Encoded Frequent Pushing™

Význam tématu

Duty Cycle je klíčovým faktorem ovlivňujícím citlivost časově-of-letové (TOF) hmotnostní spektrometrie s ortogonálním urychlovačem. Nízké využití vstupujícího iontového toku vede k výrazným ztrátám signálu. Metoda Encoded Frequent Pushing™ (EFP) představuje inovativní přístup ke zvýšení frekvence pulzů ortogonálního urychlovače bez systematických překryvů spekter a tím k výraznému zlepšení citlivosti při zachování vysokého rozlišení.

Cíle a přehled studie

Cílem práce bylo ukázat, jak EFP optimalizuje poměr doby plnění akcelerační zóny a doby letu (Tfill/TOF) u sklopené dráhy (Folded Flight Path®) MR-TOF hmotnostního analyzátoru. Studie demonstruje principy kódování pulzů, návrh dekódovacího algoritmu a aplikační výsledky získané na přístroji LECO Pegasus GC-HRT.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika EFP vychází z vícenásobného pulzování ortogonálního urychlovače s netriviálně se měnícími intervaly mezi jednotlivými pulzy. Díky unikátnímu časovému rozestupu Ti=TD·i(i–1)/2 nedochází k systematickým překryvům spekter. Dekódování využívá statistickou a logickou analýzu překryvů místo inverzních transformací, čímž se potlačují falešné signály. Analýza byla provedena na vysokorozlišovacím MR-TOF přístroji LECO Pegasus GC-HRT s FFP analyzátorem a elektronovým ionizačním zdrojem, provozovaném jak v režimu GC-HRT, tak v multidimenzionální GC×GC-HRT konfiguraci.

Hlavní výsledky a diskuse

Implementace EFP vedla k následujícím zjištěním:

• Sensitivita se zvýšila až desetinásobně díky nárůstu frekvence pulzů z ~2 kHz na ~20 kHz.
• Detekce stopových sloučenin v přítomnosti bohaté matrice se zlepšila, analýza nízkých izotopových abundancí byla spolehlivější.
• Dynamický rozsah se rozšířil na nízké koncentrace bez nasycení detektoru na vysokých úrovních díky redistribuci iontů podél dráhy letu.
• Elektrický i chemický šum byly dekódováním eliminovány, což vedlo k čistším spektrům a menší velikosti datových souborů.
• Maximální hmotnostní rozsah (10–1500 m/z) zůstal zachován i při zvýšené frekvenci pulzů.
• Statistika iontů v dekódovaných signálech zlepšila přesnost hmotnostního určení (MA~1/(R·√N)).

Limitací je možný pokles výkonu při extrémně složitých a vysoce obsazených spektrálních matricích bez dostatečné chromatografické separace.

Přínosy a praktické využití metody

• Výrazné zvýšení citlivosti analýzy OA-TOFMS.
• Rozšíření lineárního dynamického rozsahu směrem k nižším koncentracím.
• Potvrzené zachování širokého hmotnostního rozsahu během vysokorychlostních snímkování.
• Minimalizace šumu z elektrických a chemických zdrojů.
• Zlepšená hmotnostní přesnost zejména u nízkokoncentrovaných analytů.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se aplikace EFP na další typy TOFMS a časové-of-letové analyzátory s různými iontovými zdroji. Důraz bude kladen na vylepšení dekódovacích algoritmů pomocí strojového učení, integraci s módy MS/MS a využití v oblastech proteomiky, metabolomiky nebo environmentální analýzy. Kombinace EFP s multidimenzionální chromatografií (např. GC×GC) umožní spolehlivou analýzu velmi složitých a ultrakoncentrovaných vzorků.

Závěr

EFP představuje efektivní způsob zvýšení iontového využití a citlivosti u vysokorozlišovacích FFP TOF hmotnostních spektrometrů. Díky unikátnímu kódování pulzů a robustnímu dekódování nabízí širší dynamický rozsah, nižší šum i zachování hmotnostního rozsahu, což rozšiřuje analytické možnosti přístrojů LECO GC-HRT a GC×GC-HRT.

Reference

1. Guilhaus M., Selby D., Mlynski V. Orthogonal Acceleration Time-of-Flight Mass Spectrometry. Mass Spectrom. Rev. 2000, 19, 65–107.
2. Franzen J. High resolution method for using time-of-flight mass spectrometers with orthogonal ion injection. US Patent 6,861,645, 2003.
3. Kenny D., Wildgoose J. An Orthogonal Acceleration Time-of-Flight Mass Spectrometer. GB Patent 2,445,679, 2007.
4. Knorr F. Fourier Transform Time-of-Flight Mass Spectrometer. US Patent 4,707,602, 1985.
5. Brock A., Rodriguez N., Zare R. Time-of-Flight Mass Spectrometer and Ion Analysis. US Patent 6,300,626, 1999.
6. Belov M., Fancher C., Foley P. Multiplexed Orthogonal Time-of-Flight Mass Spectrometer. US Patent 6,900,431, 2003.
7. Verenchikov A. Electrostatic Mass Spectrometer with Encoded Frequent Pulses. US Patent 8,853,623, 2011.