RU2189086C2 - Macromolecule mass-spectrometer with cryogenic particle detector - Google Patents
Macromolecule mass-spectrometer with cryogenic particle detector Download PDFInfo
- Publication number
- RU2189086C2 RU2189086C2 RU97103189/09A RU97103189A RU2189086C2 RU 2189086 C2 RU2189086 C2 RU 2189086C2 RU 97103189/09 A RU97103189/09 A RU 97103189/09A RU 97103189 A RU97103189 A RU 97103189A RU 2189086 C2 RU2189086 C2 RU 2189086C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mass
- macromolecules
- mass spectrometer
- spectrometer according
- cryogenic
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к масс-спектрометру для макромолекул. The invention relates to a mass spectrometer for macromolecules.
Ранее в масс-спектрометрии успешно использовалась различная техника для испарения и ионизации биологических макромолекул: бомбардировка быстрыми атомами (FAB) [1] , ионизация пучками электрических частиц (ESI) [2, 3] и лазерная десорбция/ионизация кристаллической решетки (MALDI) [4-7]. В способе MALDI макромолекулы с низким уровнем концентрации внедряются в кристаллическую решетку материала с высокой фотонной абсорбцией. Когда происходит воздействие лазером высокой интенсивности, кристаллическая решетка быстро нагревается и превращается в плазму. В процессе испарения импульс передается к макромолекулам, которые впоследствии ионизируются в плазме. Поскольку плазма в кристаллической решетке остывает быстро, большинство макромолекул остаются целыми. Ранее в масс-спектрометрах масса этих ионизированных макромолекул определялась методом измерения времени пролета (TOF) [3, 7, 8] , методом Фурье - преобразования ионно-циклотронного резонанса (FT-ICR) [2, 5, 6], а также с помощью одно- или мультиквадрупольного метода фильтрации масс [9, 10]. Previously, various techniques for the evaporation and ionization of biological macromolecules were successfully used in mass spectrometry: fast atom bombardment (FAB) [1], electron beam ionization (ESI) [2, 3], and laser desorption / crystal lattice ionization (MALDI) [4 -7]. In the MALDI method, low concentration macromolecules are embedded in the crystal lattice of a material with high photon absorption. When exposure to a high-intensity laser occurs, the crystal lattice quickly heats up and turns into a plasma. In the process of evaporation, the pulse is transmitted to macromolecules, which are subsequently ionized in the plasma. Because the plasma in the crystal lattice cools quickly, most macromolecules remain intact. Earlier in mass spectrometers, the mass of these ionized macromolecules was determined by the method of measuring the time of flight (TOF) [3, 7, 8], by the Fourier method of transforming ion-cyclotron resonance (FT-ICR) [2, 5, 6], as well as using single- or multiquadrupole mass filtration method [9, 10].
Недостатком имеющихся детекторов ионизированных частиц, используемых в масс-спектрометрии макромолекул, является сильное уменьшение эффективности ионизации для крупных макромолекул из-за уменьшения скорости частиц [11, 12] . В имеющихся детекторах для масс-спектрометрии ускоренная макромолекула испускает электрон в момент соударения с детектором, который впоследствии усиливается при помощи электронного умножителя. Эффективность эмиссии вышеуказанного электрона зависит от скорости воздействующей частицы, которая мала для крупных макромолекул. Этот недостаток эффективности детектора может компенсироваться в масс-спектрометрах при помощи увеличения потока макромолекул, однако ценой уменьшения общей чувствительности системы. Обычно в вышеуказанных масс-спектрометрах обнаружение макромолекул с массой, большей чем 50000 А.Е.М., неэффективно. С помощью FT-ICR техники можно обнаруживать значительно большие массы, хотя ценой большего времени интеграции порядка одной секунды, исключая приложения, где требуется высокая производительность. A disadvantage of the available ionized particle detectors used in macromolecule mass spectrometry is a strong decrease in the ionization efficiency for large macromolecules due to a decrease in particle velocity [11, 12]. In existing detectors for mass spectrometry, an accelerated macromolecule emits an electron at the moment of collision with a detector, which is subsequently amplified by an electron multiplier. The emission efficiency of the above electron depends on the speed of the acting particle, which is small for large macromolecules. This lack of detector efficiency can be compensated for in mass spectrometers by increasing the flow of macromolecules, but at the cost of reducing the overall sensitivity of the system. Usually in the above mass spectrometers, the detection of macromolecules with a mass greater than 50,000 A.E.M. is ineffective. Using FT-ICR techniques, significantly larger masses can be detected, although at the cost of longer integration time of the order of one second, excluding applications where high performance is required.
Масс-спектрометрия используется в биологии при конструировании и определения белков при помощи измерения распределения массы белковых фрагментов [9, 13]. Масс-спектроскопия считается перспективной техникой для увеличения скорости и уменьшения стоимости конструирования молекул ДНК [2, 3, 5-8, 14]. Стандартной процедурой конструирования ДНК-последовательности является разделение кратных частей ДНК-фрагментов, приготовляемых согласно стратегии Maxam-Gilbert и Sanger, используя импульсный электрофорез геля [15, 16]. При такой технике ДНК-фрагменты разделяются по их длинам согласно их свойствам перемещаться в геле, к которому приложено электрическое поле. Пространственно разделенные полосы ДНК-фрагментов обычно записываются авторадиографической и флюоресцентной техникой. Mass spectrometry is used in biology in the design and determination of proteins by measuring the distribution of mass of protein fragments [9, 13]. Mass spectroscopy is considered a promising technique for increasing the speed and reducing the cost of constructing DNA molecules [2, 3, 5-8, 14]. The standard procedure for constructing a DNA sequence is to separate multiple parts of DNA fragments prepared according to the Maxam-Gilbert and Sanger strategies using pulsed gel electrophoresis [15, 16]. With this technique, DNA fragments are separated by their lengths according to their properties to move in a gel to which an electric field is applied. Spatially separated bands of DNA fragments are usually recorded by autoradiographic and fluorescence techniques.
Недостатком вышеизложенной техники электрофореза геля являются медленный темп упорядочения и слабое разрешение для очень больших ДНК-фрагментов. Недостатком масс-спектрометров для высокого темпа ДНК-упорядочения является низкая чувствительность ионизационного детектора ДНК-фрагментов, состоящих из более чем 100 оснований, делая недоступным увеличение темпа ДНК-упорядочения, которое возможно в масс-спектрометрии. A disadvantage of the above gel electrophoresis technique is the slow ordering rate and poor resolution for very large DNA fragments. The disadvantage of mass spectrometers for the high rate of DNA sequencing is the low sensitivity of the ionization detector of DNA fragments consisting of more than 100 bases, making it impossible to increase the rate of DNA sequencing, which is possible in mass spectrometry.
Краткое изложение изобретения
Предметом изобретения является масс-спектрометр для крупных макромолекул.SUMMARY OF THE INVENTION
The subject of the invention is a mass spectrometer for large macromolecules.
Далее предметом изобретения является прибор для измерения массы макромолекул с эффективным обнаружением независимой массы, т.е. позволяющий также измерять макромолекулы с очень большой массой. Further, the subject of the invention is a device for measuring the mass of macromolecules with effective detection of independent mass, i.e. also allowing to measure macromolecules with a very large mass.
Далее предметом изобретения является прибор для измерения массы макромолекул с эффективным обнаружением независимой массы, т.е. позволяющий также измерять макромолекулы в режиме подсчета единичной частицы. Further, the subject of the invention is a device for measuring the mass of macromolecules with effective detection of independent mass, i.e. also allowing to measure macromolecules in the mode of counting a single particle.
Далее предметом изобретения является прибор для измерения массы макромолекул с детекторной системой, имеющей как высокое временное, так и пространственное разрешение. Further, the subject of the invention is a device for measuring the mass of macromolecules with a detector system having both high temporal and spatial resolution.
Далее предметом изобретения является прибор, имеющий высокую производительность и высокую чувствительность к основной последовательности коротких и длинных ДНК-фрагментов. Further, the subject of the invention is a device having high performance and high sensitivity to the main sequence of short and long DNA fragments.
Далее предметом изобретения является прибор, имеющий высокую производительность и высокую чувствительность к аминокислоте и малым и большим белкам. Further, the subject of the invention is a device having high performance and high sensitivity to amino acids and small and large proteins.
Далее предметом изобретения является прибор, имеющий высокую производительность и высокую чувствительность определения малых и больших белков. Further, the subject of the invention is a device having high performance and high sensitivity for the determination of small and large proteins.
Далее предметом изобретения является прибор, имеющий высокую производительность и высокую чувствительность определения малых и больших полимеров. Further, the subject of the invention is a device having high performance and high sensitivity for the determination of small and large polymers.
Перечисленные возможности достигаются благодаря использованию фонон-чувствительного криогенного детектора частиц. В криогенном детекторе частиц поглощаемая кинетическая энергия ускоренных макромолекул преобразовывается в фононы (т. е. вибрация решетки детектора), которые преобразуются в электрические сигналы при помощи фононных сенсоров. Вышеуказанный фононный сенсор чувствителен только при криогенных температурах (т.е. температурах нескольких градусов Кельвина), где фон термических фононов незначителен. These capabilities are achieved through the use of a phonon-sensitive cryogenic particle detector. In a cryogenic particle detector, the absorbed kinetic energy of accelerated macromolecules is converted into phonons (i.e., vibration of the detector lattice), which are converted into electrical signals using phonon sensors. The above phonon sensor is sensitive only at cryogenic temperatures (i.e., temperatures of several degrees Kelvin), where the background of thermal phonons is negligible.
В соответствии с вышеизложенным и в дальнейшем предметом изобретения является одна из реализации прибора - масс-спектрометр для определения времени полета частиц, когда макромолекулы разделяются по зависящей от массы скорости, которая пропорциональна квадратному корню из m, где m обозначает массу макромолекулы. Для одного времени эмиссии более тяжелые макромолекулы достигают детектора позднее, чем более легкие макромолекулы. Вышеуказанные криогенные детекторы частиц определяют время поступления макромолекулы на детектор в режиме подсчета одиночной частицы. Кинетическая энергия всех ускоренных макромолекул одинакова. In accordance with the foregoing and in the following, the subject of the invention is one of the implementations of the device - a mass spectrometer for determining the flight time of particles, when the macromolecules are separated by a mass-dependent velocity, which is proportional to the square root of m, where m denotes the mass of the macromolecule. For one emission time, heavier macromolecules reach the detector later than lighter macromolecules. The above cryogenic particle detectors determine the time the macromolecule arrives at the detector in the single particle counting mode. The kinetic energy of all accelerated macromolecules is the same.
