CN103109346B - 用于通过质谱分析快速筛选样本的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于快速筛选样本的系统及方法。使用处理器指令非色谱的快速样本引入装置将多个样本中的每一样本供应到串联质谱仪。所述快速样本引入装置可包括流动注射分析装置、离子迁移率分析装置或快速样本清除装置。使用处理器指令串联质谱仪在多个样本中的每一样本的质量范围上以两个或两个以上质量选择窗执行碎片扫描。质量范围上的两个或两个以上质量选择窗可具有固定或可变的窗宽度。可在指令串联质谱仪执行碎片扫描之前指令串联质谱仪获得质量范围的质谱。

Description

用于通过质谱分析快速筛选样本的系统及方法

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2010年11月8日申请的第61／411,028号美国临时专利申请案的权益，所述临时专利申请案以全文引用方式并入本文中。

技术领域

本发明大体上涉及样本分析。更具体地说，本发明涉及用于通过质谱分析快速筛选样本的系统及方法。

背景技术

在许多应用中，需要快速分析，这是因为需要分析(run)许多样本或迅速地需要结果。需要许多样本的应用包括，但不限于，药品筛选、药品发现代谢、网络生物学及生物实验、食品分析、过程监测、用于取证的DNA分析及小干扰RNA(siRNA)筛选。需要迅速返回结果的应用包括，但不限于诊断、药品掺杂、食品分析及治疗监测。

一种提供快速样本分析的方法结合了快速分离技术与传统高分辨率质谱分析方法。举例来说，将样本以高样本速率注入到系统中。针对每一样本产生一个高分辨率质谱。接着，比较不同样本的质谱。

虽然此方法可在样本之间识别小分子及大分子的明显差异，但这些差异中的极少数可指示所关注项目，例如疾病。最后，使用此方法，细微但重要的差异可归因于额外复杂化(其包括，但不限于离子抑制、未分辨同核异能素、基体效应或同核异能素类)而失去或隐藏。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种用于快速筛选样本的系统。所述系统包含：串联质谱仪；快速样本引入装置，其是非色谱的且其向所述串联质谱仪供应多个样本中的每一样本；及处理器，其与所述串联质谱仪及所述快速样本引入装置通信，所述处理器指令所述快速样本引入装置将所述每一样本供应到所述串联质谱仪且指令所述串联质谱仪在所述每一样本的整个所关注质量范围上以两个或两个以上质量选择窗执行碎片扫描。

本发明的另一方面涉及一种用于快速筛选样本的方法。所述方法包含：使用处理器指令非色谱的快速样本引入装置将多个样本中的每一样本供应到串联质谱仪；及使用所述处理器指令所述串联质谱仪在所述每一样本的整个所关注质量范围上以两个或两个以上质量选择窗执行碎片扫描。

本发明的又一方面涉及一种计算机程序产品，其包含非暂时性且有形计算机可读存储媒体，其内容包括程序，所述程序具有在处理器上执行以执行用于快速筛选样本的方法的指令。所述方法包含：提供系统，其中所述系统包含一个或一个以上不同软件模块，且其中所述不同软件模块包含快速样本引入模块及串联质谱分析模块；使用所述快速样本引入模块指令非色谱的快速样本引入装置将多个样本中的每一样本供应到串联质谱仪；及使用所述串联质谱分析模块指令所述串联质谱仪在所述每一样本的整个所关注质量范围上以两个或两个以上质量选择窗执行碎片扫描。

附图说明

所属领域的技术人员将理解，下文描述的图式仅用于说明目的。所述图式不希望以任何方式限制本教示的范围。

图1为说明可在其上实施本教示的实施例的计算机系统的框图。

图2为根据多种实施例的展示用于快速筛选样本的系统的示意图。

图3为根据多种实施例的展示用于快速筛选样本的方法的示范性流程图。

图4为根据多种实施例的包括执行用于快速筛选样本的方法的一个或一个以上不同软件模块的系统的示意图。

在详细描述本教示的一个或一个以上实施例之前，所属领域的技术人员将理解本教示在其应用方面不限于以下详细描述中阐述或图式中说明的构造细节、组件布置及步骤布置。并且，应理解，本文中使用的措辞及术语是出于描述目的且不应被认为是限制性的。

