CN102246259B - 化学和生物样品分离的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述了基于气相中的选择性离子-分子相互作用分离化学和/或生物样品的方法和装置。向漂移气体中加入选择性地与漂移管中样品的至少一种组分中的目标分子相互作用的化学改性剂。组分可以是样品中的杂质和/或干扰物质从而使化学改性剂通过改变组分的漂移时间而提高样品分辨度。另外，可以在离子化之前、过程中、或之后加入试剂从而与样品中选择的组分形成络合物。另外，也可以向样品中加入一种或多种内标物和/或外标物作为对测量的校准。

Description

化学和生物样品分离的方法和装置

相关申请的交叉参考

本申请要求于2008年10月10日提交的相应的美国临时专利申请第61/104,319号的权益和优先权，将该申请的全部内容结合于此作为参考。

背景技术

离子迁移光谱仪(IMS)已经成为检测痕量化学和/或生物分子的常用工具。与其他光谱测定化学分析技术(例如质谱)相比，IMS是一项分辨率相对低的技术。在某些情况下由于缺少足够的分辨率来防止不需要的干扰化学和/或生物分子的响应使IMS的极高灵敏度、小尺寸、低能耗和环境气压运行优势完全抵消或最低限度使其降低。导致的假阳性结果的范围可以从某些情况下的小麻烦到其它情况下的大麻烦。干扰化学和/或生物分子可以具有非常相似的离子迁移率，其反过来可以显著地限制检测和鉴别样品中的低水平的目标化学和/或生物分子。

当分子的分子复杂度(尺寸、立体基因中心的数量、手性中心的数量、官能团的数量等)增加时，就会发生另一个IMS分辨问题。由于分子的柔性可能存在多个构象，因此当分子经过漂移管时会采用多个不同的构象。

现有技术水平的离子迁移光谱仪缺少以下能力：在样品分析中直接降低干扰化学和/或生物分子的出现，限制分子的可能构象的数量，以及报告分子和内标物的相对差异。在努力开发新的分析光谱/光谱测定技术中可以利用分子的分子几何结构。本发明的目的是通过利用分子的分子几何结构克服这些缺陷。

发明内容

在本发明的一个方面中，将至少一种化学改性剂加入到漂移气体中，所述化学改性剂在漂移管中选择性地与样品的至少一种组分中的目标分子几何结构相互作用。组分可以是样品中的多种杂质(杂质)和/或多种干扰物质(干扰物质)从而使化学改性剂通过改变组分漂移时间提高样品分辨率。化学改性剂相互作用力可以包括：氢键、偶极-偶极和空间位阻效应，但是不仅限于这些。另外，在离子化之前、过程中或之后可以向样品中加入至少一种金属和/或其他试剂以与样品中的目标化学和/或生物分子或者杂质和/或干扰物质、或者这两者相互作用。另外，也可以将一种或多种内标物和/或外标物加入样品中以产生测量的参考值。

附图说明

当结合附图时通过以下描述可以更充分地理解本发明的以上和其他方面、实施例和特征。在附图中相同的参考符号通常是指全文各个附图中的相同特征和结构元素。本附图不一定按比例绘制，取而代之的是重点放在示出本发明的主旨上。

图1示出分子的分子几何结构，其可以是由于分子的环拓扑，来自分子中发现的一种或多种官能团，或可以是整个分子的一部分。

图2示出引入基于离子迁移的光谱仪中的化学物质的离子迁移谱。

图3示出使用苯酚作为催化剂的环己烯与过氧化氢的环氧化的机理。

图4示出TATP中的过氧官能团通过氢键与环戊二醇的化学选择性相互作用。

图5示出与硼和钛的空轨道形成的氢键。

图6示出TATP和丙二酸二甲酯的偶极-偶极相互作用。

图7示出硼酸和硝基化合物之间的多个相互作用点。

图8示出2，5-二甲基呋喃和TNT的偶极-偶极相互作用。

图9A-B示出二乙烯基醚与TNT相互作用的两种可能方式。

图10示出VX/V-型神经毒剂的两种可能降解产物。

图11示出Ti(OR)₄和B(OR)₃与二齿配位体的可逆相互作用。

图12示出化学改性剂和降解产物之间的氢键相互作用。

图13示出产生构象上受限的分子的分子内氢键。

图14A-B示出非限制的分子图14A和金属结合络合物14B。

图15A-B示出具有2个手性中心的非限制分子15A和金属结合络合物15B。

图16示出具有一个手性中心的分子。

图17A-C示出与分子的不同相互作用。

图18示出生物上有活性的过氧化物、转化剂和化学改性剂。

图19示出化学改性剂通过转化剂1803上发现的硝基官能团与络合物1901选择性地结合成为络合物1903。

具体实施方式

除非在本文中另有说明，术语“基于离子迁移的光谱仪”意图表示任何根据在相同或不同物理和/或化学条件下的离子迁移率和/或迁移率差值分离离子的器件，该光谱仪还可以包括在分离过程之后检测离子。本文的许多实施例使用飞行时间型IMS作为实例；术语基于离子迁移的光谱仪也可以包括许多其他类型的光谱仪，例如微分迁移率光谱仪(DMS)和场不对称离子迁移光谱仪(FAIMS)，以及其他派生和/或组合形式的光谱仪。除非另有说明，术语离子迁移光谱仪或IMS可以与以上定义的术语基于离子迁移的光谱仪互换使用。