В другой реализации единичные или мультиквадропульные масс-спектрометры разделяют и анализируют массу макромолекул при помощи квадропульного метода фильтрации, при котором криогенный детектор частиц измеряет появившиеся макромолекулы. При такой реализации требуется очень малое количество макромолекул, т. к. используется вышеуказанный криогенный детектор частиц в режиме подсчета одиночной частицы. In another implementation, single or multiquadropule mass spectrometers separate and analyze the mass of macromolecules using the quadropule filtration method, in which a cryogenic particle detector measures the emerging macromolecules. Such an implementation requires a very small number of macromolecules, because the above cryogenic particle detector is used in the single-particle counting mode.
В другой реализации макромолекулы пространственно разделяются при помощи постоянного магнитного поля в соответствии с их коэффициентом отношения массы к заряду, последовательно ускоряются и затем определяются детектором криогенных частиц. In another implementation, the macromolecules are spatially separated by a constant magnetic field in accordance with their mass-to-charge ratio, are sequentially accelerated, and then determined by a cryogenic particle detector.
В другой реализации макромолекулы десорбируются в порядке следования импульсов, пространственно разделяются при помощи постоянного магнитного поля в соответствии с их коэффициентом отношения массы к заряду, последовательно ускоряются и затем определяются детектором криогенных частиц с пространственным и временным разрешением. Исходя из пространственной и временной информации о макромолекуле и знания структуры эмиссии, время эмиссии макромолекулы может быть восстановлено и определена масса на основании времени полета частиц. Это приводит к параллельным действиям масс-спектрометра с высокой чувствительностью и производительностью. In another implementation, the macromolecules are desorbed in the order of the pulses, spatially separated by a constant magnetic field in accordance with their mass-to-charge ratio, accelerated sequentially, and then detected by a cryogenic particle detector with spatial and temporal resolution. Based on spatial and temporal information about the macromolecule and knowledge of the emission structure, the emission time of the macromolecule can be restored and mass determined on the basis of the flight time of the particles. This leads to parallel actions of the mass spectrometer with high sensitivity and performance.
В соответствии с вышеизложенным и в дальнейшем предметом изобретения является одна из реализаций криогенного детектора частиц, использующего кристаллическую подложку как абсорбентов, так и сверхпроводящие туннельные переходы, действующие в Giaever-режиме, фононных сенсоров. В другой реализации вышеуказанного криогенного детектора частиц, сверхпроводимость туннельных переходов Giaever-типа используется как в абсорбентах, так и в фононных сенсорах. In accordance with the foregoing and further subject of the invention is one of the implementations of a cryogenic particle detector using a crystalline substrate of both absorbents and superconducting tunnel junctions operating in the Giaever mode of phonon sensors. In another implementation of the above cryogenic particle detector, the superconductivity of the Giaever-type tunnel junctions is used in both absorbents and phonon sensors.
В другой реализации вышеуказанного криогенного детектора частиц фононная чувствительность туннельных переходов Giaever-типа расширяется при помощи осаждения сверхпроводящего туннельного перехода на поверхность большой области сверхпроводящей пленки, которая имеет сверхпроводящий энергетический промежуток, больший, чем соответствующая пленка, для того чтобы использовать эффект ловушки квазичастиц. In another implementation of the aforementioned cryogenic particle detector, the phonon sensitivity of the Giaever-type tunnel junctions is expanded by depositing a superconducting tunnel junction onto the surface of a large region of the superconducting film that has a superconducting energy gap larger than the corresponding film in order to exploit the quasiparticle trap effect.
В другой реализации вышеуказанного криогенного детектора частиц кристаллический поглотитель покрывается сверхпроводником по краям фононных сенсоров. In another implementation of the above cryogenic particle detector, the crystal absorber is coated with a superconductor at the edges of the phonon sensors.
В другой реализации вышеуказанного криогенного детектора частиц используются микрокаллориметры, состоящие из кристаллического поглотителя с низкой теплоемкостью и высокой терморезисторной чувствительностью, как фононный сенсор. In another implementation of the above cryogenic particle detector, microcalorimeters are used, consisting of a crystalline absorber with low heat capacity and high thermistor sensitivity, like a phonon sensor.
В другой реализации вышеуказанного криогенного детектора частиц используются микрокаллориметры, состоящие из кристаллического поглотителя с низкой теплоемкостью и высокочувствительными кинетическими термометрами в качестве фононных сенсоров. In another implementation of the aforementioned cryogenic particle detector, microcalorimeters are used, consisting of a crystalline absorber with low heat capacity and highly sensitive kinetic thermometers as phonon sensors.
В другой реализации вышеуказанного криогенного детектора частиц используются микрокаллориметры, где кристаллический поглотитель и термический фононный сенсор идентичны. In another implementation of the above cryogenic particle detector, microcalorimeters are used where the crystal absorber and the thermal phonon sensor are identical.
В другой реализации вышеуказанного криогенного детектора частиц кристаллический поглотитель покрывается сверхпроводниковыми гранулами, которые при сверхнизких температурах используются как фононные сенсоры. In another implementation of the aforementioned cryogenic particle detector, the crystal absorber is coated with superconducting granules, which are used as phonon sensors at ultra-low temperatures.
В другой реализации вышеуказанного криогенного детектора частиц кристаллический поглотитель покрывается сверхпроводниковыми гранулами, которые используются как поглотители и фононные сенсоры. In another implementation of the above cryogenic particle detector, the crystal absorber is coated with superconducting granules that are used as absorbers and phonon sensors.
Из вышеизложенного можно понять, что масс-спектрометр, являющийся предметом изобретения, имеет несколько преимуществ:
1) он позволяет определять массу макромолекулы независимо от ее массы, т.е. также очень крупных макромолекул;
2) позволяет определять массу макромолекулы в режиме подсчета одиночной частицы, т.е. включая очень высокую чувствительность;
3) тонко-пленочную технологию для производства фононных сенсоров, принимая во внимание высокое пространственное разрешение криогенного детектора, т. е. высокая производительность возможна за счет пространственного разделения макромолекулярных потоков и производства параллельных во времени измерений;
4) чувствительность и производительность определения ДНК-последовательностей может быть улучшена на несколько порядков;
5) чувствительность и производительность определения белковых последовательностей может быть улучшена на несколько порядков;
6) чувствительность и производительность определения белков может быть улучшена на несколько порядков;
7) чувствительность и производительность определения полимеров может быть улучшена на несколько порядков.From the foregoing, it can be understood that the mass spectrometer, which is the subject of the invention, has several advantages:
1) it allows you to determine the mass of a macromolecule regardless of its mass, i.e. also very large macromolecules;
2) allows you to determine the mass of the macromolecule in the mode of counting a single particle, i.e. including very high sensitivity;
3) thin-film technology for the production of phonon sensors, taking into account the high spatial resolution of the cryogenic detector, that is, high performance is possible due to the spatial separation of macromolecular flows and the production of measurements parallel in time;
4) the sensitivity and performance of determining DNA sequences can be improved by several orders of magnitude;
5) the sensitivity and performance of determining protein sequences can be improved by several orders of magnitude;
6) the sensitivity and performance of protein determination can be improved by several orders of magnitude;
7) the sensitivity and performance of the determination of polymers can be improved by several orders of magnitude.
