CN105424789A - 分析离子结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分析离子结构的方法，包括以下步骤：囚禁、激发离子：向一离子质量分析器施加具有高阶成分的射频电场、辅助交流电场或施加一宽频激发电场使样品离子被激发到一运动幅度，但不超过离子质量分析器的囚禁能力，此时运动幅度记为初始运动幅度，此时刻记为第一时刻；向离子质量分析器持续通入载气，并使离子质量分析器中保持一定真空度，样品离子与载气发生碰撞，运动幅度逐渐减小，直到第二时刻，采集从第一时刻到第二时刻过程中样品离子产生的镜像电流的时域信号；信号处理：通过时频分析方法对时域信号进行分析，获得包含有相应尺寸的离子的运动频率与该离子与载气的碰撞截面积的对应关系的时变特征曲线，从而区别出不同尺寸的离子。

Description

分析离子结构的方法

技术领域

本发明涉及一种分析离子结构的方法，尤其涉及一种可应用于傅里叶变换设备并通过碰撞截面积测定分析离子结构的方法。

背景技术

质谱分析法(massspectrometry)是将化合物按不同质荷比(m/z)进行分离检测，实现成分和结构鉴别的一种分析方法。质谱技术因其具有的高特异性和灵敏度，在生物分析领域中的重要地位日益凸显。生物质谱(Bio-massspectrometry，Bio-MS)是应用于生物分子分析的质谱技术，其在蛋白质和多肽研究中有着广泛的应用：如蛋白质相对分子质量测定、肽谱测定、肽序列测定技术、巯基和二硫键定位、蛋白质翻译后修饰、定量蛋白质组分析、蛋白质相互作用研究等。此外，生物质谱还应用于多糖结构测定、寡核苷酸和核酸分析、微生物鉴定、药物研发等领域。

质谱法可获得样品的质量信息，而对于具有相同质量的不同样品，质谱法则不能有效给出更多信息，例如质谱法难以分析离子的结构。现在一般使用二级与多级质谱(tandemMS)方法和离子迁移谱方法来分析离子结构。二级与多级质谱方法通过施加能量使待测离子碎裂，通过分析碎片离子来重构离子结构。离子迁移谱方法则通过分析待测离子的碰撞截面积来分析离子的结构。二级与多级质谱方法通常需要高真空条件下(<1mTorr)，而离子迁移谱方法工作在高气压条件下(>1Torr)，且具有较低的分辨率(通常低于1000)。这些方法由于工作气压差别较大，使得仪器的结构复杂，真空功耗增大。同时，因为涉及离子在多个真空腔体间的迁移运动，待测离子的实验控制条件苛刻，离子损失情况明显。

2012年，FanYang、JacobE.Voelkel与DavidV.Dearden在《CollisionCrossSectionalAreasfromAnalysisofFourierTransformIonCyclotronResonanceLineWidth:ANewMethodforCharacterizingMolecularStructure(由傅立叶变换离子回旋共振线宽来分析碰撞截面积：一种表征分子结构的新方法)》(Anal.Chem.,2012,84(11),pp4851–4857)中提出利用分析傅立叶变换离子回旋共振频谱谱线的宽度来分析离子的碰撞截面积，从而分析离子结构。该方法通过提高傅立叶变换离子回旋共振离子阱内部的气压，使得离子分子碰撞主导离子镜像电流衰减。衰减速度决定了谱线的半峰宽(FWHM)，时域衰减速度越快，则对应的频域半峰越宽。通过测量半峰宽能够计算离子碰撞面积，从而通过离子镜像电流衰减分析出离子碰撞面积，最终获悉离子结构。

另外，传统的离子淌度谱方法，能在获得样品质量的同时，获得样品空间尺寸信息，即检测样品的碰撞截面积(CCS)，继而有效鉴别相同质量的多种同分异构体。但该离子淌度谱方法增加了分析成本，降低了分析效率。