具体实施方式

计算机实施系统

图1说明为可在其上实施本教示的实施例的计算机系统100的框图。计算机系统100包括总线102或用于传送信息的其它通信机构及与总线102耦合以用于处理信息的处理器104。计算机系统100还包括存储器106(其可为随机存取存储器(RAM)或其它动态存储装置)，其耦合到总线102以用于存储待由处理器104执行的指令。存储器106还可用于在执行待由处理器104执行的指令时存储临时变量或其它中间信息。计算机系统100进一步包括只读存储器(ROM)108或其它静态存储装置，其耦合到总线102以用于存储用于处理器104的静态信息及指令。提供存储装置110(例如磁盘或光盘)且将其耦合到总线102以用于存储信息及指令。

计算机系统100可经由总线102耦合到显示器112，例如阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)以用于向计算机用户显示信息。输入装置114(包括字母数字键盘及其它键盘)耦合到总线102以用于将信息及命令选择传送到处理器104。另一类型的用户输入装置为光标控件116，例如鼠标、轨迹球或光标方向键，其用于将方向信息及命令选择传送到处理器104且用于控制显示器112上的光标移动。此输入装置通常在两个轴线(第一轴线(即，x)及第二轴线(即，y))上具有两个自由度，其允许装置在平面中指定位置。

计算机系统100可执行本教示。与本教示的某些实施方案一致，计算机系统100响应于处理器104执行包含在存储器106中的一个或一个以上指令的一个或一个以上序列而提供结果。此类指令可从另一计算机可读媒体(例如存储装置110)读取到存储器106中。执行包含在存储器106中的指令序列使处理器104执行本文中描述的过程。替代地，硬接线电路可代替软件指令或与软件指令组合而用于实施本教示。因此，本教示的实施方案不限于硬件电路与软件的任何特定组合。

如本文中所使用，术语“计算机可读媒体”指代参与将指令提供到处理器104以用于执行的任何媒体。此媒体可呈许多形式，包括但不限于非易失性媒体、易失性媒体及传输媒体。举例来说，非易失性媒体包括光盘或磁盘，例如存储装置110。易失性媒体包括动态存储器，例如存储器106。传输媒体包括同轴电缆、铜线及光纤(包括包含总线102的线)。

举例来说，常见形式的计算机可读媒体包括软磁盘(floppy disk)、软盘(flexible disk)、硬盘、磁带或任何其它磁性媒体、CD-ROM、数字视频光盘(DVD)、蓝光光盘、任何其它光学媒体、拇指驱动器、存储卡、RAM、PROM及EPROM、FLASH-EPROM、任何其它存储器芯片或卡盒或计算机可读取的任何其它有形媒体。

在将一个或一个以上指令的一个或一个以上序列运送到处理器104以供执行时可涉及到多种形式的计算机可读媒体。举例来说，指令可初始地在远程计算机的磁盘上运送。远程计算机可将指令加载到其动态存储器中且使用调制解调器通过电话线发送指令。计算机系统100本地的调制解调器可在电话线上接收数据且使用红外线发射器将所述数据转换成红外线信号。耦合到总线102的红外线检测器可接收以红外信号运送的数据且将数据放置在总线102上。总线102将数据运送到存储器106，处理器104从存储器106检索指令及执行指令。由存储器106接收的指令可任选地在由处理器104执行之前或之后存储在存储装置110上。

根据各种实施例，经配置以由处理器执行以执行方法的指令存储在计算机可读媒体上。计算机可读媒体可为存储数字信息的装置。举例来说，计算机可读媒体包括如存储软件的技术中已知的压缩光盘只读存储器(CD-ROM)。计算机可读媒体由适于执行经配置以被执行的指令的处理器存取。

