т, то точность равна 6т. Однако, говоря о точности, чаще подразумевают относительную погрешность, которая определяется как отношение абсолютной погрешности к значению т, которое принимается за истинное. Относительная погрешность является величиной безразмерной, и обычно выражается в миллионных долях ii, . Например, если теоретическая масса иона М Н равна Да, а измеренная масса оказалась равной ,2 Да, то абсолютная погрешность равна 0,2, и точность измерения массы составила 0,2 0 6, или 0 . В сверхточных измерениях относительную погрешность выражают также в миллиардных долях ii, . Разрешение выражает способность массспектрометра проводить измерение над ионами с близкими массами 3. Разные авторы определяют разрешение различными способами , но в массспектрометрии чаще пользуются определениями, предложенными А. Маршаллом . Разрешение i это ширина спектрального пика на половине его высоты Ла в частотной области и Дт5о на шкале масс. Аи для частот и тДт5о для масс . Среди прочего, высокое разрешение важно для возможности определения заряда иона по его изотопному кластеру. Например, изотопные пики иона М 4 Н с зарядом 1 отстоят друг от друга на 1,0 для иона МЧ2Н2 с зарядом эта величина составляет 0,5 для М 4 ЗН3 с зарядом и т. Следуя А. Маршаллу, рассмотрим последовательно принципы, положенные в основу работы массспектрометра I ,. Необходимо отметить, что все ионы с данной величиной тп вращаются с одной и той же частотой, которая не зависит от их скорости. Это означает, что ларморовская частота не связана с кинетической энергией иона, и, таким образом, кинетическая энергия не будет влиять на точность определения масс ,. Рассмотрим простейшую идеализированную модель регистрации сигнала от вращающегося иона. Пусть вдоль магнитного поля перпендикулярно оси у в точках с координатами у 2 расположены на расстоянии друг от друга две бесконечно протяженные проводящие пластины, и ион совершает свое циклотронное движение между ними. Тогда заряд , находящийся в точке у создает на этих электродах поверхностный заряд, и разность полных зарядов, индуцированных на пластинах, есть величина 2. Именно эта разность и детектируется в качестве наблюдаемого сигнала ,. Однако, в случае большого числа частиц их фазы положения на циклотронных окружностях будут случайными, и в среднем наблюдаемый сигнал будет равен нулю.