如本文中使用的，术语“分析仪器”通常指基于离子迁移的光谱仪、MS和具有相同或相似功能的任何其他仪器。除非在本文中另有说明，术语“质谱仪”或MS意图表示测量已经被转化成离子或打算随后测定质荷比的储存离子的化学/生物化合物的质荷比任何设备或仪器。MS的实例包括但是不限于：离子阱质谱仪(ITMS)、飞行时间质谱仪(TOFMS)以及具有一个或多个四级滤质器的MS。

在本文的说明书和权利要求中使用的短语“和/或”应当理解成表示要素的“两者之一或两者都”这样的联合，即，在一些情况下要素共同存在，而在其他情况下单独存在。

除非本文中另有说明，术语“化学和/或生物分子”意图表示单个或多个带电荷或不带电荷的，由原子、分子、粒子和亚原子粒子衍生而来的粒子。

在本发明的一个方面中，将至少一种化学改性剂加入到漂移气体中，所述化学改性剂在漂移管中选择性地与样品的至少一种组分的目标分子几何结构相互作用。样品可以包括炸药，化学战剂，有毒工业化学品，毒素，生物战剂，和/或其他化学、生物化合物。样品的组分可以是关注的化学和/或生物分子或者组分可以是样品中的杂质和/或干扰物质，从而使化学改性剂通过改变组分漂移时间提高样品分辨率。通过利用组分的分子几何结构，化学改性剂通过离子-分子间作用优选与其中一种组分相互作用。化学改性剂相互作用力可以包括：氢键、范德华力、偶极-偶极、空间位阻效应、配位共价键、金属键、离子键、非共价键、弱共价性、反键，但是不仅限于这些。化学改性剂相互作用力也可以包括短寿命亚稳定化合物和/或团簇的形成。团簇可以是长寿命非共价相互作用或共价相互作用。

结构选择性分辨方法可以包括：提供样品，该样品含有至少一种具有针对基于离子迁移的光谱仪的目标分子几何结构的组分；离子化样品；加入至少一种化学改性剂，该化学改性剂具有选择性地与样品的所述至少一种组分的目标分子几何结构相互作用的互补分子结构；以及基于样品组分的测量的离子迁移特征将样品的至少一种组分与其他组分分辨开。测量的离子迁移特征可以是组分的测量的漂移时间。测量的离子迁移特征可以是在基于离子迁移的光谱仪中的高场和/或低场条件影响下的离子飞行路径。化学改性剂优选与其相互作用的样品组分可以是样品中的杂质(多种杂质)和/或干扰物质(多种干扰物质)。

在本发明的另一个方面中，化学改性剂可以在离子化之前加入样品中和/或将其直接引入飞行时间型IMS的电离源、反应区域、漂移管的漂移区域中。如果是其他类型的基于离子迁移的光谱仪，改性剂可以在分离之前或分离过程中加入载气中。

分子几何结构或分子结构是组成分子的原子的三维排列。分子的分子几何结构可以用于帮助预测例如晶体结构、偶极矩、反应性、键长、键角等。对于小分子和/或独立的官能团有六种基本的几何形状：线型(平面型)、三角平面型、四面体型、八面体型、金字塔型以及弯曲型。较大的分子通常具有独特的拓扑，拓扑由一种或多种官能团和/或产生分子几何形状的分子核心形状建立。这种独特的拓扑可以根据下列事实产生：分子内的每个原子都占据一定量的空间(即空间效应)并引起特定的空间吸引力。当分子具有最适合彼此相互作用的几何结构时产生空间吸引力。在这些情况下分子最常以特定的排列彼此反应/相互作用。具有由分子的核心形状产生的特定拓扑结构的较大分子的非限制性实例在图1中显示。分子100的α角、分子102的β角以及分子104的γ角产生独特的环拓扑。如图1所示，分子的几何形状可以是整个分子的一部分，例如二氧化碳101(线型几何结构)；或可以来自分子中发现的一种或多种官能团，例如在环三亚甲基三硝胺(RDX)103中发现的硝基官能团(三角平面型几何结构)。另外，分子内的不同官能团组合可以建立分子的分子几何结构，例如1-硝基-7-萘酚105。每个官能团的原子和杂化建立分子的独特分子形状。每个官能团的分子几何结构可以用于引起与化学改性剂之间的特异性离子分子相互作用。化学改性剂的分子几何结构需要与待分离/分辨的组分的分子几何结构互补。例如，由于二氧化碳(待分离/分辨的组分)101具有线型几何结构，为了发生偶极-偶极离子-分子相互作用，也呈现出线型几何结构的化学改性剂是必要的。尽管对于乙酸酐(化学改性剂)107点电荷并不一定在线型几何结构中，但是该几何结构可能足以诱导两个分子101和107之间的作用力。如果RDX103的目标分子几何结构是三个硝基官能团之一，那么化学改性剂需要通过具有互补的分子几何结构来满足这些几何学要求。硝基具有三角平面型几何结构，因此对于化学改性剂硼酸109是一个良好的选择，因为硼酸具有三角平面型几何结构。这两个分子103和109之间的离子-分子相互作用是通过氢键。分子内的不同官能团组合建立分子的几何骨架，例如1-硝基-7-萘酚105。硝基基团和同一分子中的具有芳香萘环核心的醇官能团建立整个平面分子几何结构。具有平面型几何骨架的化学改性剂例如分子111可能有利于探索与硝基官能团之间的偶极-偶极相互作用以及与醇官能团之间的氢键相互作用。