Краткое описание чертежей
В соответствии с вышеизложенным и в дальнейшем предмет изобретения будет пониматься и детально описываться со ссылками на сопутствующие чертежи, на которых
на фиг.1 показано схематическое представление фононного криогенного детектора частиц;
на фиг. 2 схематически представлена электрическая схема фононного криогенного детектора частиц по фиг.1;
на фиг.3 схематически представлено изобретение, использующее одноканальный криогенный детектор частиц, такой же, как в MULDI-TOF масс-спектрометре;
на фиг.4 - схематическое представление механической заслонки (прерывателя) как в MULDI-TOF масс-спектрометре по фиг.3;
на фиг. 5 - синхронизация лазерного тригера и механической заслонки (прерывателя) по фиг.4;
на фиг. 6 - синхронизация в случае трех макромолекул для реализации, представленной на фиг.3 и 4;
на фиг.7 - схематическое представление пространственной области криогенного детектора частиц, в которой макромолекулы поглощаются непосредственно фононным сенсором;
на фиг.8 схематически представлена альтернативная реализация криогенного детектора частиц, в котором макромолекулы поглощаются подложкой и опосредованно влияют на сенсор;
на фиг.9 схематически представлена альтернативная фиг.8 реализация криогенного детектора частиц, в котором фононный сенсор представляет из себя улавливающий слой как сверхпроводящий туннельный переход;
на фиг.10 представлены расчетные траектории макромолекул различной массы при альтернативной реализации с использованием многоэлементного криогенного детектора;
на фиг. 11 схематически представлен масс-спектрометр, который обеспечивает траектории макромолекул, изображенные на фиг.10; разделение макромолекул по массе происходит под действием постоянного магнитного поля и определяется с использованием многоэлементного криогенного детектора;
на фиг. 12 представлены результаты расчета, иллюстрирующие зависимость мощности пространственного разрешения от ускоряющего напряжения для реализации на фиг.11;
на фиг. 13 представлены результаты расчета, иллюстрирующие зависимость пространственного разделения массы от молекулярного веса макромолекул по фиг.11;
на фиг. 14 представлены результаты расчета, иллюстрирующие зависимость разрешающей способности при разделении массы от молекулярного веса макромолекул по фиг.11;
на фиг. 15 представлены результаты расчета, иллюстрирующие зависимость напряженности магнитного поля от ускоряющего напряжения для определения макромолекул, согласно воплощению по фиг.11 в соответствии с различием по массам по фиг.10;
на фиг. 16 представлены результаты расчета, иллюстрирующие зависимость пост-ускоряющего напряжения от начального ускоряющего напряжения для определения макромолекул по фиг.11 и согласно фиг.10;
на фиг.17 представлены результаты расчета, по методу Монте-Карло иллюстрирующие разрешающую способность предлагаемого оборудования по фиг.7, 8 или 9, использованные в воплощении по фиг.11;
на фиг.18 представлены результаты расчета, по методу Монте-Карло иллюстрирующие разрешающую способность при определении массы, как определено по фиг.17;
на фиг.19 - импульсный режим работы, воплощение по фиг.11;
на фиг.20 представлены результаты расчета, по методу Монте-Карло иллюстрирующие время пробега частиц, по воплощениям, изображенным на фиг.7, 8 или 9, использующие воплощение по фиг.11;
на фиг.21 представлены результаты расчета, по методу Монте-Карло иллюстрирующие возможность определения массы частиц с учетом фиг.20;
на фиг. 22 представлены результаты расчета, иллюстрирующие зависимость эффективности определения массы частиц в зависимости от импульсного режима эмиссии, показанного на фиг.19 и 11;
на фиг. 23 представлены результаты расчета, иллюстрирующие зависимость эффективности определения массы частиц с помощью пространственного криогенного детектора, показанного на фиг.11;
на фиг. 24 представлены результаты расчета, иллюстрирующие зависимость эффективности определения массы частиц при использовании импульсного режима эмиссии, представленного на фиг.19;
на фиг.25 схематически представлен образец, используемый для определения ДНК-последовательности в масс-спектрометре, изображенном на фиг.11.Brief Description of the Drawings
In accordance with the foregoing and in the future, the subject of the invention will be understood and described in detail with reference to the accompanying drawings, in which
figure 1 shows a schematic representation of a phonon cryogenic particle detector;
in FIG. 2 schematically shows an electrical circuit of a phonon cryogenic particle detector of FIG. 1;
figure 3 schematically shows an invention using a single-channel cryogenic particle detector, the same as in a MULDI-TOF mass spectrometer;
figure 4 is a schematic representation of a mechanical damper (chopper) as in the MULDI-TOF mass spectrometer of figure 3;
in FIG. 5 - synchronization of the laser trigger and the mechanical damper (chopper) of FIG. 4;
in FIG. 6 shows synchronization in the case of three macromolecules for the implementation shown in FIGS. 3 and 4;
7 is a schematic representation of the spatial region of a cryogenic particle detector in which macromolecules are absorbed directly by the phonon sensor;
on Fig schematically presents an alternative implementation of a cryogenic particle detector in which macromolecules are absorbed by the substrate and indirectly affect the sensor;
Fig. 9 schematically shows an alternative to Fig. 8 an implementation of a cryogenic particle detector in which the phonon sensor is a capture layer as a superconducting tunnel junction;
figure 10 presents the calculated trajectory of macromolecules of different masses with an alternative implementation using a multi-element cryogenic detector;
in FIG. 11 is a schematic representation of a mass spectrometer that provides the paths of the macromolecules shown in FIG. 10; the separation of macromolecules by mass occurs under the influence of a constant magnetic field and is determined using a multi-element cryogenic detector;
in FIG. 12 is a calculation result illustrating the dependence of spatial resolution power on accelerating voltage for implementation in FIG. 11;
in FIG. 13 presents calculation results illustrating the dependence of the spatial separation of mass on the molecular weight of the macromolecules of FIG. 11;
in FIG. 14 presents calculation results illustrating the dependence of resolution upon separation of mass on the molecular weight of the macromolecules of FIG. 11;
in FIG. 15 presents calculation results illustrating the dependence of the magnetic field on the accelerating voltage for determining macromolecules, according to the embodiment of FIG. 11 in accordance with the mass difference of FIG. 10;
in FIG. 16 presents calculation results illustrating the dependence of the post-accelerating voltage on the initial accelerating voltage for determining the macromolecules of FIG. 11 and FIG. 10;
on Fig presents the results of the calculation, according to the Monte Carlo method illustrating the resolution of the proposed equipment of Fig.7, 8 or 9, used in the embodiment of Fig.11;
on Fig presents the results of the calculation, according to the Monte Carlo method illustrating the resolution in determining mass, as determined in Fig;
Fig.19 is a pulse mode of operation, the embodiment of Fig.11;
on Fig presents the results of the calculation, according to the Monte Carlo method illustrating the travel time of particles, according to the embodiments depicted in Fig.7, 8 or 9, using the embodiment of Fig.11;
on Fig presents the results of the calculation, according to the Monte Carlo method, illustrating the possibility of determining the mass of particles based on Fig;
in FIG. 22 shows the calculation results illustrating the dependence of the particle mass determination efficiency depending on the pulsed emission mode shown in FIGS. 19 and 11;
in FIG. 23 shows the calculation results illustrating the dependence of the particle mass determination efficiency using the spatial cryogenic detector shown in FIG. 11;
in FIG. 24 shows the calculation results illustrating the dependence of the particle mass determination efficiency using the pulsed emission mode shown in FIG. 19;
on Fig schematically presents a sample used to determine the DNA sequence in the mass spectrometer shown in Fig.11.
Детальное описание
Схема криогенного детектора частиц, представленная на фиг.1, содержит поглотитель частиц, обозначенный цифрой 1, на котором размещается детектор фононов 2. В реализации, представленной на фиг.1, этот датчик фононов представляет из себя сверхпроводящий туннельный переход, состоящий из верхнего слоя 3 толщиной около 100 нм, разделительной оксидной прослойки 4 в несколько нм и нижнего слоя 5 толщиной около 100 нм. Сверхпроводящий туннельный переход хорошо известен, как фотонный детектор q-частиц и рентгеновских лучей [17-20]. Имеются другие реализации криогенного фононного детектора [19]: сверхпроводящие переходные термометры, близкие к полупроводниковым термисторам, закрывающимся при критической температуре Тc, сверхпроводящие кинетические индукционные термометры и сверхпроводящие перегреваемые гранульные и точечные. В основном требуется, чтобы фононные сенсоры были чувствительны к энергии воздействия около 10 Кэв и времени воздействия не более 100 нсек. Криогенные детекторы частиц работают при температурах нескольких градусов Кельвина, где фон термически возбужденных фононов пренебрежимо мал. Принцип действия фонон-чувствительного криогенного детектора частиц в масс-спектрометрии макромолекул следующий (см. на фиг.1.). Макромолекула 6, которая ускоряется до кинетической энергии порядка 10 Кэв за счет электрического поля масс-спектрометра, порождает фононы 7. Фононы проходят сквозь поглотитель частиц 1 и в конечном итоге преобразуются в фононном сенсоре в электрический сигнал. Чувствительность криогенных детекторов частиц к поглощаемым ионизированным частицам с энергией в несколько Кэв показана в [21] другими авторами [19] . Новизной предлагаемого изобретения является возможность использования криогенных детекторов частиц в масс-спектрометрии макромолекул. Криогенный детектор частиц, представленный на фиг.1, обладает уникальным свойством определять не только ионизированные частицы, но и определять с такой же или даже большей чувствительностью неионизированные частицы, передавая кинетическую энергию к кристаллической решетке поглотителя частиц. Эффективность захвата фононов увеличивается при внедрении в глубь подложки, к примеру, монокристалла кремния на глубину порядка 10 мкм, для того чтобы локализовать плотность фононов в окрестности фононного сенсора.Detailed description
The cryogenic particle detector circuit shown in FIG. 1 contains a particle absorber, indicated by the
На фиг.2 показана электронная схема, в которой в качестве фононного сенсора использован сверхпроводящий туннельный переход. Фононы 7, возникшие за счет абсорбции макромолекул 6, распространяются сквозь абсорбер 1, в который входят сверхпроводящие слои 3 и 5. Фононы с энергией, большей, чем Cooper-пара, разбивают Cooper-пару и производят избыточные квазичастицы (электрический сигнал возбужденного состояния в сверхпроводнике). Два сверхпроводных слоя 3 и 5 находятся на разных энергетических уровнях, что приводит к изменению тока i, который поддерживается источником 8. Поток избыточных квазичастиц проходит через изолирующий слой 4. Так как фононы 7 и связанные с ними избыточные квазичастицы разрушаются за время порядка нескольких мксек, то поток избыточных квазичастиц di будет двигаться через конденсатор 9. С изменением чувствительности предусилителя, который состоит из операционного усилителя 10, конденсатора 11 и сопротивления 12, поток избыточных квазичастиц di интегрируется, и изменения будут пропорциональны числу фононов 7, абсорбированных детектором фононов 2. К сожалению, макромолекулы также могут быть абсорбированы детектором фононов и вызвать сигнал, который будет противоположен сигналу криогенного детектора фононов. Figure 2 shows an electronic circuit in which a superconducting tunnel junction is used as a phonon sensor.