已出于说明及描述目的呈现了对本教示的各种实施方案的以下描述。其不是详尽的且不将本教示限于所揭示的精确形式。修改及变型在以上教示的背景下是可能的且可通过实践本教示而得到。此外，所描述的实施方案包括软件但本教示可实施为硬件与软件的组合或单独以硬件实施。本教示可以用面向对象编程系统或非面向对象编程系统两者实施。

数据处理的系统及方法

如上文描述，快速样本分析在增加样本处理量或迅速产生所要结果时是有用的。提供快速样本分析的传统方法已包括结合快速分离技术与高分辨率质谱分析(MS)。此类方法通常不能够揭露由复杂化(其可包括，但不限于离子抑制、未分辨同核异能素、基体效应或同核异能素类)引起的结果的复杂性。另一传统方法为使用快速分离技术引入样本、迅速产生MS扫描及接着对在MS质谱中识别的所选择离子执行串联质谱分析或质谱分析／质谱分析(MS／MS)。为维持高处理量，以此方式仅可获得有限数目的MS／MS频谱。

在多种实施例中，非色谱的快速样本引入技术与在整个所关注质量范围上以两个或两个以上质量选择窗执行碎片扫描的串联质谱分析技术结合以提供快速样本分析方法。此方法可提供足够MS／MS信息以产生有意义的结果且可揭露重要的结果复杂性。

非色谱的快速样本引入技术可包括，但不限于流动注射分析(FIA)、迁移率分析或快速样本清除技术。举例来说，快速样本清除技术可包括截留与洗提技术。举例来说，快速样本引入技术可以近似每分钟一个样本的速率或频率注射用于串联质谱分析的样本。

串联质谱分析用于在不同样本之间揭露数据复杂性。举例来说，串联质谱分析可分辨同核异能素。单个质谱中没有任何事物揭露存在相同质量的同核异能素。然而，粉碎那些同核异能素可揭露在不同质量处样本之间存在差异，因为来自一个样本中的质量的碎片可略微不用于来自另一个样本中的相同质量的碎片。

在串联质谱仪上执行的方法的专一性通过向质量分析器提供窄质量选择窗宽度或先驱质量选择窗宽度来提高。举例来说，窄质量选择窗宽度近似为1原子质量单元(amu)。替代地，所述方法的敏感性通过向质量分析器提供宽质量选择窗宽度来提高。举例来说，宽质量选择窗宽度近似为20amu或200amu。

在多种实施例中，针对快速样本分析方法中的串联质谱仪的第一质量分析阶段选择具有充分敏感性的质量选择窗宽度。移动此质量选择窗宽度允许整个质量范围在短时间周期内分片且不需要确定将哪一些质量分片。

选择较宽质量选择窗需要较少碎片扫描来覆盖质量范围。举例来说，使用1amu的窄质量选择窗宽度来扫描的200amu到600amu的质量范围需要400个碎片扫描。使用100amu的较宽质量选择窗宽度仅需要4个碎片扫描。因此，较宽质量选择窗用于在整个所关注质量范围上将样本分片，以便以快速样本引入技术注射样本的速率分析样本。

如上文描述，与为串联质谱分析的第一阶段选择较窄质量选择相比，选择较宽质量选择窗提供更大的敏感性及更小的专一性。然而，专一性的任何损失可通过串联质谱分析的第二阶段中的高分辨率检测重新获得。因此，高专一性及高敏感性两者可通过整个方法提供。

在多种实施例中，碎片扫描在质量范围上在统一或固定的质量选择窗处发生。举例来说，质量范围可包括样本的优选质量范围或样本的整个质量范围。

质谱分析硬件的最近发展已允许串联质谱仪的质量选择窗宽度在质量范围上变化或设定成任何值而不是单个值。举例来说，对射频(RF)或施加到四极质量过滤器或分析器的直流(DC)电压的单独控制可允许选择可变质量选择窗宽度。任何类型的串联质谱仪可允许选择可变质量选择窗宽度。串联质谱仪可包括执行两个或两个以上质量分析的一个或一个以上物理质量分析器。串联质谱仪的质量分析器可包括，但不限于飞行时间(TOF)、四极、离子阱、线性离子阱、轨道阱、傅里叶变换质谱仪。