官能团是分子内特定原子团，其负责这些分子在化学反应中的特征性相互作用(化学键的形成和断裂)和吸引力。构成分子的几何骨架从而影响分子间的分子相互作用的官能团的组合和分布决定分子的分子形状。这些相互作用或吸引力可以包括：氢键、范德华力、偶极-偶极、空间位阻效应、配位共价键、金属键、离子键、非共价键、共价键、弱共价性、反键、短寿命亚稳定(化合物)、团簇，但是不仅限于这些。团簇可以是长寿命非共价相互作用或共价相互作用。

如本文中所使用的，术语“官能团”可以包括分子内以下特定原子团：缩醛、乙酰氧基、乙酰基、酸酐、丙烯基、酰基、酰基卤、缩羰酯、偶姻、酰基硅烷、醇、醛、醛亚胺、烷烃、烯烃、烷氧化物、烷氧基基团、烷基、烷基环烷烃、烷基卤化物、烷基腈、炔烃、丙二烯、烯丙基、胺、酰胺、脒、胺氧化物、氨基、铵、戊基、芳基、叠氮化物、氮杂环丙烷、偶氮化合物、氧偶氮基、苯甲酰基、苄基、β-内酰胺、双缩氨基硫脲、缩二脲、硼酸、丁基、氨基甲酸酯、碳炔、甲醇基、碳环基、碳环型的(carbocyclylic)、碳环、碳环(carbocyclo)、碳二亚胺、碳酸酯、羰基、氨甲酰、羧基、羧酸(carboylic acid)、氯甲酸酯、巴豆基、累积多烯、氨腈、氰酸盐、氰酸酯、氰亚胺(cyanimide)、氰醇、环烷烃、环烯烃、环炔烃、环丙烷、重氮基、重氮化合物、二醇、二硫化物、烯胺、烯醇、烯醇醚、烯醇式阴离子、烯酮、烯炔、环硫化物、环氧化物、酯、醚、乙基基团、糖苷键、胍、卤化物、卤代醇、卤素、卤代酮、半缩醛、半酰胺、杂环基团、杂环型的、杂环、杂环基、杂环(heterocyclo)、杂芳基、酰肼、肼、腙、氢过氧化物、羟肟酸、羟基、氢氧根、羟基胺、羟甲基、亚胺、亚胺(iminium)、异丁酰胺、异氰酸酯、异氰化物、异丙基、异硫氰酸酯、缩酮、烯酮、烯酮亚胺、酮、羰游基、内酰胺、内半缩醛、甲磺酸、金属乙炔化物、甲烷、甲氧基、甲基基团、亚甲基、亚甲二氧基、N-氧代铵盐、硝酸盐、腈、腈亚胺、亚硝酸盐、硝基化合物、硝胺、氮酸酯、硝酮、硝鎓离子、亚硝胺、亚硝基、亚硝酰基、全氟丁基磺酸盐(nonaflate)、有机过氧化物、有机硫酸酯、有机硫化合物、有机磷、有机卤化物、原酸酯、脎、肟、磷氧化物(oxon)、戊基、肽、过氧化物、持久性碳炔(persistent carbine)、苯基基团、亚苯基、膦炔化物(phosphalkyne)、磷酸盐、次膦酸盐、磷化氢、氧化膦、次亚膦酸酯、亚磷酸盐、膦酸酯、亚膦酸盐(phosphonite)、磷鎓、膦烷、炔丙基、丙基、丙炔基、根基、Schiff碱、硒醇、硒代羧酸、硒醚、硒酸、氨基脲、缩氨基脲、硅烯醇醚、硅醚、硫化物、亚磺酸、次磺酸、磺酰胺、磺酸盐、磺酸、磺酰基、亚砜、磺酰、tellurols、硫醛(thial)、硫缩醛、硫醛(thioaldehyde)、硫代酰胺、硫代羧基、硫代羧酸(thiocaroxylicacid)、硫氰酸酯、硫酯、硫醚、酮缩硫醇、硫酮、硫醇、硫脲、甲苯磺酰基、三氮烯、三氟甲磺酸(triflate)、三氟甲基、三卤化合物、三甲基硅烷基、三元醇、脲、香草基、乙烯基、卤乙烯、黄酸盐、叶立德、ynolate，但是不仅限于这些。

除非本文中另有说明，术语“化学改性剂”意图表示一种或多种在一定程度上选择性地与样品的至少一种组分中的至少一种目标分子几何结构相互作用的化学制品和/或生物制品。另外，化学改性剂可以具有一个或多个手性中心。

除非本文中另有说明，术语“目标分子几何形状”意图表示组成分子的原子的三维排列。目标分子几何结构可以是：整个分子、分子中的一种或多种官能团、几何骨架(通过其，分子内的不同官能团组合建立分子的分子几何结构)、分子的拓扑、分子的空间效应、线型、三角平面型、四面体型、八面体型、金字塔型、弯曲型，但是不仅限于这些。

除非本文中另有说明，术语“互补分子几何结构”意图表示化学改性剂具有的在一定程度上与目标分子几何结构相似的分子几何结构，其中待分离/分辨的样品的组分与化学改性剂之间的相互作用在一定程度上相对于非目标分子几何结构而言更具选择性。互补分子几何结构可以是：整个分子、分子中的一种或多种官能团、几何骨架(通过其，分子内的不同官能团组合建立分子的分子几何结构)、分子的拓扑、分子的空间效应、线型(平面型)、三角平面型、四面体型、八面体型、金字塔型、弯曲型，但是不仅限于这些。