На фиг.3 показана реализация макромолекулярного масс-спектрометра с криогенным детектором частиц, использующим в основном технологию MALDI-TOF. В камере 13 турбонасосом системы 14 создается вакуум около 10-8 мБар, который контролируется вакуумной измерительной системой 15. Криостат 16 с криогенным детектором частиц 17 присоединен к холодной трубке, связанной с вакуумным приемником 13 через элемент 18. Поток макромолекул 19 проходит в вакуумном приемнике 13 холодную область, попадает в криостат 16 в виде серии небольших порций 20 в холодных областях криостата. Поток макромолекул 19 производится с помощью выбросов макромолекул из образца 21 за счет высоковольтного устройства 22, которое связано с высоковольтным источником мощности 23 и при помощи облучения лазерным потоком 29, исходящим из лазерного источника 24. Лазер может быть типа UV-лазер или инфракрасный лазер. Лазерный луч 29, выходящий от лазерного источника 24, разделяется с помощью делителя 25. Одна часть луча используется для измерения мощности лазера с помощью измерителя 26, а другая часть направляется в вакуумный приемник 13 через окно 27. В вакуумном приемнике лазерный луч 29 направляется на образец 21 с помощью зеркала 28. Проба содержит кристаллическую решетку светочувствительного кристаллораствора (например, цианистая кислота или -циано-4-гидрокси-цианистая кислота [12] ), в котором макромолекулы растворены в соотношении 104:1. Мощность лазера, обычно несколько МДж/нсек, поглощается решеткой, которая разрывается и разворачивается, превращаясь в электрическую плазму. Расширение атомной решетки передает импульс макромолекулам, которые испаряются и впоследствии заряжаются в зависимости от характеристик плазмы. Благодаря электрическому полю в вакуумном приемнике, для создания которого ток подается по высоковольтному щупу 22, макромолекулы заряжаются таким же зарядом, как и на щупе. Затем макромолекулы ускоряются в направлении к передающей трубке 32, в криостате 16 проходят охлаждающий клапан 20 и достигают криогенный детектор частиц 17. Разность по времени между запуском лазерного импульса и прибытием сигнала на криогенный детектор частиц характеризует массу макромолекулы. Так как криогенный детектор частиц - очень чувствительное устройство, то свет и остаточный поток макромолекул не должны попадать в криостат. Для предотвращения этого на входе передающей трубки 32 устанавливается механический заслон 30. В одной из реализаций заслона имеется мотор 31, который вращает диск с прорезью. Так же имеется световой диод, световая детекторная система 33 и электронная управляющая система 35, определяющая положение прорези и посылающая синхронизирующий сигнал 36 лазеру 24.Figure 3 shows the implementation of a macromolecular mass spectrometer with a cryogenic particle detector, using mainly MALDI-TOF technology. A vacuum of about 10 -8 mbar is created in the
На фиг.4 представлена практическая реализация такого механического заслона: мотор 38 вращает диск 37 с прорезью на угол alfa (обычно 5-10o) и частотой вращения f (обычно 50-100 Гц). Положение вращающейся прорези контролируется преобразователем 39. Ускоренные макромолекулы 41 от источника 21 будут попадать в трубку 40, которая связывает вакуумный приемник с креостатом, только когда прорезь 37 находится напротив входа трубки. При правильно выбранной синхронизации работы лазера и заслона на криогенный детектор частиц 17 попадут только определенной величины макромолекулы. Как показано на фиг.5, электронная управляющая система механического заслона должна быть такой, чтобы сигнал тригера tlaser поступал к лазеру за интервал времени Δ tlaser до открытия заслона 37 у трубки 40. Детектор настраивается на определенный диапазон молекулярных масс в зависимости от угла alfa на диске заслона и скорости вращения f диска. На фиг.6 показаны временные интервалы включения заслона для движения макромолекул до детектора для установки по фиг. 3. Так как кинетическая энергия пропорциональна mv2, где m - масса, v - скорость макромолекулы, то время пролета пропорционально m1/2. Заштрихованная область на фиг.6, определяющая временной период 10 мксек в этом примере, связана с диапазоном макромолекулярных масс, которые не достигают детектора.Figure 4 shows the practical implementation of such a mechanical barrier: the
Для увеличения эффективности в другой реализации изобретения используется криогенно-детекторная матрица, позволяющая определить время взаимодействия и точку контакта ускоренной макромолекулы с поверхностью детектора. Так как многие реализации криогенных детекторов используют пленочное покрытие и литографическую технику, то мелкомасштабная структура покрытия, порядка милимикрон, будет обеспечивать пространственное разрешение для определения позиции контакта. Такая реализация изобретения является предпочтительной. Макромолекулы пространственно разделяются в магнитном поле в соответствии с их удельным зарядом, а масса исходя из позиции столкновения макромолекулы с криогенно-детекторной матрицей. Если использовать другой вариант реализации изобретения с применением импульсной эмиссионной техники, то масс-спектрометр становится высоко-параллельным инструментом, позволяющий одновременно определять широкий диапазон масс за короткое время в несколько мксек. Такая реализация криогенно-детекторной матрицы представляется впервые и будет детально обсуждаться в дальнейшем. To increase the efficiency in another implementation of the invention, a cryogenic detector matrix is used, which allows determining the interaction time and the contact point of the accelerated macromolecule with the surface of the detector. Since many implementations of cryogenic detectors use film coating and lithographic techniques, the small-scale coating structure, of the order of microns, will provide spatial resolution to determine the contact position. Such an implementation of the invention is preferred. Macromolecules are spatially separated in a magnetic field in accordance with their specific charge, and the mass is based on the position of the collision of the macromolecule with a cryogenic detector matrix. If you use another embodiment of the invention using pulsed emission technology, the mass spectrometer becomes a highly parallel instrument that allows you to simultaneously determine a wide range of masses in a short time of several microseconds. Such an implementation of the cryogenic detector matrix is presented for the first time and will be discussed in detail later.
Криогенно-детекторная матрица (Cryogenic Detector Array), (CDA), используемая в изобретении, состоит из N фононных сенсоров 43 D1...DN с электронными каналами 45, расположенными на подложке 42 (см. фиг.7-9). В реализации многоэлементного криогенного детектора, показанной на фиг.7, ускоренные макромолекулы 46 абсорбируются непосредственно фононным сенсором 43, в котором образуются фононы 47 и сразу же преобразуются в электрический сигнал. Преимуществом этой реализации является высокая эффективность преобразования фонон - заряд и быстрота обработки сигнала. Однако фононный сенсор с большой поверхностью, которая требуется, технологически трудно изготовить (например, в случае сверхпроводящего туннельного проводника). Альтернативой вышеописанной реализации будет использование большого числа фононных сенсоров небольшого размера, к которым, однако, будет подводиться большое число электронных каналов. Следовательно, реализация криогенно-детекторной матрицы по фиг.8 предпочтительнее ранее описанной. Ускоренные макромолекулы 46 поглощаются поглотителем частиц, производят фотоны 47, которые распространяются сквозь поглотитель и преобразуются в электронные сигналы фононным сенсором 43. Когда используется чистый одиночный кристалл, например, кристалл кремния, то фононы распространяются баллистически на большое расстояние и будут фиксироваться более чем одним фононным сенсором. В вышеописанной реализации в качестве фононных сенсоров используются сверхпроводящие туннельные переходы, в которых электронный сигнал пропорционален числу абсорбированных фононов и высота импульса пропорциональна расстоянию между туннельными переходами. Следовательно, точное определение точки абсорбции макромолекулы может быть произведено при помощи расчета центроида при другой высоте импульса. Альтернативой вышеописанной реализации по фиг.8 будет реализация, показанная на фиг.9, в которой дополнительный сверхпроводящий слой 44 располагается над сверхпроводящим туннельным переходом. Материал этого сверхпроводящего слоя выбирается таким, чтобы энергетический порог Δ сверхпроводящего слоя был бы больше, чем порог соответствующего перехода, для того чтобы произошел захват квазичастиц [22]. Квазичастицы, возникающие под воздействием фононов 47, будут распространяться в сверхпроводящем слое 44 за счет диффузии и в конце концов проникнут в нижний слой сверхпроводящего туннельного перехода (см. фиг. 1). Затем они будут проникать сквозь оксидную перегородку и производить детекторный сигнал, как описано выше. Реализация по фиг.9 улучшает эффективность детектирования фононов по сравнению с реализацией по фиг.8. Вычисления, представленные ниже, показывают, что требования пространственно-временного разрешения к криогенно-детекторной матрице (CDA) технически реализуемы: реализация изобретения в виде определенной модели представляется в следующем параграфе. Модель обеспечивает пространственное разрешение dx=0.1 мм и временное разрешение dt= 100 нсек, что позволяет определять массу с точностью до 100 А.Е.М. при общей массе 600000 А.Е.М. В этих расчетах использовалась криогенно-детекторная матрица длиной 10 см и содержащий 100 фононных сенсоров. Другие реализации фононных сенсоров были упомянуты выше при обсуждении фиг.1. The Cryogenic Detector Array (CDA) used in the invention consists of
Предпочтительной реализацией изобретения является масс-спектрометр с криогенно-детекторной матрицей, рассмотренной выше и с возможностью расчета траекторий макромолекул. Рассмотрим фиг.10: макромолекулы ионизируются, выбиваются из образца, сначала ускоряются в 51, затем проходя магнитное поле 50 разделяются по траекториям. Траекториями являются окружности, радиус которых зависит от удельного заряда (отношение заряда макромолекулы к ее массе) каждой молекулы. Впоследствии макромолекула электростатически ускоряется за счет разности потенциалов U1-U2 и сталкивается с криогенно-детекторной матрицей 53. Точка столкновения и время столкновения макромолекулы и датчика определяется для каждой молекулы (режим единичного подсчета молекул). Обратим внимание на то, что одним из главных улучшений предлагаемого изобретения является возможность определения массы высокомолекулярных макромолекул. В дальнейшем представляются и обсуждаются специальные расчеты, выполненные по предлагаемой реализации. В соответствии с этими расчетами масса порядка 106 А.Е.М. определялась с точностью до 100 А.Е.М. Кроме того, масс-спектрометр мог работать в квазинепрерывном режиме с мощностью цикла в 10%. Так как использовался режим единичного подсчета молекул, требовалось незначительное количество макромолекул, обычно не более находящихся в 10-15 молей.The preferred implementation of the invention is a mass spectrometer with a cryogenic detector matrix, discussed above and with the possibility of calculating the trajectories of macromolecules. Consider figure 10: macromolecules are ionized, knocked out of the sample, first accelerated to 51, then passing through a
Предлагаемая реализация высокопроизводительного масс-спектрометра с криогенно-детекторной матрицей схематически показана на фиг.11. Имеются два основных элемента конструкции: магнит, состоящий из двух прямоугольных сверхпроводных катушек 48, и криогенно-детекторная матрица 53, заключенная в сверхпроводящую оболочку 52. Магнит создает постоянное магнитное поле В, параллельное оси Z. Все элементы конструкции находятся в вакуумной системе и охлаждаются комбинированной криогенной установкой 60. Т1 - рабочая температура сверхпроводящего магнита, Т2 - рабочая температура криогенного детектора, охлаждаемого дополнительным криостатом 58, Т3 - рабочая температура предусилителя. The proposed implementation of a high-performance mass spectrometer with a cryogenic detector matrix is shown schematically in FIG. 11. There are two main structural elements: a magnet, consisting of two rectangular superconducting coils 48, and a
