Mejore la espectrometría de masas ToF con ADC de alta velocidad y bajo ruido

En la práctica, el tiempo de vuelo de un paquete de iones con la misma relación m/z se extiende en un pulso que puede reducirse hasta unos pocos cientos de picosegundos debido a diferencias en la distribución espacial inicial y la energía (o velocidad) en la región de aceleración. . Cada pulso es la suma de señales correspondientes a múltiples eventos independientes de llegada de iones y, a menudo, se caracteriza por el parámetro de ancho total a la mitad del máximo (FWHM).

Un detector, como un detector de placas de microcanales (MCP), detecta iones entrantes y genera una corriente de pulso eléctrico. La corriente eléctrica se captura mediante un convertidor de tiempo a digital (TDC) o un convertidor de analógico a digital (ADC) de alta velocidad.

Aunque el TDC puede ser extremadamente rápido hasta unos pocos picosegundos, tiene un rango dinámico limitado para capturar la amplitud de los pulsos. Los ADC de alta velocidad pueden alcanzar 2 o más gigamuestras por segundo con una resolución de 10 bits, 12 bits o incluso más bits, lo que permite un registro preciso de la sincronización y la amplitud de los pulsos. Discutimos especificaciones importantes de ADC de alta velocidad que impactan el rendimiento del ToF MS.

Aplicaciones de la espectrometría de masas de tiempo de vuelo.

ToF-MS ha ganado un gran interés desde la década de 1990, cuando se inventó y comercializó la desorción e ionización por láser asistida por matriz (MALDI).² La tecnología MALDI ioniza las moléculas de la matriz, típicamente ácidos orgánicos, y simultáneamente vaporiza las moléculas de la muestra utilizando pulsos de láser ultravioleta (UV) de cientos de picosegundos a unos pocos nanosegundos.

En la fase gaseosa, las moléculas de la matriz transfieren protones a las moléculas de la muestra, de modo que las moléculas de la muestra se protonan y se convierten en iones cargados. Debido a que la matriz absorbe la mayor parte de la energía del láser, las moléculas de la muestra mantienen su integridad sin fragmentarse ni descomponerse, lo que convierte a MALDI en el método de ionización más convincente para el análisis de macromoléculas biológicas.

Gracias al fácil acoplamiento entre MALDI y ToF-MS, el rango de masa ilimitado, la alta sensibilidad y el alto rendimiento, ToF-MS se ha convertido en una herramienta indispensable para la investigación biomédica, el desarrollo de fármacos y las aplicaciones clínicas donde los analitos comunes son las macromoléculas.

En particular, MALDI ToF MS desempeña un papel insustituible en la identificación bacteriana clínica con el tiempo de respuesta más rápido de cuatro horas en comparación con las más de 72 horas de las tecnologías tradicionales u otras novedosas.³ Los tiempos de respuesta rápidos son fundamentales para la atención y los resultados de los pacientes con infecciones bacterianas.

Otras ventajas de MALDI-TOF MS incluyen una fácil preparación de muestras, bajos costos operativos y la capacidad de identificar algunas bacterias raras. Dado que la resistencia a los antimicrobianos representa una gran amenaza para la salud humana en todo el mundo, MALDI ToF MS se está convirtiendo en un dispositivo de punto de atención.⁴

Parámetros clave de ToF MS

La capacidad de ToF-MS para cuantificar los diversos analitos en las muestras de prueba depende de muchos factores, incluida la elección del método de ionización de la muestra, la configuración y las características temporales de los campos eléctricos utilizados para acelerar y guiar los iones hacia el detector de iones, la eficiencia del detector y digitalización de la señal. Limitamos nuestra discusión a especificaciones clave de ToF MS relacionadas con la digitalización de señales, incluido el rango de masa, la precisión de la masa, la resolución de la masa, la tasa de repetición y la sensibilidad.

El rango de masas es el rango de pesos moleculares de las moléculas en la muestra y depende de varios factores, incluido el voltaje de aceleración, la longitud del tubo de vuelo, la velocidad de exploración y la velocidad de repetición. Los requisitos del rango de masa varían según la aplicación. Por ejemplo, la identificación bacteriana mediante MALDI ToF MS mide marcadores ribosómicos en el rango de masa de 2000 a 20 000 Daltons (Da).

Dado que la masa se calcula a partir del tiempo de vuelo, la precisión de la masa de ToF MS está determinada principalmente por la precisión de la sincronización de los pulsos. En la práctica, el tiempo de llegada de cada pulso se calcula ajustando el pulso a una función gaussiana y encontrando el pico. La frecuencia de muestreo del ADC determina la cantidad de muestras para un solo pulso y es crucial para ajustar el pulso.

La resolución de masa es una medida de la distancia más pequeña distinguible entre dos pulsos vecinos en el espectro. A menudo se define como la relación entre la masa del ion y la anchura del pulso de masa correspondiente. Una definición típica del ancho de un pulso es FWHM. Cuanto más estrecho es el pulso, mayor es la resolución de masa, lo que significa una mejor discriminación entre dos paquetes de iones con pesos moleculares cercanos. Si bien la resolución de masa se puede mejorar significativamente utilizando aceleración ortogonal y reflectrón, la frecuencia de muestreo del ADC y el rendimiento del ruido también afectan esta especificación clave.