发明内容

为了至少部分解决上述问题，本发明提供一种分析离子结构的方法，其可以通过分析来自离子质量分析器的待测离子时频信号来分析离子的结构。

根据本发明的一个方面，提供一种分析离子结构的方法，包括以下步骤：

囚禁、激发离子步骤：向一离子质量分析器施加一射频电场，使样品离子囚禁于所述离子质量分析器中，所加射频电场具有高阶成分；并向所述离子质量分析器施加一辅助交流电场或施加一宽频激发电场使样品离子被激发到一运动幅度，但不超过离子质量分析器的囚禁能力，此时运动幅度记为初始运动幅度，对应于该初始运动幅度的时刻记为第一时刻；

信号采集步骤：向所述离子质量分析器持续通入载气，并使离子质量分析器中的真空度小于1.333Pa，样品离子与载气发生碰撞，运动幅度逐渐减小，直到第二时刻，采集从第一时刻到第二时刻过程中样品离子产生的镜像电流的时域信号；

信号处理步骤：通过时频分析方法对所述时域信号进行分析，分别获得样品离子中各尺寸的离子的运动频率随时间变化的时变特征曲线，每条所述时变特征曲线包含有相应尺寸的离子的运动频率与该离子与载气的碰撞截面积的对应关系，以区别出不同尺寸的离子。

根据本发明的一个实施方式，其中在所述信号处理步骤之后，还包括对时域信号进行滤波步骤，将所述时域信号通过滤波器滤波，以获得干扰较小的时域信号。

根据本发明的一个实施方式，其中所述信号处理中的时频分析方法为傅里叶变换方法、快速傅里叶变换方法、短时傅里叶变换方法、分数阶傅里叶变换方法或小波分析方法。

根据本发明的一个实施方式，其中所述信号处理步骤中，样品离子运动频率(f)随时间变化的时变特征曲线满足方程：

$f=f_0\sqrt{1+\frac{{3a}_1^2}{4}{\&Element;}_3+\frac{{5a}_1^4}{8}{\&Element;}_5+\frac{{35a}_1^6}{64}{\&Element;}_7+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;}---\left(1\right)$

其中a₁为样品离子运动幅度；f₀为无高阶场时离子运动频率；∈₃,∈₅,∈₇为偶阶场微扰系数，

$a_1=\frac{1}{(1/a_0+c)e^{\frac{{\mathrm{\&delta;}}_1}{2}t}-c}---\left(2\right)$

其中a₀为样品初始运动幅度；为常数；为Langevin衰减系数；为硬球模型衰减系数；r为样品离子有效半径；q为样品离子电荷；α_p为极化率；ε₀为真空介电常数；p为真空度；T为热力学温度；k为Boltzmann常数；M为载气质量；m为样品离子质量；

将式(2)代入式(1)，则得到样品离子有效半径与样品离子运动频率随时间变化的关系等式。

根据本发明的一个实施方式，其中，还包括如下步骤：

根据样品离子有效半径与样品离子运动频率随时间变化的关系等式通过数值法绘出样品离子有效半径与样品离子运动频率随时间变化的关系曲线。

根据本发明的一个实施方式，其中，还包括信号分析步骤：

通过分析所述信号处理步骤的各时变特征曲线获得相应的特征值，并建立各所述特征值与所述相应尺寸的离子的碰撞截面积的对应关系，从而确定样品离子中各尺寸离子之间的尺寸关系。

根据本发明的一个实施方式，其中所述信号分析步骤中，针对每一条所述时变特征曲线，其特征值由如下方法获得：

连接所述第一时刻的样品离子运动频点与第二时刻的样品离子运动频率点，构造一条直线，将所述直线与所述时变特征曲线所围成的封闭曲线从第一时刻到第二时刻积分，获得该条所述时变特征曲线的特征值。

根据本发明的一个实施方式，其中，所述信号处理步骤中，样品离子运动频率随时间变化的时变特征曲线满足方程：

$f=f_0\sqrt{1+\frac{{3a}_1^2}{4}{\&Element;}_3+\frac{{5a}_1^4}{8}{\&Element;}_5+\frac{{35a}_1^6}{64}{\&Element;}_7+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;}---\left(1\right)$