Анализируемый образец помещается в камеру 51, где макромолекулы ионизируются и выбиваются при помощи механизма 67, подведенного через межслойное соединение 66. Механизмом 67 может быть лазерный луч в случае применения MALDI-техники или капилляры при ESI-технике. Ионизированные макромолекулы сначала ускоряются до кинетической энергии около 100 эв и попадают в сепаратор масс 50, находящийся внутри магнита с магнитным полем несколько Tesla. Напряженность магнитного поля зависит от диапазона значений разделяемых масс. Камера 51 и сепаратор масс 50 находятся под высоковольтным напряжением U1, поддерживаемым источником 65 через межслойное соединение 64. Сверхпроводящий магнит состоит из двух прямоугольных сверхпроводных катушек 48, разделенных прокладкой 49 из сверхпроводящего материала для магнитных полей, в положении когда сепаратор масс параллелен оси z. Магнит охлаждается криостатом 60, подключенным через соединение 61 и имеет рабочую температуру Т1. Устройство 73 обеспечивает криогенную жидкость креостату по каналу 72. Ток для сверхпроводящего магнита поступает от источника 63 по кабелю 62. The analyzed sample is placed in the
Под действием магнитного поля В магнита макромолекулы движутся по окружностям с радиусами, пропорциональными удельному заряду макромолекулы. После прохождения половины окружности разделенные молекулы попадают в зону действия электрического поля и затем внедряются в криогенно-детекторную матрицу 53. Кинетическая энергия макромолекул в момент контакта с криогенно-детекторной матрицей е•(U2-U1), где е - единица заряда, U1 - электрический потенциал сепаратора и U2 - электрический потенциал криогенного детектора частиц, который обычно заземлен. Для того чтобы защитить криогенный детектор частиц от сильного магнитного поля, его помещают в магнитную камеру 52, также изготовленную из сверхпроводящего материала. Криогенно-детекторная матрица 53 расположена на холодной панели 54, которая охлаждается криостатом 58 до рабочей температуры Т2 матрицы 53. Криостат 58 подсоединяется к основному криостату 60, если оба используют 3Не. Криостат управляется системой температурного контроля и насосом 69, подключенным через устройство 68. Криогенно-детекторная матрица передает сигналы электронному предусилителю 56, который может быть охлажден до рабочей температуры Т3 через канал охлаждения 57 от криостата 60. Выход предусилителя подключен через соединение 70 к системе усвоения данных 71.Under the action of the magnetic field B of the magnet, the macromolecules move in circles with radii proportional to the specific charge of the macromolecule. After half the circumference, the separated molecules fall into the electric field and are then introduced into the
В последующем оценивается реакция предложенной высокопроизводительной системы на различные варианты управляющих параметров, которые иллюстрируются результатами расчетов. В основном будет использоваться двумерный машинный код [23] , позволяющий рассчитывать электрические и магнитные поля и определять траектории макромолекул в этих полях. Траектории макромолекулы вычисляются по пространственно-временной информации на любом временном шаге. Если не оговорено специально, то при расчетах используются следующие параметры: геометрические - по фиг.10, где наиболее удобными размерами являются внутренние размеры сепаратора масс 50 (64 см•32 см), масса макромолекул - от М= 400000 А.Е.М. до М=800000 А.Е.М., напряженность магнитного поля В=6.5 Tesla, напряжение для первичного ускорения Upre=200 В, напряжение для вторичного ускорения Upost=50 кВ. Пространственное разрешение детектора dх=0.1 мм, разрешение по времени - 100 нсек. Два последних значения типичны для криогенных детекторов частиц и технически реализуемы. Для расчетов, в которых масса макромолекулы была зафиксирована, использовалось значение М= 600000 А.Е.М.Subsequently, the response of the proposed high-performance system to various control parameters is evaluated, which are illustrated by the calculation results. Basically, a two-dimensional machine code will be used [23], which allows one to calculate electric and magnetic fields and determine the trajectories of macromolecules in these fields. The paths of a macromolecule are calculated from spatio-temporal information at any time step. Unless otherwise specified, the following parameters are used in the calculations: geometric — as shown in FIG. 10, where the most convenient dimensions are the internal dimensions of the mass separator 50 (64 cm • 32 cm), the mass of macromolecules - from M = 400000 A.E.M. up to M = 800000 A.E.M., magnetic field strength B = 6.5 Tesla, voltage for primary acceleration U pre = 200 V, voltage for secondary acceleration U post = 50 kV. The spatial resolution of the detector is dx = 0.1 mm, the time resolution is 100 nsec. The last two values are typical for cryogenic particle detectors and technically feasible. For calculations in which the mass of the macromolecule was fixed, we used the value M = 600000 A.E.M.
Разделение макромолекул по массе производится за счет магнитного поля В и напряжения для первичного ускорения Upre. Напряжение для вторичного ускорения Upost требуется для предания макромолекулам достаточно высокой кинетической энергии порядка 10 кВ, для того чтобы их можно было фиксировать криогенно-детекторной матрицей, увеличение Upost облегчает определение макромолекул, однако из фиг.12 очевидно, что макромолекулы фокусируются в небольшой области криогенно-детекторной матрицы, тем самым уменьшая пространственное разрешение детектора. На фиг.13 показаны диапазоны значений для различных значений интенсивности магнитного поля. Для данного значения магнитного поля диапазон масс макромолекул, достигающих криогенно-детекторную матрицу, является ограниченным из-за ограниченного входного окна сепаратора масс, фиг.10. Как видно из фиг.13, большее магнитное поле производит больший диапазон значений масс, которые можно определять одновременно криогенно-детекторной матрицей. Однако из-за того, что эти массы распределяются на высоте 10 см, разрешение пространственного разделения масс уменьшается для увеличения масс, как показано на фиг.14. Однако, как видно из фиг. 14, при увеличении масс макромолекул разделение масс улучшается. Магнитное поле напряженностью 6.5 Т может быть легко достигнуто, однако при этом сравнительно большая область детектора будет технологически неактивна. Хорошее однородное магнитное поле требуется для того, чтобы корректировать небольшие неоднородности, учитывая две важные калибровочные кривые: пространственная калибровочная кривая Мx-cal(х) и временная калибровочная кривая Мt-cal(t). Для того чтобы получить хорошее разрешение важно иметь устойчивое по времени магнитное поле на короткий и длинный период.The separation of macromolecules by mass is due to the magnetic field B and voltage for primary acceleration U pre . The voltage for secondary acceleration U post is required for the macromolecules to provide a sufficiently high kinetic energy of the order of 10 kV so that they can be fixed with a cryogenic detector matrix, an increase in U post facilitates the determination of macromolecules, however, it is obvious from Fig. 12 that the macromolecules are focused in a small area cryogenic detector matrix, thereby reducing the spatial resolution of the detector. On Fig shows the ranges of values for different values of the intensity of the magnetic field. For a given value of the magnetic field, the mass range of macromolecules reaching the cryogenic detector matrix is limited due to the limited input window of the mass separator, FIG. 10. As can be seen from FIG. 13, a larger magnetic field produces a wider range of mass values that can be determined simultaneously by a cryogenic detector matrix. However, due to the fact that these masses are distributed at a height of 10 cm, the resolution of the spatial separation of the masses is reduced to increase the masses, as shown in Fig. 14. However, as can be seen from FIG. 14, with increasing masses of macromolecules, mass separation improves. A magnetic field of 6.5 T can be easily achieved, however, in this case, a relatively large region of the detector will be technologically inactive. A good uniform magnetic field is required in order to correct small inhomogeneities, given two important calibration curves: the spatial calibration curve M x-cal (x) and the temporary calibration curve M t-cal (t) . In order to get a good resolution, it is important to have a time-stable magnetic field for a short and long period.
Другим критическим фактором, от которого зависит хорошее разрешение высокопроизводительного масс-спектрометра, является качество ионизации макромолекулярного потока, поступающего в сепаратор (см. 65 на фиг.10). Этот поток должен иметь хорошую коллимированность и моноэнергетичность. Желательно, чтобы высококачественный поток легко получался при высоком Upre. Три управляющих магнитным полем параметра В, Uprе и Upost не могут, однако, выбираться независимо один от другого при заданном диапазоне измеряемых масс и определенном расположении криогенно-детекторной матрицы. На фиг.15 показана зависимость напряженности магнитного поля В от Upre для диапазона измеряемых масс от 400000 А.Е.М. до 800000 А.Е.М. На фиг.16 показана зависимость напряжения для вторичного ускорения Upost как функция напряжения для первичного ускорения Upre для того же диапазона измеряемых масс. Если, например, напряжение для первичного ускорения Upre=400 В, то напряженность магнитного поля В= 8 Т (фиг.15) и напряжение для вторичного ускорения Upost=100 кВ (фиг.16) позволяют измерять массы в диапазоне от 400000 А.Е.М. до 800000 А.Е.М. при вышеуказанном местоположении криогенно-детекторной матрицы. Преимущество предлагаемой в изобретении реализации состоит в том, что, не меняя расположения матрицы, можно измерять массу макромолекул, условно говоря, без ограничений диапазона масс, изменяя только магнитное поле. Дополнительно напряжение для первичного и вторичного ускорения могут быть выбраны так, чтобы оптимизировать производительность.Another critical factor on which the good resolution of a high-performance mass spectrometer depends is the quality of ionization of the macromolecular flow entering the separator (see 65 in FIG. 10). This stream should have good collimation and monoenergy. It is desirable that a high-quality flow is easily obtained at high U pre . Three parameters B, U prе, and U post controlling the magnetic field cannot, however, be selected independently of one another for a given range of measured masses and a certain arrangement of the cryogenic detector matrix. On Fig shows the dependence of the magnetic field B on U pre for the range of measured masses from 400000 A.E.M. up to 800000 A.E.M. On Fig shows the voltage dependence for the secondary acceleration U post as a function of voltage for the primary acceleration U pre for the same range of measured masses. If, for example, the voltage for primary acceleration U pre = 400 V, then the magnetic field strength B = 8 T (Fig. 15) and the voltage for secondary acceleration U post = 100 kV (Fig. 16) make it possible to measure masses in the range from 400,000 A .EAT. up to 800000 A.E.M. at the above location of the cryogenic detector matrix. An advantage of the implementation of the invention is that without changing the location of the matrix, it is possible to measure the mass of macromolecules, relatively speaking, without limiting the mass range, changing only the magnetic field. Additionally, the voltage for primary and secondary acceleration can be selected so as to optimize performance.