En ToF-MS, el espectro de masas es la suma de señales de muchas repeticiones, en lugar de un único transitorio que implique un solo proceso de ionización, aceleración y deriva, y detección y digitalización de iones. Más importante aún, para muestras de prueba que contienen múltiples moléculas de diferentes pesos moleculares y concentraciones, un solo evento de ionización puede no producir iones de todas las moléculas de interés ni sus proporciones proporcionales a su concentración.

La suma es un enfoque eficiente y práctico para reducir dichos errores de muestreo y mejorar la relación señal-ruido (SNR). Por lo tanto, la tasa de repetición es una especificación importante y práctica de ToF MS para SNR y rendimiento. El último ToF MS puede lograr un escaneo de 1 kHz o más rápido, lo que significa que cada transitorio dura 1 ms o menos. Aumentar la frecuencia de muestreo del ADC acorta la duración de cada transitorio y proporciona una tasa de reabastecimiento más rápida.

La sensibilidad de ToF-MS es la capacidad de detectar las moléculas con la concentración más baja en las muestras. En general, está determinado por muchos factores, como el ruido químico de fondo, el rango de concentración de todas las moléculas de interés, la figura de ruido y el rango dinámico del detector y el ADC, y el número de transitorios sumados para el espectro de masas final. En la práctica, la sensibilidad del sistema se puede optimizar identificando el factor de cuello de botella y/o equilibrando estos factores.

Especificaciones ADC deseadas para ToF MS

Un ADC de alta velocidad y bajo ruido es fundamental para el rendimiento del sistema de ToF MS. Como se mencionó anteriormente, la precisión de la sincronización y el nivel de ruido del sistema son dos especificaciones importantes de los instrumentos ToF-MS. Si bien existe una solución para el nivel de ruido del sistema sumando mediciones repetidas, la precisión de la medición del tiempo está determinada por la frecuencia de muestreo y la fluctuación de apertura del ADC de alta velocidad.

Teniendo en cuenta que los pulsos en un instrumento ToF-MS con aceleración ortogonal y reflectrón pueden durar solo unos pocos cientos de picosegundos, a una velocidad de 5 Gmuestra/s solo hay unas pocas muestras para un solo pulso. Cada muestra es crucial para encontrar el pico del impulso al ajustar las muestras a una función gaussiana. Por lo tanto, la frecuencia de muestreo y la fluctuación de apertura son especificaciones deseables del ADC.

La sensibilidad está determinada por el nivel de ruido del sistema, que se puede mejorar sumando mediciones repetidas. Sin embargo, el número de repeticiones limita el rendimiento del instrumento. El rendimiento del ruido del ADC es importante para lograr una sensibilidad específica con menos repeticiones.

Cuando se trata del rendimiento del ADC, existe la idea errónea de que la SNR es proporcional a la resolución de bits. Los ADC con una velocidad de muestreo de 1 Gmuestra/s o más a menudo utilizan una arquitectura de tubería y tienen especificaciones que incluyen el número efectivo de bits (ENOB) y la densidad de ruido/figura de ruido/SNR, etc.

Sin embargo, los ADC canalizados no pueden alcanzar la resolución de bits porque tienen varios inconvenientes que contribuyen al ruido. Estos incluyen amplificadores operacionales de alta ganancia y amplio ancho de banda necesarios para reducir errores, desajustes de capacitores y disipación de potencia de amplificadores operacionales y de muestreo y retención (S/H) frontales.⁵

El ENOB depende de la frecuencia de entrada y la frecuencia de muestreo y se calcula utilizando la relación señal-ruido y distorsión (SNDR). Por ejemplo, el AD9081 de 12 bits tiene un ENOB de 8 bits a 4 Gmuestras/s y una frecuencia de entrada de 4500 MHz. ENOB no es una buena medida del rendimiento de ruido del ADC. La densidad de ruido está un paso más cerca del nivel de ruido práctico, pero las pruebas en banco con pulsos gaussianos proporcionan información sobre el rendimiento del ruido del ADC y, por lo tanto, la sensibilidad del instrumento ToF-MS.

Pruebas en banco de un ADC de alta velocidad y bajo ruido

El front-end de señal mixta (MxFE) proporciona integración inteligente de ADC de RF, convertidores de digital a analógico (DAC), procesamiento de señales digitales en chip y bucle de reloj/fase bloqueada (PLL) para sincronización multichip. También hay piezas MxFE que solo están disponibles con ADC de alta velocidad.

Para simplificar, nuestra prueba de banco utilizó el AD9082, que tiene ADC y DAC integrados. (Fig. 3). El DAC integrado se utilizó para generar un tren de pulsos gaussiano estrecho con un FWHM de 0,5 ns y control de amplitud mediante una combinación de escalado digital y atenuadores externos. Los pulsos gaussianos están mucho más cerca de la señal en los espectros de masas que la señal típica de un solo tono para la caracterización de ADC.