其中：a₁为样品离子运动幅度；f₀为无高阶场时离子运动频率；∈₃,∈₅,∈₇为偶阶场微扰系数，

$a_1=\frac{1}{(1/a_0+c)e^{\frac{{\mathrm{\&delta;}}_1}{2}t}-c}---\left(2\right)$

其中a₀为样品初始运动幅度；为常数；为Langevin衰减系数；为硬球模型衰减系数；r为样品离子有效半径；q为样品离子电荷；α_p为极化率；ε₀为真空介电常数；p为真空度；T为温度；k为Boltzmann常数；M为载气质量；m为样品离子质量，

将式(2)代入式(1)，则得到样品离子有效半径与样品离子运动频率随时间变化的关系等式；并在相同测量条件下，针对频率与样品离子有效半径的关系等式，将等式两边分别对时间积分，则得到特征值S与相应尺寸的离子有效半径的对应关系。

本发明的分析离子结构的方法中，提供了基于傅里叶变换设备及时频分析的碰撞截面积测定方法实现离子结构分析，可广泛应用于基于傅里叶变换的设备中，拓展了傅里叶变换设备的检测能力，实现了样品离子空间尺寸信息的无损检测。在样品离子空间尺寸精确测定的基础上，可一次性分辨同分异构体，如同一蛋白质的不同构象；或者检测具有相同质量不同尺寸的复杂混合样品，提高了样品离子的检测效率，降低了检测成本。

附图说明

附图提供了对本发明的进一步理解，并且附图示出了本发明的实施例并且与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：

图1示出了两种同分异构体在仿真条件下的运动衰减曲线，即镜像电流强度衰减曲线；

图2示出了对图1中所示的两种同分异构体中的一种的时域信号经时频分析得到的时频质谱图；

图3a示出了图1中所示两种同分异构体的时频曲线图；

图3b示出了图1中所示两种同分异构体时频曲线经处理得到的特征值；

图4示出了特征值与同分异构体有效半径对应关系的曲线图。

具体实施方式

现在将详细参照附图描述本发明的具体实施例。应理解的是，具体实施例仅是说明性的示例，而不应理解为对本发明的限制。

参见图1至图4。根据本发明的一实施例的分析离子结构的方法中，样品离子参数：其至少包含质荷比m/z＝524的两种同分异构体样品，分别为大离子和小离子，其中小离子尺寸(以小离子有效半径r1表示)r1＝0.883nm，碰撞截面积为π(r1)²，大离子尺寸(以小离子有效有效半径r2表示)r2＝2.883nm，碰撞截面积为π(r2)²。所述方法包括以下步骤：

囚禁、激发离子步骤：向一几何尺寸例如5×5mm线性离子阱,电极距阱中心5mm的离子质量分析器施加一射频电场(RF)，所加射频电场具有高阶成分，高阶场成分例如可通过改变电极形状等方式获得，使样品离子囚禁于线性离子阱中，该射频电场的频率为1MHz，幅度为400V，q值为0.3；并向5×5mm线性离子阱施加一辅助交流电场AC，使样品离子中的大、小离子被激发到不超过线性离子阱的囚禁能力的同一运动振幅，此时运动幅度记为初始运动幅度a₀。用于激发样品离子运动的辅助交流电场AC也可以由一宽频激发电场SWIFT代替，如图1所示，囚禁于5×5mm线性离子阱中的样品离子运动可采用马修方程描述，在通入载气后，离子与中性气体发生碰撞并产生能量交换，导致离子运动幅度从初始运动幅度a₀不断减小。如图1所示，初始运动幅度a₀为3mm，对应于该初始运动幅度a₀的时刻记为第一时刻t0。

该步骤中5×5mm线性离子阱也可以由其它类型的离子质量分析器代替。

信号采集步骤：向所述5×5mm线性离子阱持续通入氦气作为载气，使线性离子阱真空度保持在0.1333Pa(1mTor)，使样品离子从所述初始运动幅度a₀逐渐减小，如图1所示衰减过程，信号采样时间从第一时刻t0到第二时刻tt为5ms，采集该过程中样品离子产生的镜像电流的时域信号。其中的氦气还可以由氮气等其它适于作为载气的气体替换。