Масса макромолекулы может быть определена непосредственно по мощности пространственного разрешения криогенно-детекторной матрицы (см. фиг.14). В этой конкретной расчетной модели способность пространственного разделения макромолекулы криогенно-детекторной матрицей составляет 0.2 мкм/А.Е.М. (см. фиг. 14). Если необходимо определить массу макромолекулы с разрешением, скажем, 100 А. Е.М. (такое потребуется, если измерять массу больших ДНК-фрагментов ДНК-последовательности, где в основном масса основания макромолекул 300 А. Е.М.), потребуется пространственное разрешение криогенно-детекторной матрицы около 25 мкм. Так же потребуется около 4000 индивидуальных детекторов, для криогенно-детекторной матрицы размером 10 см, если воспользоваться реализацией по фиг.7. Когда используется реализация, показанная на фиг.8, 9, то можно получить пространственное разрешение dx=0.1 мм с расстоянием между фононными сенсорами 1 мм. Далее потребуется только 100 фононных сенсоров на площадку 10 см. Метод Монте-Карло был применен для исследования разрешающей способности различных реализаций изобретения. "Истинные" значения Хstop 2000 макромолекул массой М0=600000 А.Е.М. были рендомизированы по гауссовому распределению (FWHM) с разрешением dx=0.1 мм, имитируя выходную информацию Xout. На фиг. 17 показано распределение по х-координате выходного сигнала Xout криогенно-детекторной матрицы. Расчетные траектории соответствующих молекул использовались для вычисления калибровочной кривой Мx-cal(х). На основании полученных данных была определена масса макромолекулы M1. На фиг. 18 показано распределение ошибки расчета массы M1-М0. Полученное значение ошибки определения масс около 500 А.Е.М. будет недостаточно для определения ДНК-последовательности. Однако увеличение точности определения масс может быть получено за счет применения стратегии "подлетного времени" и реализации импульсного режима эмиссии высокопроизводительного масс-спектрометра. Этому будет посвящен следующий параграф.The mass of the macromolecule can be determined directly by the spatial resolution power of the cryogenic detector matrix (see Fig. 14). In this specific calculation model, the spatial separation ability of a macromolecule by a cryogenic detector matrix is 0.2 μm / A.E.M. (see Fig. 14). If it is necessary to determine the mass of a macromolecule with a resolution of, say, 100 A. Ye.M. (this will be required if the mass of large DNA fragments of the DNA sequence is measured, where the base mass of the macromolecules is mainly 300 A. EM), the spatial resolution of the cryogenic-detector matrix of about 25 μm will be required. About 4000 individual detectors will also be required for a 10 cm cryogenic detector matrix, if we use the implementation of Fig. 7. When the implementation shown in Figs. 8, 9 is used, it is possible to obtain a spatial resolution dx = 0.1 mm with a distance between the phonon sensors of 1 mm. Further, only 100 phonon sensors per 10 cm area will be required. The Monte Carlo method was used to study the resolution of various implementations of the invention. "True" values of X stop 2000 macromolecules of mass M 0 = 600000 A.E.M. were randomized to a Gaussian distribution (FWHM) with a resolution of dx = 0.1 mm, simulating the output information X out . In FIG. 17 shows the x-coordinate distribution of the output signal X out of the cryogenic detector matrix. The calculated trajectories of the corresponding molecules were used to calculate the calibration curve M x-cal (x) . Based on the obtained data, the mass of the macromolecule M 1 was determined. In FIG. 18 shows the distribution of the error in calculating the mass M 1 -M 0 . The resulting mass determination error of about 500 A.E.M. will not be enough to determine the DNA sequence. However, an increase in the accuracy of mass determination can be obtained through the application of the “flying time” strategy and the implementation of the pulsed emission mode of a high-performance mass spectrometer. The following paragraph will be devoted to this.
Для определения "подлетного времени" в масс-спектрометре измеряют разность между моментом начала эмиссии частицы tstart и временем столкновения частицы с детектором tstop. Так как обычно в нашей расчетной модели подлетное время составляет 5 мсек, то эмиссировать частицы можно каждые Т2=10 мсек с продолжительностью импульса, скажем, T1=100 нсек. При таких условиях циклическая загрузка детектора будет t1/(T1+T2) порядка 10-5 и, соответственно, низкая производительность устройства. Идея режима оперативного подсчета частиц состоит в том, чтобы выполнять несколько измерений подлетного времени параллельно, способствуя определению пространственных траекторий в магнитном поле. Эмиссионные импульсы показаны на фиг.19. Время столкновения частицы с детектором tstop фиксируется криогенно-детекторной матрицей, однако момент начала эмиссии частицы tstart необходимо определить. Это делается с использованием пространственных траекторий движения частицы следующим образом. Как показано на фиг.19, макромолекулы эмиссируются в течение времени T1 и не эмиссируются в течение Т2. Такой эмиссионный импульс может исходить или из лазера (MALDI-схема), или от электроннооптических систем. В дальнейшем потребуется знание двух кривых: пространственной калибровочной кривой Мx-cal(х) и временной калибровочной кривой Мt-cal(t). Начальной точкой расчета являются два выходных сигнала криогенно-детекторной матрицы:
Xout=Xstop+dX,
tout=tstop+dt,
где Xstop, tstop - местоположение и время контакта макромолекулы и криогенного детектора частиц, соответственно,
dX, dt - отклонения от истинного положения макромолекулы в пространстве и времени, соответственно, зависящие от пространственно-временного разрешения криогенно-детекторной матрицы. По значению Xout определяется первое приближение массы Mi, используя пространственную калибровочную кривую Мx-cal(х):
M1=Mx-cal (Xout).To determine the “flight time” in the mass spectrometer, the difference between the moment of the start of particle emission t start and the time of collision of the particle with the detector t stop is measured. Since usually in our calculation model the flight time is 5 ms, particles can be emitted every T 2 = 10 ms with a pulse duration of, say, T 1 = 100 nsec. Under such conditions, the cyclic load of the detector will be t 1 / (T 1 + T 2 ) of the order of 10 -5 and, accordingly, the low productivity of the device. The idea of an on-line particle counting mode is to carry out several measurements of the flight time in parallel, contributing to the determination of spatial trajectories in a magnetic field. Emission pulses are shown in Fig. 19. The collision time of a particle with a t stop detector is fixed by a cryogenic-detector matrix, however, the moment of start of particle emission t start must be determined. This is done using spatial particle motion paths as follows. As shown in FIG. 19, macromolecules are emitted during T 1 and not emitted during T 2 . Such an emission pulse can come either from a laser (MALDI circuit) or from electron-optical systems. In the future, knowledge of two curves will be required: the spatial calibration curve M x-cal (x) and the temporary calibration curve M t-cal (t) . The starting point of the calculation is the two output signals of the cryogenic detector matrix:
X out = X stop + dX,
t out = t stop + dt,
where X stop , t stop is the location and contact time of the macromolecule and cryogenic particle detector, respectively,
dX, dt - deviations from the true position of the macromolecule in space and time, respectively, depending on the spatio-temporal resolution of the cryogenic detector matrix. From the Xout value, the first approximation of the mass Mi is determined using the spatial calibration curve M x-cal (x) :
M 1 = M x-cal (Xout) .
Подставляя это значение M1 в инвертированное М-1 t-c al(t) -временной калибровочной кривой, получим первое приближение t1 начала эмиссии частицы:
t1=tout-М- 1 t-саl(M1).Substituting this value of M 1 into the inverted M -1 tc al (t) - time calibration curve, we obtain the first approximation t 1 of the beginning of particle emission:
t 1 = t out -M - 1 t-cal (M1) .
Теперь, зная, что макромолекула должна эмитироваться от каждого импульса, можно установить соответствующее число циклов эмиссии N (см. фиг. 19):
N=1+t1/(T1+Т2)
и получить второе приближение t2 начала эмиссии частицы:
t2=(N-1)(T1+Т2)+Т2/2.Now, knowing that the macromolecule must be emitted from each pulse, you can set the corresponding number of emission cycles N (see Fig. 19):
N = 1 + t 1 / (T 1 + T 2 )
and get the second approximation t 2 the start of particle emission:
t 2 = (N-1) (T 1 + T 2) + T 2/2.
Значение t2, к сожалению, определяется с точностью до значения T1. Используя снова временную калибровочную кривую, находим окончательно массу макромолекулы М2 методом TOF
М2=Mt-cal (tout-t2).The value of t 2 , unfortunately, is determined accurate to the value of T 1 . Using the time calibration curve again, we finally find the mass of the M 2 macromolecule using the TOF method
M 2 = M t-cal (tout-t2) .
В представленном методе (TOF) точность определения массы макромолекулы определяется длительностью эмиссионного импульса T1 и временным разрешением dt криогенно-детекторной матрицы. В импульсном режиме пространственное разрешение dx криогенно-детекторной матрицы используется только для определения числа импульсов N. На фиг.20 представлено распределение Монте-Карло для времени столкновения частицы с детектором tstop, полученное при длительности эмиссионного импульса T1=0.5 мксек и временном разрешении криогенно-детекторной матрицы dt=100 нсек.In the presented method (TOF), the accuracy of determining the mass of a macromolecule is determined by the duration of the emission pulse T 1 and the time resolution dt of the cryogenic detector matrix. In the pulsed mode, the spatial resolution dx of the cryogenic detector matrix is used only to determine the number of pulses N. FIG. 20 shows the Monte Carlo distribution for the particle collision time t stop obtained with the emission pulse duration T 1 = 0.5 μs and cryogenic temporal resolution -detector matrix dt = 100 nsec.
