01.02.2021 - Skolkovo Institute of Science and Technology

Neue Ionenfalle soll das genaueste Massenspektrometer der Welt schaffen

Höhere Genauigkeit für biologische Proben und komplexe Mischungen

Massenspektrometer werden häufig zur Analyse hochkomplexer chemischer und biologischer Gemische eingesetzt. Skoltech-Wissenschaftler haben eine neue Version eines Massenspektrometers entwickelt, das Rotationsfrequenzen von ionisierten Molekülen in starken Magnetfeldern nutzt, um Massen mit höherer Genauigkeit zu messen (FT ICR). Das Team hat eine Ionenfalle konstruiert, die ein Höchstmaß an Auflösungsvermögen in ultrastarken Magnetfeldern gewährleistet.

Die Ionenfalle hat die Form eines Zylinders, der aus Elektroden besteht, in deren Inneren elektrische und magnetische Felder erzeugt werden. Aus den Rotationsfrequenzen der Ionen der Probe lassen sich die genauen Massen bestimmen. Die Elektroden müssen ein harmonisiertes Feld mit einer bestimmten Form erzeugen, damit die Ionen vorhersagbar rotieren. Eine Falle mit einem solchen Feld wird als Dynamisch Harmonisierte Zelle (DHC) bezeichnet.

Die DHC wurde 2011 von Evgeny Nikolaev erfunden, einem Professor am Skoltech Center for Computational and Data-Intensive Science and Engineering (CDISE). Obwohl das Feld der Zelle in Wirklichkeit hochkomplexer Natur und nicht harmonisiert ist, erscheint es für schnell rotierende Ionen im Magnetfeld aufgrund des Mittelungseffekts dennoch als harmonisiert, daher der Name der Zelle. Als bisher beste Falle in Bezug auf die Messgenauigkeit des Spektrums wurde die DHC weithin in Forschungs- und kommerziellen Massenspektrometern mit hohen Anforderungen an die Genauigkeit eingesetzt und in das stärkste Magnetfeld-Massenspektrometer im National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, FL, integriert.

Superstarke Magnete kosten zweistellige Millionenbeträge. Es wird angenommen, dass die Genauigkeit der Massenmessung linear mit der Magnetfeldstärke ansteigt, aber das ist nicht der Fall: In Wirklichkeit ist das Muster nichtlinear, und der Anstieg der Genauigkeit ist viel langsamer als erwartet.

Die Wissenschaftler vermuteten, dass die Nichtlinearität auftritt, weil das Vakuumniveau in der Zelle nicht ausreicht, egal wie fortschrittlich die Pumpen sind. Sie entwickelten eine Falle, bei der beide Enden offen sind, damit die Restgase leicht abgeführt werden können, und nannten sie die "Zick-Zack-Zelle".

"Im Moment stellt unser Labor die neue Zelle her, mit der wir in Experimenten überprüfen werden, ob unsere Annahmen und theoretischen Vorhersagen richtig sind. Wenn das der Fall ist, wird die Falle die lineare Beziehung zwischen der Messgenauigkeit des Massenspektrums und der Magnetfeldstärke wiederherstellen und so eine höhere Genauigkeit bei sehr hohen Werten der Magnetfeldstärke gewährleisten. Die Tatsache, dass die Genauigkeit mit zunehmender Magnetfeldstärke zunimmt, bedeutet, dass die Falle möglicherweise dazu beitragen wird, das genaueste Massenspektrometer überhaupt zu schaffen", sagt Anton Lioznov, Doktorand bei Skoltech.

Laut dem Leiter der Studie, Professor Evgeny Nikolaev, werden Massenspektrometer mit einer neuartigen Zelle eine höhere Genauigkeit für biologische Proben und komplexe Mischungen, wie z. B. Öl, gewährleisten, wo selbst bestehende Massenspektrometer dieses Typs mit dem DHC bis zu 400.000 Verbindungen nachweisen können.

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