滤波步骤：将上述步骤获得的时域信号通过低通滤波器两次滤波，直到获得干扰较小的时域信号。滤波器还可以是带通滤波器等。

信号处理步骤：参见图2和图3a，通过短时傅里叶变换(STFT)方法对前述时域信号进行分析，分别获得样品离子中小离子的运动频率f₁随时间变化的时变特征曲线C1，以及大离子的运动频率f₂随时间变化的时变特征曲线C2，小离子的时变特征曲线C1包含有小离子的运动频率与小离子和载气碰撞截面积的对应关系，大离子的时变特征曲线C2包含有大离子的运动频率f₂与大离子和载气碰撞截面积的对应关系，因此，通过识别不同的运动频率信息即可以区别出大离子和小离子。同样可以区别出样品离子中的其它尺寸的离子或其它同分异构体。

下面以图1中小离子(中间浅色部分)为例说明如何获得时变特征曲线C1。参见图2。在5×5mm线性离子阱中由于非理想四级场、非均匀磁场等原因，会导致样品离子处于不同运动幅度时的运动频率不同，经短时傅里叶变换变换后可获得连续频率变化图，即时频质谱图。放大峰值部分，可观测到明显的中心频率偏移。连接各频率的中心频率可获得小离子运动频率随时间变化曲线，即时频曲线C1。该时频曲线C1于xy平面内则如图3中C1所示。

该信号处理步骤中，短时傅里叶变换方法(STFT)也可以由傅里叶变换方法(FT)、快速傅里叶变换方法(FFT)、分数阶傅里叶变换方法或小波分析方法等其它时频分析方法代替。进一步地，该信号处理步骤中，小离子运动频率f1随时间变化的时变特征曲线C1满足方程：

$f_1=f_0\sqrt{1+\frac{{3a}_1^2}{4}{\&Element;}_3+\frac{{5a}_1^4}{8}{\&Element;}_5+\frac{{35a}_1^6}{64}{\&Element;}_7+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;}---\left(1\right)$

其中a₁为样品离子运动幅度；f₀为无高阶场时离子运动频率；∈₃,∈₅,∈₇为偶阶场微扰系数，

$a_1=\frac{1}{1/a_0+c{e}^{\frac{{\mathrm{\&delta;}}_1}{2}t}-c}---\left(2\right)$

其中a₀为样品初始运动幅度；为常数；为Langevin衰减系数；为硬球模型(hard-sphere)衰减系数；r1为样品离子有效半径；q为样品离子电荷；α_p为极化率；ε₀为真空介电常数；p为真空度；T为热力学温度，单位为开尔文；k为Boltzmann常数；M为载气质量；m为样品离子质量。

将式(2)代入式(1)，则得到小离子有效半径r1与小离子运动频率f1随时间变化的关系等式，并进一步根据公式σ1＝π(r1)²得出频率f1与小离子的碰撞截面积σ1之间的对应关系。进一步地，根据小离子有效半径r1与小离子运动频率f1随时间变化的关系等式通过数值法绘出小离子有效半径r1与小离子运动频率f1随时间变化的关系曲线。同理，可获得大离子有效半径r2与大离子运动频率f2随时间变化的关系等式，以及大离子有效半径r2与大离子运动频率f2随时间变化的关曲线。

应用本发明的方法，经前述的囚禁、激发离子步骤，滤波步骤，信号采集步骤和信号处理步骤已能够区别出样品离子中包含的大、小离子两种同分异构体以及其它尺寸离子和同分异构体。为进一步辩识出这些同分异构体及离子之间的关系，例如尺寸比例大小等，本发明的方法还可进一步包括信号分析步骤：通过分析信号处理步骤中各同分异构体及不同尺寸离子的时变特征曲线获得相应的特征值S，并建立特征值S各自与对应的同分异构体及不同尺寸离子碰撞截面积的对应关系，从而确定尺寸比例关系。

该针对小离子的时变特征曲线，其特征值由如下方法获得：

如图3a和图3b所示，连接第一时刻t01的小离子运动频率ft01点与第二时刻tt1的小离子运动频率ftt1点，构造一条直线L1，将直线L1与时变特征曲线C1所围成的封闭曲线从第一时刻t01到第二时刻tt1积分，获得小离子的时变特征曲线的特征值S1。依据同样方法，连接第一时刻t02的大离子运动频率ft02点与第二时刻tt2的大离子运动频率ftt2点，构造一条直线L2，将直线L2与时变特征曲线C2所围成的封闭曲线从第一时刻t02到第二时刻tt2积分，获得大离子的时变特征曲线的特征值S2。同样道理，可获得其它尺寸离子、同分异构体的特征值。