На фиг. 21 представлено распределение восстанавливаемых значений масс методом TOF. Это распределение получено следующим образом: при расчете по методу Монте-Карло каждый случай характеризовался соответствующими значениями Xout (фиг. 17) и tstop (фиг.20). Используя метод восстановления масс (TOF), описанный выше, было установлено значение массы макромолекулы М2 по двум калибровочным кривым. Распределение ошибки определения массы М2-М0 имеет центральный пик в области 100 А.Е.М. (с учетом условий FWHM) и связан с точностью определения числа импульсов N. Кроме того, два пика по краям графика связаны с ложным определением доверительных границ эмиссионных циклов, что приводит к "утечке" значений t1. Причина этих "утечек" - ограниченное пространственное разрешение dx криогенно-детекторной матрицы и малое значение паузы Т2 в последовательности импульсов. Увеличение Т2 уменьшает число ошибочных случаев. Однако циклическая загрузка детектора будет сокращаться. На фиг. 22 эффективность определения массы в зависимости от циклической загрузки детектора при двух значениях пространственного разрешения детектора dx представлена в виде отношения случаев определения массы к случаям некорректного определения массы.In FIG. Figure 21 shows the distribution of the reconstructed mass values by the TOF method. This distribution is obtained as follows: in the Monte Carlo calculation, each case was characterized by the corresponding values of X out (Fig. 17) and t stop (Fig. 20). Using the mass recovery method (TOF) described above, the mass value of the M 2 macromolecule was determined from two calibration curves. The distribution of the error in determining the mass of M 2 -M 0 has a central peak in the region of 100 A.E.M. (taking into account the FWHM conditions) and is associated with the accuracy of determining the number of pulses N. In addition, two peaks at the edges of the graph are associated with a false determination of the confidence limits of emission cycles, which leads to a “leak” of t 1 values. The cause of these "leaks" is the limited spatial resolution dx of the cryogenic detector matrix and the small pause value T 2 in the pulse sequence. Increasing T 2 reduces the number of error cases. However, the cyclic load of the detector will be reduced. In FIG. 22, the efficiency of mass determination depending on the cyclic load of the detector at two spatial resolutions of the detector dx is presented as the ratio of the cases of mass determination to cases of incorrect mass determination.
Точность измерения массы M1 может быть повышена за счет увеличения пространственного разрешения криогенно-детекторной матрицы (т.е. определяя соответствующие значения dt меньшими) (см. фиг.23). Точность определения распределения массы М2 может быть повышена за счет уменьшения продолжительности действия эмиссионного импульса T1 (см. фиг.24). Однако в последнем случае точность измерения массы будет сильно зависеть от временного разрешения криогенно-детекторной матрицы. Вычисления вышеописанной точности расчета массы было получено в предположении, что ионизация начального потока макромолекул, поступающих в сепаратор, приводит к тому, что все макромолекулы имеют кинетическую энергию 200 эВ. К сожалению, это не совсем так для реального устройства и это будет одной из главных технологических задач при конструировании вышеуказанного предлагаемого изобретения.The accuracy of the mass measurement M 1 can be improved by increasing the spatial resolution of the cryogenic detector matrix (i.e., by determining the corresponding dt values less) (see Fig. 23). The accuracy of determining the mass distribution of M 2 can be improved by reducing the duration of the emission pulse T 1 (see Fig. 24). However, in the latter case, the accuracy of mass measurement will strongly depend on the time resolution of the cryogenic detector matrix. Calculations of the accuracy of the mass calculation described above were obtained under the assumption that ionization of the initial flow of macromolecules entering the separator leads to the fact that all macromolecules have a kinetic energy of 200 eV. Unfortunately, this is not entirely true for a real device and this will be one of the main technological problems in the construction of the above proposed invention.
В частности, рассмотрим применение предлагаемого изобретения для исследования ДНК-последовательности. Цепочка ДНК-последовательностей определяется четырьмя базовыми последовательностями ДНК-альфабет, А (аденин), G (гуанин), Т (тимин), С (цитозин). В молекулярных биологических лабораториях пробы, содержащие цепочки ДНК-последовательностей, приготавливают в соответствии с Sanger или Maxam-Gilbert методиками. Например, используя методику Sanger, четыре пробы одинаковых частей ДНК, могут быть помечены как А, G, Т и С, каждая из которых содержит информацию, связанную с расположением основных специфических частей ДНК-молекулы. Обычно макромолекулы сортируют в соответствии с их длинами для каждой из четырех проб с использованием техники гель-электрофореза. Макромолекулы смешивают в гель, который помещают в электрическое поле. При заданной протяженности цепочки короткие фрагменты смешиваются быстрее, чем длинные фрагменты, которые направляют в сепаратор. Главным недостатком гель-электрофореза является большое время (порядка нескольких часов), требуемое для перемешивания макромолекул в геле. Обычно хорошее оборудование лаборатории может подготовить порядка 10000 проб в день. In particular, consider the use of the invention for the study of DNA sequences. The DNA sequence chain is determined by the four basic sequences of DNA alpha-beta, A (adenine), G (guanine), T (thymine), C (cytosine). In molecular biological laboratories, samples containing DNA sequences are prepared according to Sanger or Maxam-Gilbert techniques. For example, using the Sanger technique, four samples of identical parts of DNA can be labeled A, G, T, and C, each of which contains information related to the location of the main specific parts of the DNA molecule. Typically, macromolecules are sorted according to their lengths for each of the four samples using gel electrophoresis techniques. The macromolecules are mixed in a gel, which is placed in an electric field. For a given chain length, short fragments mix faster than long fragments that are sent to the separator. The main disadvantage of gel electrophoresis is the large time (of the order of several hours) required for mixing the macromolecules in the gel. Typically, good laboratory equipment can prepare about 10,000 samples per day.
Наиболее быстрый метод разделения ДНК-фрагментов связан с использованием масс-спектрометрии. Как было показано выше, предлагаемое изобретение может анализировать большие ДНК-фрагменты массой 600000 А.Е.М. с разрешением порядка 100 А.Е.М. В дальнейшем анализируются пробы, эквивалентные человеческому геному, содержащие 3.109 проб, которые оценивают по предлагаемому методу. Так как используется криогенно-детекторная матрица работающих в режиме единичного подсчета частиц, то интенсивная нагрузка детектора будет предотвращена. Следовательно, только небольшое число макромолекул будет достигать многоэлементного детектора за заданное время. Детектор частиц позволяет идентифицировать каждый набор значений (Xstop, tstop), уникальный для импульсного эмиссионного цикла. Таким образом, тяжелые молекулы в случае ранней эмиссии будут достигать криогенного детектора частиц позднее, чем легкие молекулы в случае поздней эмиссии. Они никогда не достигнут того же положения на детекторе, так как уникальная траектория зависит от удельного заряда. Одно из усовершенствований предлагаемой реализации состоит в том, что заряженные макромолекулы могут разделяться при помощи управляющих параметров. Если поместить ДНК-фрагменты для анализа, как показано на фиг.25, то эмиссия каждой пробы может быть выполнена синхронно с эмиссионным импульсом масс-спектрометра. Каждое измеряемое криогенно-детекторной матрицей значение массы связано с определенной пробой. Мы снова выберем диапазон измерения масс между 400000 А.Е.М. и 800000 А.Е.М. и примем точность определения массы для выбранных проб Δm<300 А.Е.М. Вследствие имеющегося разрешения системы мы предполагаем, что 100 случаев потребуется для определения массы однозначно. Внутри заданного диапазона масс выбранный образец содержит 1300 оснований, которые могут быть реконструированы для четырех выбранных проб A, G, Т и С, изображенных на фиг.25. Для того чтобы удовлетворительно определить массу по значениям (Хstop, tstop), только одна макромолекула должна попадать на детектор в заданную точку за определенное время. Заданная проба будет анализироваться 100 раз. Если выбрать продолжительность эмиссионного импульса 100 мксек, то можно восстановить последовательность из 1300 оснований заданных стандартных ДНК за 100•4•100 μsec=40 мсек. Следующие четыре пробы будут связаны с популяцией макромолекул, смещенных на 1300 оснований. Потребуется 40 мсек для определения этих 1300 оснований последовательностей. В 1 сек машина имеет возможность определять 3.25•104 оснований, или, другими словами, число оснований человеческого генома, содержащего 3•109 оснований, может быть установлено за 9.2•104 сек, т.е. за 25 часов. Если одна из последовательностей человеческого генома с одним единичным гель-электрофорезным аппаратом имеет возможность создавать 10000 оснований в день, то потребуется 800 лет для таких расчетов. Однако разделение последовательностей является только первым шагом для определения ДНК-последовательностей. Биологическое производство последовательностей человеческого генома в лабораторных условиях потребует более нескольких часов. Тем не менее массив образцов может быть произведен и сохранен, как показано на фиг.25, различными лабораториями параллельно и анализироваться при помощи предлагаемого изобретения за очень короткое время.The fastest method for separating DNA fragments involves the use of mass spectrometry. As shown above, the present invention can analyze large DNA fragments weighing 600,000 A.E.M. with a resolution of about 100 A.E.M. Subsequently, samples equivalent to the human genome are analyzed, containing 3.10 9 samples, which are evaluated by the proposed method. Since a cryogenic detector matrix is used operating in the unit particle counting mode, the intensive load of the detector will be prevented. Therefore, only a small number of macromolecules will reach the multi-element detector in a given time. The particle detector allows you to identify each set of values (X stop , t stop ), unique to the pulse emission cycle. Thus, heavy molecules in the case of early emission will reach the cryogenic particle detector later than light molecules in the case of late emission. They will never reach the same position on the detector, since the unique trajectory depends on the specific charge. One of the improvements of the proposed implementation is that charged macromolecules can be separated using control parameters. If you place the DNA fragments for analysis, as shown in Fig.25, then the emission of each sample can be performed synchronously with the emission pulse of the mass spectrometer. Each mass value measured by the cryogenic detector matrix is associated with a specific breakdown. We will again select a mass measurement range between 400,000 A.E.M. and 800000 A.E.M. and accept the accuracy of determining the mass for the selected samples Δm <300 A.E.M. Due to the available resolution of the system, we assume that 100 cases will be required to determine the mass uniquely. Within a given mass range, the selected sample contains 1300 bases, which can be reconstructed for the four selected samples A, G, T, and C shown in FIG. 25. In order to satisfactorily determine the mass from the values (X stop , t stop ), only one macromolecule must reach the detector at a given point in a certain time. The given sample will be analyzed 100 times. If you choose the emission pulse duration of 100 μs, then you can restore the sequence of 1300 bases of the given standard DNA for 100 • 4 • 100 μsec = 40 ms. The next four samples will be associated with a population of macromolecules displaced by 1300 bases. It will take 40 ms to determine the 1300 base sequences. In 1 sec, the machine has the ability to determine 3.25 • 10 4 bases, or, in other words, the number of bases of the human genome containing 3 • 10 9 bases can be set in 9.2 • 10 4 sec, i.e. in 25 hours. If one of the sequences of the human genome with one single gel electrophoresis apparatus has the ability to create 10,000 bases per day, it will take 800 years for such calculations. However, sequence separation is only the first step to determine DNA sequences. The biological production of human genome sequences in a laboratory environment will require more than a few hours. Nevertheless, an array of samples can be produced and stored, as shown in FIG. 25, by various laboratories in parallel and analyzed using the invention in a very short time.