在多种实施例中，碎片扫描在质量范围上以可变质量选择窗发生。在分析的质量范围上改变质量选择窗宽度的值可提高分析的专一性、敏感性及速度。举例来说，在已知存在化合物的质量范围的区域中，使用窄质量选择窗宽度。这提高了已知化合物的专一性。在已知不存在化合物的质量范围的区域中，可使用宽质量选择窗宽度。这允许未知化合物被发现，借此提高分析敏感性。宽范围及窄范围的组合允许扫描比使用固定窄窗更快速地完成。

并且，通过在质量范围的某些区域中使用窄质量选择窗宽度，质谱中的其它峰值较不可能影响对所关注的质量峰值的分析。可由其它质量峰值引起的效应中的一些包括，但不限于饱和、离子抑制或空间电荷效应。

在各种实施例中，针对质量范围的一部分选择的质量选择窗宽度的值是基于关于样本的已知信息。换句话说，质量选择窗宽度的值基于样本的已知或期望复杂性在质量范围上得到调整。所以，在样本更复杂或具有较大数目的离子的情况下，使用较窄质量选择窗宽度，且在样本较不复杂或具有稀少的离子数目的情况下，使用较宽质量选择窗。举例来说，样本的复杂性可通过建立样本的化合物分子重量分布来确定。

样本化合物分子重量分布可以许多方式建立。此外，样本化合物分子重量分布可在数据获得之前或在数据获得期间建立。此外，样本化合物分子重量分布可在数据获得期间实时建立。

在多种实施例中，用于在质量范围上界定可变窗宽度的化合物分子重量分布优选地在数据获得之前建立且用于以快速样本分析方法分析的所有样本。不在样本之间改变可变窗宽度允许样本之间的差异被更容易地发现。

串联质谱仪的其它参数取决于在质量范围上选择的质量选择窗宽度。举例来说，这些其它参数可包括离子光学元素(例如碰撞能量)或非离子光学元素(例如积累时间)。

因此，在多种实施例中，样本分析可进一步包括在质量范围上改变串联质谱仪不同于质量选择窗宽度的一个或一个以上参数。改变此类参数可降低上文描述的额外复杂化的非所要效应。举例来说，通过将似乎不存在先驱离子的窗区域分片及通过改变这些窗的积累时间，可在某种程度上减缓基体抑制的潜在影响。

在多种实施例中，可在使用固定或可变质量选择窗宽度的后续分析之前分析一个或一个以上样本。此样本分析可包括完整分析或单个扫描。举例来说，完整分析可包括两个或两个以上扫描。扫描可为但不限于测量扫描(survey scan)、中性丢失扫描或先驱扫描。举例来说，扫描可提供高分辨率质谱分析(HRMS)频谱。举例来说，HRMS频谱可用于确定先驱离子的精确质量或确定先驱离子在一个或一个以上样本中的质量分布以界定窗宽度。

HRMS频谱可用作样本的指纹图谱。在一些情形下，比较指纹图谱可能已经指示将为在质量范围上对窗中的所有先驱离子进行分片的方法的目标的差异，而在其它情形中，指纹图谱可用于确定窗宽度及积累时间。举例来说，此可基于峰值密度(具有较多峰值的区域得到较窄的窗)或峰值强度(大的峰值得到窄窗及短积累时间而其它区域得到较长时间，其中窗基于峰值密度)。

举例来说，在快速样本分析方法之后，挖掘数据以得到所关注信息且存储所述数据以与其它样本进行比较或用于再次分析。数据挖掘是极其快速的，从而允许分析许多样本(举例来说，用于网络生物实验或高处理量筛选(HTS)或提供快速的结果转回)。化验的信息含量也是非常高的，从而允许根据样本产生二维(2D)映射。数据挖掘工具及技术可包括，但不限于(1)所期望化合物的库，其可用于执行库搜索及产生离子轨迹或离子分布，(2)提取技术，其将允许隔离由可见的潜在中性丢失确定的质量，及(3)使用图像操纵或用于识别样本的类似性及差异性的其它技术。