在本发明的一个具体方面中，将一种或多种化学改性剂注入到漂移气流中并且引入到基于离子迁移的光谱仪中。在样品的一种或多种组分与一种或多种化学改性剂的碰撞过程中，这些相互作用在本质上是短暂的。大部分的化学改性剂并不涉及样品的组分通过永久共价键进行衍生化，例如在共价合成中所使用的，(然而，在一些特定的情况下，当将改性剂加入到基于离子迁移的光谱仪的合适部分中时可以形成样品组分和非常规化学改性剂的共价团簇)。化学改性剂通常不涉及离子-分子反应例如在氮气缓冲气体中氯离子与烷基溴的S_N2亲核置换反应[Giles，K.，Grimsrud，E.P.J.Phys.Chem.1992，96，6680-6687]。相反，化学改性剂涉及瞬态络合物形式的离子-分子相互作用例如氢键，、范德华力、偶极-偶极、空间位阻效应、短寿命亚稳定化合物、团簇，但是不仅限于这些。团簇可以是长寿命的非共价相互作用或共价相互作用。由于瞬态络合物形成和变形过程在基于离子迁移的光谱仪中快速地重复，可以观察到样品的组分的结构选择性分辨。化学改性剂对平均测量的迁移率变动的贡献应是浓度依赖性的和可定量分析的。通过改变化学改性剂的类型和浓度以及漂移管中的气体温度、压力和流速可以改变样品组分和化学改性剂之间的相互作用程度。样品和化学改性剂之间的多点相互作用可以潜在地导致更大量的迁移率变动。

本发明的某些实施例包括一系列选择性地与导致IMS中基于结构选择性的漂移时间变化的化学试剂或炸药的目标分子几何结构相互作用的化学改性剂。根据所选择的改性剂的分子几何结构，漂移气体化学改性剂可以选择性地增加基于硝基的化合物的漂移时间。在以下非限制性的实例中，化学改性剂的目标分子几何结构是硝基官能团。通过使用设计的气相离子化学，基于硝基的炸药例如TNT、RDX和硝化甘油的漂移时间都偏离了它们原来的漂移时间从而消除了IMS中常见的干扰问题。图2示出了由实验室试验得出的离子迁移图谱，其中将已知量的TNT引入了系统。在检测过程中，检测到了多个峰而其中只有一个峰是与组分TNT203直接相关的。另一个主峰201是仪器背景离子。应该注意到在相对长的漂移时间区域207中存在明显较少的干扰或没有干扰。在该具体实例中，许多其他干扰峰分布在这两个峰之间；其中的大多数都在低漂移时间范围中。另外，该图谱是在实验室环境中获得的，由此现场样品通常表现出更复杂的离子迁移图谱。不幸的是，大多数基于硝基的目标被测物具有与干扰物质非常相似的离子迁移率。基于硝基的炸药的漂移时间在如图2的205虚线框内示出的区域中。在这个区域中，检测窗口和阈值是灵敏度和误报率之间的折中值而且显著地限制低水平炸药的检测并使得炸药的检测不可能。可以使用结构选择性离子-分子相互作用(SSIMI)选择性地将所关注的样品中的组分的漂移时间调整到IMS图谱中预期的区域，在所述的区域中存在极少的或不存在干扰化学物质。如图2示出的，如果所有基于硝基的炸药的漂移时间移动到长漂移时间范围207虚线框内，则干扰的可能性很低；检测阈值可以降低到非常低的水平。

以下实例是非限制性的。目标分子几何结构可以用于其他类似的离子-分子相互作用。

对于现有的离子迁移光谱仪，检测过氧化物及其前体是非常困难的。目前的基于IMS的系统可以检测三过氧化三丙酮(TATP)的分解产物，但是在短漂移时间检测窗口中表现出高误报率，因此它们不能检测过氧化氢。为了解决过氧化物检测问题，可以使用一些气相相互作用机理实现SSIMI。化学改性剂与TATP中过氧官能团的目标分子几何结构之间的氢键相互作用是下一个非限制性实例。在有机合成中，通常通过使用金属催化剂完成使用过氧化氢的烯烃的环氧化反应。最近，已经示出有机、非金属化合物能够激活H₂O₂从而进行烯烃的环氧化反应[J.Wahlen，D.E.De Vos，P.A.Jacobs，Org.Lett.5，(2003)1777-1780]。如图3中所示，Jacobs使用苯酚302作为催化剂以通过氢键306激活过氧化氢304。两个反应分子必须达到允许氢键发生的特定的几何结构。该反应表明苯酚和过氧化氢之间具有强烈的使环己烯发生环氧化反应的相互作用。通过使用这种几何学的上对齐的氢键相互作用，使用苯酚作为改性漂移气体的过氧化氢样品的漂移时间由于这种氢键相互作用使过氧化氢样品的漂移时间变得更长。在ppm范围内的化学改性剂水平可以导致漂移时间变动数毫秒。变动量取决于离子-分子相互作用力的强度、与过氧化物的分子互补分子几何结构程度、改性剂的浓度和操作参数(例如温度)。类似地，也可以使用其他化学改性剂(例如全氟化的醇溶剂)以达到与过氧化物的结构选择性相互作用的效果[K.Neimann，R.Neumann，Org.Lett.2，(2000)2861-2863]。另外，如图4中示出的，可以使用顺式-1，2-环戊二醇403借助多点氢键选择性地与三过氧化三丙酮(TATP)406相互作用从而将TATP的漂移时间移动到具有较少来自样品中其他组分的干扰的范围。TATP具有三个连接在一起形成环的过氧化物官能团。环位置中包含的过氧官能团的分子几何结构使每个氧上的孤对电子处于使两个氢键供体需要在同一平面的方向上，例如在顺式-1，2-环戊二醇403中发现的那样。除了氢键，具有空轨道504的元素以及是氢键受体的取代物可以用于与富电子过氧化物相互作用，例如图5中示出的。一些非限制性的实例是：由于基于亲氧的硼和钛的改性剂例如Ti(OEt)₄、Ti(i-OPr)₄、Ge(OMe)₄、B(OMe)₃、B(OEt)₃和B(i-OPr)₃等在各种漂移管条件下具有与过氧官能团相互作用的能力，因此可以使用这些改性剂。这组改性剂的沸点是从58至232℃并适合作为漂移气体中的低浓度(ppm)蒸汽混合物引入。可以使用的另一种气相结构选择性离子-分子相互作用是偶极-偶极相互作用。图6示出丙二酸二甲酯601和TATP 603之间的相互作用。该非限制性实例表明由于几何学上的对齐而具有很大程度选择性的两点偶极-偶极相互作用。特异性地选择丙二酸二甲酯以匹配分子几何结构并且与TATP中的O-O官能团相互作用。