Полный подсчет ДНК потребует также немногого: простой массив, как показано на фиг.25, должен состоять из 3•109/1300=2.3•104 проб, которые могут быть представлены в виде массива 1500•1500 проб. В нашем примере 4 пробы, определяемые как A, G, Т и С, содержат полностью 1300 макромолекул со средней массой 600000 А. Е. М. Общая масса макромолекул, достигающая криогенно-детекторную матрицу за один эмиссионный цикл составляет (1300/4)•(600000 А.Е. М. Так как анализ каждой пробы выполняется 100 раз для получения хорошей оценки значения массы, то предыдущее значение необходимо умножить на 100. Кроме того, так как эффективность выхода и ионизации макромолекул составляет не более, чем 10-4, полученное число необходимо умножить на 104. Следовательно, каждая полученная проба (1 А.Е.М.=1.66•10-24г) содержит:
количество ДНК в образце = 104•100•(1300/4)•600000 А.Е.М.=0.32•10-9 г.A complete DNA count will also require a little: a simple array, as shown in FIG. 25, should consist of 3 • 10 9 /1300=2.3•10 4 samples, which can be represented as an array of 1500 • 1500 samples. In our example, 4 samples, defined as A, G, T, and C, contain completely 1300 macromolecules with an average mass of 600000 A. E. M. The total mass of macromolecules reaching the cryogenic-detector matrix in one emission cycle is (1300/4) • (600000 AE M. Since the analysis of each sample is performed 100 times to obtain a good estimate of the mass value, the previous value must be multiplied by 100. In addition, since the efficiency of the output and ionization of macromolecules is not more than 10 -4 , the resulting number to be multiplied per 10 4. Hence, each floor ennaya sample (1 amu = 1.66 • 10 -24 g) comprises:
the amount of DNA in the sample = 10 4 • 100 • (1300/4) • 600000 A.E.M. = 0.32 • 10 -9 g.
Произведение числа проб и образцового массива (2.3•106) дает полное число ДНК:
общее число ДНК = 2.3•106•0.32•10-9г=0.74•10-3г.The product of the number of samples and the reference array (2.3 • 10 6 ) gives the total number of DNA:
total number of DNA = 2.3 • 10 6 • 0.32 • 10 -9 g = 0.74 • 10 -3 g
Теперь давайте оценим размер образцового массива. Каждая проба содержит раствор ДНК с концентрацией 10-4, т.е. растворенная масса будет 3.2•10-4 г. Если для примера мы возьмем плотность раствора, равную плотности воды, то масса будет соответствовать объему 3.2•10-6 см3, или, альтернативно, радиус пробы составит 91 мкм. Пробы могут располагаться на расстоянии 0.2 мм друг от друга. Общий размер массива образца, следовательно, будет:
общий размер= (1500•0.2 мм)•(1500•0.2 мм)=30 см•30 см.Now let's estimate the size of the model array. Each sample contains a solution of DNA with a concentration of 10 -4 , i.e. the dissolved mass will be 3.2 • 10 -4 g. If, for example, we take the density of the solution equal to the density of water, then the mass will correspond to a volume of 3.2 • 10 -6 cm 3 , or, alternatively, the radius of the sample will be 91 microns. Samples may be spaced 0.2 mm apart. The total size of the sample array will therefore be:
total size = (1500 • 0.2 mm) • (1500 • 0.2 mm) = 30 cm • 30 cm.
Общее число ДНК, аккумулированных криогенным детектором при анализе человеческого генома, описанного выше, будет составлять 4•10-10 г, которые соответствуют толщине пленки 7.4 нм для криогенного детектора длиной 10 см и молекулярного пучка толщиной 1 мм. Полимерная пленка такой толщины не будет препятствием для фононной чувствительности криогенного детектора.The total number of DNA accumulated by the cryogenic detector in the analysis of the human genome described above will be 4 x 10 -10 g, which corresponds to a film thickness of 7.4 nm for a
Изобретение было использовано для вышеописанных вычислений. Описанное изобретение может быть применено также для протеинов, пептидов, полимеров и других макромолекул. The invention was used for the above calculations. The described invention can also be applied to proteins, peptides, polymers and other macromolecules.
Представленные здесь формы конструкции изобретения могут иметь другие применения. Представленная реализация не имеет в виду отметить все возможные эквивалентные формы изобретения. Понятно, что используемые здесь термины являются скорее описательными, чем ограничивающими, и что различные изменения могут быть сделаны без ущемления сути изобретения. The structural forms of the invention presented herein may have other uses. The presented implementation does not mean to note all possible equivalent forms of the invention. It is understood that the terms used herein are more descriptive than restrictive, and that various changes can be made without prejudice to the invention.
Claims (30)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CH02424/94-9 | 1994-08-03 | ||
US08/438707 | 1995-05-11 | ||
US08/438,707 US5640010A (en) | 1994-08-03 | 1995-05-11 | Mass spectrometer for macromolecules with cryogenic particle detectors |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU97103189A RU97103189A (en) | 1999-04-10 |
RU2189086C2 true RU2189086C2 (en) | 2002-09-10 |
Family
ID=23741706
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU97103189/09A RU2189086C2 (en) | 1995-05-11 | 1995-07-31 | Macromolecule mass-spectrometer with cryogenic particle detector |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2189086C2 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2517777C2 (en) * | 2012-08-20 | 2014-05-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) | Two-phase cryogenic avalanche detector |
RU178547U1 (en) * | 2017-10-27 | 2018-04-06 | Сергей Николаевич Храпов | SEMICONDUCTOR SPECTROMETER OF IONIZING RADIATIONS |
RU178541U1 (en) * | 2017-10-18 | 2018-04-06 | Сергей Николаевич Храпов | CHARGED PARTICLE SPECTROMETER |
RU2673419C1 (en) * | 2018-02-19 | 2018-11-26 | Сергей Николаевич Храпов | Spectrometer of ionizing radiation |
RU2710095C2 (en) * | 2018-03-19 | 2019-12-24 | Сергей Николаевич Храпов | Cryogenic spectrometer |
-
1995
- 1995-07-31 RU RU97103189/09A patent/RU2189086C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Nuclear instrument and methods in physics research, vol. A294, 1990, Amsterdam, NL, p. 259-267. * |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2517777C2 (en) * | 2012-08-20 | 2014-05-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) | Two-phase cryogenic avalanche detector |
RU178541U1 (en) * | 2017-10-18 | 2018-04-06 | Сергей Николаевич Храпов | CHARGED PARTICLE SPECTROMETER |
RU178547U1 (en) * | 2017-10-27 | 2018-04-06 | Сергей Николаевич Храпов | SEMICONDUCTOR SPECTROMETER OF IONIZING RADIATIONS |
RU2673419C1 (en) * | 2018-02-19 | 2018-11-26 | Сергей Николаевич Храпов | Spectrometer of ionizing radiation |
RU2710095C2 (en) * | 2018-03-19 | 2019-12-24 | Сергей Николаевич Храпов | Cryogenic spectrometer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5640010A (en) | Mass spectrometer for macromolecules with cryogenic particle detectors | |
US5994694A (en) | Ultra-high-mass mass spectrometry with charge discrimination using cryogenic detectors | |
Frank et al. | Energy‐sensitive cryogenic detectors for high‐mass biomolecule mass spectrometry | |
US7078679B2 (en) | Inductive detection for mass spectrometry | |
US4472631A (en) | Combination of time resolution and mass dispersive techniques in mass spectrometry | |
US6710334B1 (en) | Quadrupol ion trap mass spectrometer with cryogenic particle detector | |
IL153598A (en) | Ion separation instrument | |
JP2001503195A (en) | Ion mobility and hybrid mass spectrometer | |
JPH06215730A (en) | Method and apparatus for flight time mold mass spectrometry | |
Price et al. | The renaissance of time-of-flight mass spectrometry | |
Frank et al. | High‐efficiency detection of 66 000 Da protein molecules using a cryogenic detector in a matrix‐assisted laser desorption/ionization time‐of‐flight mass spectrometer | |
Suzuki et al. | Charge‐state‐derivation ion detection using a super‐conducting nanostructure device for mass spectrometry | |
RU2189086C2 (en) | Macromolecule mass-spectrometer with cryogenic particle detector | |
US5077470A (en) | Mass spectrometer | |
EP0774160B1 (en) | Mass spectrometer for macromolecules with cryogenic particle detectors | |
Zyromski et al. | Fusion enhancement in the 3 2, 3 8 S+ 181 Ta reaction | |
Charity et al. | Temperature and n− p asymmetry dependencies of the level-density parameter in Ni+ Mo fusion reactions | |
Frank | Mass spectrometry with cryogenic detectors | |
Pierroutsakou et al. | Light radioactive nuclear beams at LNL | |
US5872824A (en) | Method for studying a sample of material using a heavy ion induced mass spectrometer source | |
US7781730B2 (en) | Linear electronic field time-of-flight ion mass spectrometers | |
Estey et al. | Time-of-flight mass spectrometry with latching Nb meander detectors | |
Liu et al. | A new experimental approach to investigate the kinetics of low energy electron attachment reactions | |
Labov et al. | Cryogenic detector development at LLNL: ultraviolet x-ray, gamma-ray and biomolecule spectroscopy | |
Chou et al. | Dependence of the ejection velocities of laser-ablated ions on the laser wavelength and fluence |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC4A | Invention patent assignment |
Effective date: 20050720 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070801 |