额外水平的信息也可从快速样本分析方法提取。举例来说，在许多情形中，可能以不同碰撞能量执行若干扫描使得存在用于识别(化合物的分解曲线)或去卷积(deconvolution)的额外信息。举例来说，化合物的MS／MS频谱可通过在多个样本上进行相关来发现，即，在许多样本上具有相同行为的碎片可能来自相同化合物。去卷积涉及通过相关使化合物的频谱去卷积。

样本制备为快速样本分析方法的另一重要方面。需要样本制备(尤其是分级分离)来分离化合物类，使得可施加适当窗及分析条件。还潜在地需要(举例来说)经由固相萃取的样本预浓缩，使得可将浓度提高到可检测水平。所需的样本制备量取决于样本复杂性及所要的敏感性及化合物覆盖度。在一些应用中，这个量是极小的且在其它应用中为非常大量的。然而，样本制备可以脱机及自动方式执行使得实际分析速度被维持。

在多种实施例中，快速样本分析方法可通过允许以合理时标(time scale)分析数千样本来显著地启用网络生物学。大规模自动样本制备用于在分析之前将样本(也许是1mL血清或血浆)分离成化合物类(小极性分子，例如糖、核苷、氨基酸、有机酸；脂质；肽；蛋白质；miRNA……)。类似方法用于表征商品(例如，小治疗物及大治疗物)、食品。

串联质谱分析系统

图2为根据多种实施例的展示用于快速筛选样本的系统200的示意图。系统200包括串联质谱仪210、处理器220及快速样本引入装置230。处理器220可为但不限于计算机、微处理器或能够向质谱仪210及快速样本引入装置230发送控制信号及数据及从质谱仪210及快速样本引入装置230接收控制信号及数据以及处理数据的任何装置。

串联质谱仪210可包括执行两个或两个以上质量分析的一个或一个以上物理质量分析器。串联质谱仪的质量分析器可包括，但不限于飞行时间(TOF)、四极、离子阱、线性离子阱、轨道阱或傅里叶变换质量分析器。串联质谱仪210可包括分别呈空间或时间形式的单独质谱分析阶段或步骤。

快速样本引入装置230可执行快速样本引入技术，其为非色谱的且其包括但不限于FIA、离子迁移率分析或快速样本清除技术。快速样本引入装置230可为串联质谱仪210的一部分或其可为如系统200中展示的分离的装置。快速样本引入装置230向串联质谱仪210供应多个样本中的每一样本。

处理器220与串联质谱仪210及快速样本引入装置230通信。处理器220指令快速样本引入装置230将多个样本中的每一样本供应到串联质谱仪210。处理器220接着指令串联质谱仪210在每一样本的整个所关注质量范围上以两个或两个以上质量选择窗执行碎片扫描。举例来说，所述两个或两个以上质量选择窗为邻近质量选择窗。

在多种实施例中，在质量范围上使用的两个或两个以上质量选择窗具有固定窗宽度。在多种实施例中，在质量范围上使用的两个或两个以上质量选择窗中的至少两者具有不同的窗宽度。

在多种实施例中，在处理器220指令串联质谱仪执行碎片扫描之前，处理器220指令串联质谱仪210获得质量范围的质谱。

在多种实施例中，处理器220指令串联质谱仪210在质量范围上在所使用的两个或两个以上质量选择窗中的至少两者之间改变串联质谱仪210的至少一个参数。

串联质谱分析方法

图3为根据多种实施例的展示用于快速筛选样本的方法300的示范性流程图。

在方法300的步骤310中，使用处理器指令非色谱的快速样本引入装置将多个样本中的每一样本供应到串联质谱仪。

在步骤320中，使用处理器指令串联质谱仪在多个样本中的每一样本的整个所关注质量范围上以两个或两个以上质量选择窗执行碎片扫描。

串联质谱分析计算机程序产品

在多种实施例中，计算机程序产品包括非暂时性且有形计算机可读存储媒体，其内容包括程序，所述程序具有在处理器上执行以执行用于快速筛选样本的方法的指令。此方法由包括一个或一个以上不同软件模块的系统执行。