由于具有与过氧化物所示出的类似的离子-分子相互作用，基于硝基的炸药的漂移时间也可以变化。讨论一些关于离子-分子相互作用力的非限制性实例，例如氢键和偶极-偶极相互作用。图7示出两种可能的氢键方案，其表明硼酸和硝基化合物之间具有多个相互作用点。硝基化合物包含一个或多个硝基官能团。硝基官能团是“平面型”结构，因此选择硼酸因为其具有与目标分子几何结构互补的三角平面型几何结构。

图8示出2，5-二甲基呋喃801和芳香硝基化合物803(例如TNT)的偶极-偶极相互作用。在该相互作用中，对于成功的漂移时间移动来说改性剂的几何结构是关键的，因为偶极-偶极相互作用通常是近范围相互作用。二乙烯醚902与TNT 904以图9A侧边对侧边方式或图9B顶部对底部方式相互作用。所讨论的实例是非限制性的，也可以使用具有类似结构官能团和电荷分布的其他分子作为改性剂以改变硝基化合物的漂移时间。

对于SSIMI方法可以使用许多其他分子，例如但是不限于神经毒剂的降解产物。图10示出VX/V-型神经毒剂1000的两种可能的降解产物氨基醇1001和氨基硫醇1003，其可以与路易斯酸选择性地相互作用因为它们是二齿配位体。另外，氧和硫具有以可逆的方式与硼和钛相互作用的强潜能。如图11所示，Ti(OR)₄和B(OR)₃可以具有与各种分子之间的强烈的可逆相互作用。异丙氧基钛和甲氧基锗都具有四面体型的互补分子几何结构。因此，目标分子几何结构上的至多四个官能团可以以四面体型几何结构相互作用。硫芥1200的降解产物可以与各种改性剂选择性地形成氢键，其取决于改性剂的几何结构定位的官能团和相互作用的强度。图12示出改性剂结构1，3，5-三烷1201、4-环戊烯-1，3-二酮1203和马来酰亚胺1205，以及与硫芥1200的降解产物1210的可能的相互作用1207、1208&1209。

SSIMI分辨/分离方法可以用于鉴别生物分子以及化学物质。使用胰蛋白酶分解蛋白质。因此它被广泛地用于各种生物技术方法中。胰蛋白酶主要切断在氨基酸赖氨酸(Lys)和精氨酸(Arg)羧基端的肽链，赖氨酸(Lys)或精氨酸(Arg)之后连接脯氨酸的情况除外。胰蛋白酶通常用在蛋白质组学实验过程中的生物研究中以将蛋白质消化成用于质谱分析的肽类，例如胶内酶解。胰蛋白酶尤其适合这个，因为其具有极其明确的特异性，其只水解其中羧基基团由Arg或Lys残基提供的肽键。这些肽中暴露的Arg或Lys官能团以及处于肽的一端的羧酸官能团产生确定的分子几何结构，化学改性剂可以设计用来选择性地与该确定的分子几何结构相互作用。由于Arg官能团与Lys官能团不同并且它们都具有不同的分子几何结构，因此化学改性剂可以选择性地优选与其中一个相互作用。例如，胰蛋白酶消化之后，研究者可以向IMS中加入化学改性剂，该化学改性剂选择性地与蛋白质的Arg肽片段相互作用。这些Arg肽片段可以与Lys肽分离/分辨开并且可以通过连接有MS或其他分子仪器的IMS进一步鉴定。

在本发明的另一系列实施例中，待分辨的样品的至少一种组分中的至少一种目标分子几何结构具有至少一个手性中心，包括一种或多种官能团。手性中心(多个手性中心)可以是：官能团(多个官能团)的一部分、与官能团(多个官能团)连接、与官能团(多个官能团)相邻、从官能团(多个官能团)移除、以及其任何组合。向漂移气体中加入至少一种化学改性剂，其选择性地与待分辨的目标分子几何结构相互作用。手性中心(多个手性中心)可以设定与化学改性剂具有特异性相互作用的分子几何结构，所述的化学改性剂可能包括或可能不包括手性中心。

在本发明的又一系列实施例中，可以向样品中加入至少一种固定剂以固化：样品中的目标化学和/或生物分子或者杂质和/或干扰物质，或这两者。可以在向IMS引入样品的过程的各个阶段向样品中加入固定剂。向样品中加入固定剂的一些非限制性实例是：在将样品加入到离子化区域中之前、样品在离子化区域中时、样品离子化之后。当分子的分子复杂度(尺寸、立体基因中心的数量、手性中心的数量、官能团的数量等)增加时，由于分子的柔性，可能存在多个构象，因此当经过漂移管时，分子可以采用多个不同的构象。通过固化分子，固定剂可以限制样品的组分的可能构象。固定剂包括但是不限于：化学和/或生物分子、无机化合物、有机化合物、金属、矿物质、大分子、聚合物、生物高分子、核苷酸、蛋白质、碳水化合物、脂质、大环和纳米管。由于与化学改性剂具有更特异性的相互作用，样品组分的极少数构象可以提高分辨率/分离度。至少一种化学改性剂可以选择性地与样品的组分和/或相关固定剂相互作用，并且基于样品组分的测量的离子迁移特征将样品中的组分与其他组分分辨开。测量的离子迁移特征可以是组分的测量的漂移时间。测量的离子迁移特征可以是在基于离子迁移的光谱仪中的高场和/或低场条件影响下的离子飞行路径。方法的非限制性实例可以是在离子化之前形成[金属-样品组分]络合物，然后在向漂移气体中加入至少一种改性剂的同时实施迁移率分析。[金属-样品组分]络合物与改性剂之间的相互作用可以通过检测器上分子的不同漂移时间进行鉴别。检测器可以是：质谱、法拉第盘、CCD、高压倍增器、在检测器上产生与离子数量成正比的信号的任何传感器，但是不仅限于这些。

据设想，许多不同的金属可以用于形成[金属-样品组分]络合物，包括：碱金属(Li、Na、K、Rb、Cs、Fr)、碱土金属(Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra)、过渡金属(Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Rf、Db、Sg、Bh、Hs、Uub)、类金属(B、Si、Ge、As、Sb、Te、Po)、其他金属(Al、Ga、In、Sn、Tl、Pb、Bi)、镧系元素(La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)、锕系元素(Ac、Th、Pa、U、Np、Pu、Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm、Md、No、Lr)、但是不仅限于这些。金属可以与各种反离子和/或反离子的组合一起使用，所述的反离子包括：卤素(Cl、Br、I、F)、醋酸盐、腈、水合物、乙酰丙酮化物、碳酸盐、氢氧化物、甲氧化物、乙氧化物、丙氧化物、硝酸盐、氧化物、高氯酸盐、硒化物、硫酸盐、硫化物、三氟甲磺酸盐、硫氰酸盐，但是不仅限于这些。

离子迁移光谱仪可以识别不同的结构(组成)或构象异构体因为他们具有不同的几何外观但完全相同的质量。具有相同质量但是具有不同碰撞截面的离子具有不同的迁移率。如果分析相同化合物的不同构象异构体，具有最小几何横截面的异构体将具有最高的离子迁移率。已经示出，紧密折叠的蛋白质具有比同一蛋白质的未折叠构象更小的几何横截面，因此未折叠的构象到达检测器的途经时间更长。在小于500MW的小分子中，根据分子官能团，构象异构体之间的的自由能差(构象自由能)可以是小的或大的转动能屏障。另外，分子内的官能团可以影响分子优选的构象。例如，图13中示出的化合物的分子内氢键产生构象上受限的分子。

本发明的一个实施例是通过在离子化之前向样品中加入固定剂而固化分子(限制构象的数量)。图14A-B示出了非限制性实例，其中向图14A的非受限分子中加入金属，其产生如图14B所示的金属络合物。通过原子和金属的相互作用可以形成金属配位络合物，所述的相互作用通过下列一种或多种作用进行：金属键、配位共价键、离子键或这些的组合，但是不仅限于这些相互作用。通过加入金属以与包含至少一个手性中心的分子中的官能团结合，这可以限制分子的构象并且通过可能含有一个或多个手性中心的化学改性剂可以发生最佳的对映体识别。图15A-15B中示出一个非限制性的实例。图15A示出具有2个手性中心和多个可能构象的样品组分。通过组分在IMS中离子化之前向组分中加入金属，图15B中示出的构象可能是主要的并且产生进行最佳化学改性剂相互作用的刚性结构。

在气相分离/分辨方法的一个方面中，使用固定剂稳定被测物的气相结构以提高气相分离度。在各个实施例中，使用可以框定(固定)气相被测物分子的高次结构的试剂以获得被测物的明确的气相迁移率。以上示出的与金属和/或其他分子形成的络合物作为本方法的非限制性实例。在另一个实施例中，可以首先将被测物固定在载体上，载体试剂可以是分子、粒子、纳米管或大分子，然后通过上述SSIMI方法分离具有不同特征的被测物。在一些情况下，当将被测物固定后，被测物的某些活性位点可能是可接近的，使设计的气相相互作用以明确的方式发生。在方法的实施过程中，被测物与载体之间的相互作用可以是永久的或是瞬态时间的。固定剂具有用于降低样品中组分的分子内运动自由度的空间结构。固定剂限制样品组分的构象变化以使改性剂与样品组分的确定的三维结构相互作用。