图4为根据多种实施例的包括执行用于快速筛选样本的方法的一个或一个以上不同软件模块的系统400的示意图。系统400包括快速样本引入模块410及串联质谱分析模块420。

快速样本引入模块410指令非色谱的快速样本引入装置将多个样本中的每一样本供应到串联质谱仪。串联质谱分析模块420指令串联质谱仪在多个样本中的每一样本的整个所关注质量范围上以两个或两个以上质量选择窗执行碎片扫描。

虽然结合多种实施例描述本教示，但希望本教示不限于此类实施例。相反，如所属领域的技术人员将理解，本教示涵盖多种替代、修改及等效物。

此外，在描述多种实施例时，本说明书可能已将方法及／或过程呈现为特定步骤顺序。然而，就方法或过程不依赖于本文中阐述的特定步骤顺序来说，所述方法或过程不应限于所描述的特定步骤顺序。如所属领域的技术人员将理解，其它步骤顺序可为可能的。因此，说明书中阐述的特定步骤顺序不应理解为对权利要求的限制。此外，针对方法及／或过程的权利要求不应限于以所写的顺序执行其步骤，且所属领域的一般技术人员可容易地理解顺序可被改变且仍然保持在多种实施例的精神及范围内。

Claims (11)

1.一种用于快速筛选不同样本的系统，其包含：

串联质谱仪；

快速样本引入装置，其是非色谱的且其向所述串联质谱仪供应由所述快速样本引入装置注射的多个不同样本中的每一不同样本；及

处理器，其与所述串联质谱仪及所述快速样本引入装置通信，所述处理器

指令所述快速样本引入装置将所述每一不同样本供应到所述串联质谱仪，

指令所述串联质谱仪执行测量扫描，以获取先驱质谱，

从所述先驱质谱确定先驱离子在所述每一不同样本中的质量分布，以界定跨过所述每一不同样本的整个所关注质量范围的两个以上宽先驱质量选择窗，且

指令所述串联质谱仪在跨过所述每一不同样本的整个所述所关注质量范围的所述两个以上宽先驱质量选择窗上执行碎片扫描。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述两个以上宽先驱质量选择窗具有固定窗宽度。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述两个以上宽先驱质量选择窗中的至少两者具有不同窗宽度。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述快速样本引入装置包含流动注射分析装置或快速样本清除装置。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器指令所述串联质谱仪在所述两个以上宽先驱质量选择窗中的至少两者之间改变所述串联质谱仪的至少一个参数。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述宽先驱质量选择窗具有20到200amu之间的宽度。

7.一种用于快速筛选不同样本的方法，其包含：

使用处理器指令非色谱的快速样本引入装置将由所述快速样本引入装置注射的多个不同样本中的每一不同样本供应到串联质谱仪；

指令所述串联质谱仪执行测量扫描，以获取先驱质谱；

从所述先驱质谱确定先驱离子在所述每一不同样本中的质量分布，以界定跨过所述每一不同样本的整个所关注质量范围的两个以上宽先驱质量选择窗；及

使用所述处理器指令所述串联质谱仪在跨过所述每一不同样本的整个所述所关注质量范围的所述两个以上宽先驱质量选择窗上执行碎片扫描。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述两个以上宽先驱质量选择窗具有固定窗宽度。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述两个以上宽先驱质量选择窗中的至少两者具有不同窗宽度。

10.根据权利要求7所述的方法，其进一步包含使用所述处理器指令所述串联质谱仪在所述两个以上宽先驱质量选择窗中的至少两者之间改变所述串联质谱仪的至少一个参数。

11.根据权利要求7所述的方法，其中所述宽先驱质量选择窗具有20到200amu之间的宽度。