结构选择性分辨方法可以包括：向样品中加入至少一种固定剂，其固化样品的至少一种组分；离子化并且向基于离子迁移的光谱仪提供带有离子化试剂的样品；加入至少一种选择性地与样品的组分和/或相关固定剂相互作用的化学改性剂；然后基于样品组分的测量的离子迁移特征将样品的组分与其他组分分辨开。

固定剂可以包括，但是不限于：化学和/或生物分子、无机化合物、有机化合物、金属、矿物质、大分子、聚合物、生物高分子、核苷酸、蛋白质、碳水化合物、脂质、大环和/或纳米管。

本发明的另一个实施例是向样品中加入至少一种转化剂，其与样品的至少一种组分键合/结合(相互作用)。键合相互作用或吸引力可以包括：氢键、范德华力、偶极-偶极、空间位阻效应、配位共价键、金属键、离子键、非共价键、共价键、弱共价性、反键、短寿命亚稳定化合物、团簇，但是不仅限于这些。团簇可以是长寿命非共价相互作用或共价相互作用。可以在向IMS中引入样品的过程的各个阶段向样品中加入转化剂。向样品中加入转化剂的一些非限制性实例是：在将样品加入到离子化区域中之前、样品在离子化区域中时、样品离子化之后。向IMS中加入与样品的组分和/或转化剂选择性相互作用的至少一种化学改性剂，基于样品组分的测量的离子迁移特征将样品的组分与其他组分分辨/分离开。测量的离子迁移特征可以是组分的测量的漂移时间。测量的离子迁移特征可以是在基于离子迁移的光谱仪中的高场和/或低场条件影响下的离子飞行路径。转化剂设计用来选择性地键合/结合组分的至少一个官能团以阻断这些官能团与化学改性剂相互作用和/或设计用来在选择性地键合/结合组分的至少一个官能团之后与化学改性剂相互作用。上述的转化剂的第一种应用类似于在有机化学反应中怎么使用保护基团以阻断或保护官能团而使反应发生在化合物的其他官能团上。作为非限制性实例，样品组分具有非手性键合/结合官能团以及手性键合/结合官能团。在这种情况下，如果向样品中加入阻断非手性结合袋/官能团与手性化学改性剂相互作用的转化剂，则使用手性化学改性剂可以避开非手性结合袋/官能团从而提高手性识别度。通过选择性地与邻近分子手性中心的目标官能团位点相互作用可以发生这种情况。图16示出了非限制性实例，其中分子具有一个手性中心和多个可能的构象。如果向分子中加入金属(转化剂)，则其可以以图17A中示出的方式结合，使得手性改性剂在分子手性中心的附近相互作用，如图17B所示。通过在对映体识别过程之前向样品组分中加入络合金属，结合预期的手性识别位点而不结合不利的结合袋(多个结合袋)和/或官能团(多个官能团)。图17C示出与非手性结合袋相互作用而不是在邻近分子手性中心的附近相互作用的手性改性剂。以下描述的是转化剂的第二种应用的非限制性实例，其中转化剂被设计用来在选择性地键合/结合组分的至少一个官能团之后与化学改性剂相互作用。在该非限制性实例中，图18示出的生物上有活性的过氧化物例如epiplakinic acid D 1801(样品的一种组分)并不含有选择性地与化学改性剂1805相互作用的官能团。因此，将转化剂1803加入到样品中并且如图19所示在一定程度上与epiplakinic acid D 1801键合/结合成为络合物1901。在转化剂1803上发现的硝基官能团提供与化学改性剂1805键合/结合的位点(handle)。图19示出化学改性剂通过转化剂1803上发现的硝基官能团选择性地与络合物1901结合成为络合物1903。在以上实例中，转化剂1803通过非共价键(氢键)键合/结合epiplakinic acid D 1801(样品的组分)，然而也可以通过使用借助合成转化(有机反应)与样品组分共价键合的转化剂利用该方法。

结构选择性分辨方法可以包括：向样品中加入至少一种转化剂，其与样品的至少一种组分键合；离子化并且向基于离子迁移的光谱仪中提供带有转化剂的样品；加入至少一种选择性地与样品的组分和/或转化剂相互作用的化学改性剂；然后基于样品组分的测量的离子迁移特征将样品的组分与其他组分分辨开。转化剂可以设计用来选择性地键合组分的至少一个官能团以阻断所述至少一个官能团与化学改性剂相互作用。转化剂可以设计用来在选择性地与组分的至少一个官能团键合后与化学改性剂相互作用。

本发明的另一个实施例是使用固定剂和转化剂作为一种试剂。在这种情况下，试剂固定样品的至少一种组分，并且化学改性剂选择性地与固定样品组分的试剂反应。这类似于以上描述的转化剂的第二种应用，虽然在这种情况下转化剂也固定样品组分。

在本发明的又一个实施例中，一起使用固定剂和转化剂。在这种情况下，加入到样品中的固定剂固定样品的至少一种组分，并且同样加入的转化剂也可以用于选择性地键合/结合组分的至少一个官能团以阻断这些官能团与化学改性剂相互作用，和/或设计用来在选择性地键合/结合组分的至少一个官能团之后与化学改性剂相互作用。

在本发明的又一个方面中，可以使用一种或多种内标物和/或外标物(校准物质)通过确定和/或获知改性剂和离子之间的相互作用程度校准基于离子迁移的光谱仪。离子迁移光谱中的校准物质的离子迁移特征(例如漂移时间)可以用于证实系统的准备状态(readiness)。标准物质可以是具有已知的与改性剂的相互作用程度的物质。可以用本文中利用化学改性剂的任何公开的方法以及可能不使用化学改性剂的其他基于离子迁移的光谱仪使用这些校准物质。随着对样品组分的离子迁移行为在各种操作条件(例如，但是不限于温度、压力、湿度，、电场、流速、改性剂种类、改性剂浓度等)下的关系的了解，可以使用校准标准品来测定操作条件的变化以及预测离子迁移特征(例如离子漂移时间)的相关变化。在各个实施例中23，校准方法可以包括引入第一种校准物质并测量第一种离子迁移特征；引入第二种校准物质并测量第二种离子迁移特征；使用测量的离子迁移特征以测定合适的仪器操作参数，例如但是不限于温度、压力、湿度、电场、流速、改性剂种类、改性剂浓度等。系统校准方法也可以包括使用使已知和未知的仪器操作条件相关联的校准参数来校正在未知仪器条件下获得的数据。这种校正可以在运行中(on-the-fly)时进行或在数据获得之后进行。在许多实施例中，使用系统控制和数据采集软件和/或数据分析软件可以完成校正。在实践中，第一种和第二种校准物质可以依次或同时引入仪器中。对于上述校准方法，可以使用一种或多种校准物质。另外，校准物质在能够用于鉴定目的的光谱中可以具有一个以上的峰。

Claims (19)

1.一种结构选择性分辨方法，所述方法包括：

a)向基于离子迁移的光谱仪中提供含至少一种具有目标分子几何结构的组分的样品；

b)离子化样品；

c)加入至少一种化学改性剂，所述化学改性剂具有选择性地与样品的所述至少一种组分的目标分子几何结构相互作用的互补分子几何结构；以及

d)基于样品组分的测量的离子迁移特征将样品的至少一种组分与其他组分分辨开。

2.根据权利要求1所述的结构选择性分辨方法，其中测量的离子迁移特征是组分的测量的漂移时间。

3.根据权利要求1所述的结构选择性分辨方法，其中测量的离子迁移特征是在基于离子迁移的光谱仪中的高场和/或低场条件影响下的离子飞行路径。

4.根据权利要求1所述的结构选择性分辨方法，其中互补分子几何结构和/或目标分子几何结构是：线型、三角平面型或回旋型。

5.根据权利要求1所述的结构选择性分辨方法，其中互补分子几何结构和/或目标分子几何结构是：四面体型、八面体型或金字塔型。

6.根据权利要求1所述的结构选择性分辨方法，其中互补分子几何结构和/或目标分子几何结构是：整个分子、分子中的一种或多种官能团、几何骨架或分子的拓扑。

7.根据权利要求1所述的结构选择性分辨方法，所述方法还包括在不同操作条件下与离子迁移特征相关的校准方法。

8.根据权利要求1所述的结构选择性分辨方法，其中所述至少一种具有目标分子几何结构的组分包括至少一个手性中心。

9.根据权利要求1所述的结构选择性分辨方法，其中所述至少一种化学改性剂包括至少一个手性中心。

10.根据权利要求1所述的结构选择性分辨方法，其中样品的所述至少一种组分包括：炸药、有毒工业化学品、毒素和/或其他化学、生物化合物。

11.根据权利要求1所述的结构选择性分辨方法，其中所述至少一种化学改性剂在离子化之前加入到样品中和/或直接加入到离子源、反应区、漂移管的漂移区中。

12.根据权利要求1所述的结构选择性分辨方法，其中优选与化学改性剂相互作用的样品组分是样品中的杂质和/或干扰物质。

13.一种结构选择性分辨方法，所述方法包括：

a)向样品中加入至少一种固定剂，所述至少一种固定剂固定样品的至少一种组分；

b)离子化带有固定剂的样品并提供给基于离子迁移的光谱仪；

c)加入至少一种选择性地与样品的组分和/或相关固定剂相互作用的化学改性剂；以及

d)基于样品组分的测量的离子迁移特征将样品的组分与其他组分分辨开。

14.根据权利要求13所述的结构选择性分辨方法，其中所述固定剂包括：金属、矿物质、核苷酸、蛋白质、脂质、大环和/或纳米管。

15.一种结构选择性分辨方法，所述方法包括：

a)向样品中加入至少一种转化剂，所述至少一种转化剂与样品的至少一种组分键合；

b)离子化带有转化剂的样品并提供给基于离子迁移的光谱仪；

c)加入至少一种选择性地与样品组分和/或转化剂相互作用的化学改性剂；以及

d)基于样品组分的测量的离子迁移特征将样品的组分与其他组分分辨开。

16.根据权利要求15所述的结构选择性分辨方法，其中转化剂设计成用来选择性地键合组分的至少一种官能团以阻断所述至少一种官能团与化学改性剂相互作用。

17.根据权利要求16的结构选择性分辨方法，所述方法还包括向样品中加入至少一种固定剂，所述至少一种固定剂固定样品的至少一种组分。

18.根据权利要求15所述的结构选择性分辨方法，其中转化剂设计用来在选择性地键合组分的至少一种官能团之后与化学改性剂相互作用。

19.根据权利要求15所述的结构选择性分辨方法，其中转化剂也固定样品的组分。