特征值与碰撞截面积之间的对应关系可以通过如下方法建立的：

对前述信号处理步骤中获得的离子有效半径与样品离子运动频率随时间变化的关系等式等号两边对时间进行积分，得到同分异构体或不同尺寸离子的特征值与其离子有效半径的对应关系，并进一步以数值法绘制出曲线，如图4所示。该曲线是在上述测量条件下唯一确定，在同条件下如上述方法测得任意离子该特征值S，根据曲线中该特征值S对应点得到该离子有效半径r的值。例如，图4中两种离子的特征值S1、S2对应的离子有效半径为r1＝0.8nm、r2＝2.8nm，因此可计算出r2＝3.5r1，继而可计算出两种离子的尺寸比例关系。在相同实验条件下，可通过未知样品离子特征值的测量获得样品离子有效半径精确值。这里，由FanYang、JacobE.Voelkel与DavidV.Dearden的文献可知，离子有效半径为r1、r2可对应于离子与载气的碰撞截面积。故可通过未知样品离子特征值的测量获得样品离子碰撞截面积精确值。

应指出的是，构建特征值的方法不唯一，凡由离子时频曲线经积分、微分等方法处理得到的面积、斜率、曲率半径等特征值，均为可行。

采用本发明分析离子结构的方法，可快速鉴别样品离子中出不同的同分异构体或者质量相同但空间尺寸不同的离子，并精确测定各同分异构体或不同尺寸离子之间有效半径的比例关系。

上述各实施例的特征可以通过拆分组合得到新的实施例，这并未脱离本发明的范围。另外，对本领域技术人员显而易见的各种修改和变型可能并不偏离本发明的原理和范围。因此，只要其落入所附的权利要求及其等同方案的范围内，本发明也覆盖对本发明的这些修改和变型。

Claims (8)

1.一种分析离子结构的方法，包括以下步骤：

囚禁、激发离子步骤：向一离子质量分析器施加一射频电场，使样品离子囚禁于所述离子质量分析器中，所加射频电场具有高阶成分；并向所述离子质量分析器施加一辅助交流电场或施加一宽频激发电场使样品离子被激发到一运动幅度，但不超过离子质量分析器的囚禁能力，此时运动幅度记为初始运动幅度(a0)，对应于该初始运动幅度(a0)的时刻记为第一时刻(t0)；

信号采集步骤：向所述离子质量分析器持续通入载气，并使离子质量分析器中的真空度小于1.333Pa，样品离子与载气发生碰撞，运动幅度逐渐减小，直到第二时刻(tt)，采集从第一时刻(t0)到第二时刻(tt)过程中样品离子产生的镜像电流的时域信号；

信号处理步骤：通过时频分析方法对所述时域信号进行分析，分别获得样品离子中各尺寸的离子的运动频率(f)随时间变化的时变特征曲线(C)，每条所述时变特征曲线(C)包含有相应尺寸的离子的运动频率(f)与该离子与载气的碰撞截面积的对应关系，以区别出不同尺寸的离子。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述信号处理步骤之后，还包括对时域信号进行滤波步骤，将所述时域信号通过滤波器滤波，以获得干扰较小的时域信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述信号处理中的时频分析方法为傅里叶变换方法、快速傅里叶变换方法、短时傅里叶变换方法、分数阶傅里叶变换方法或小波分析方法。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述信号处理步骤中，样品离子运动频率(f)随时间变化的时变特征曲线满足方程：

$f=f_0\sqrt{1+\frac{{3a}_1^2}{4}{\&Element;}_3+\frac{{5a}_1^4}{8}{\&Element;}_5+\frac{{35a}_1^6}{64}{\&Element;}_7+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;}---\left(1\right)$

其中a₁为样品离子运动幅度；f₀为无高阶场时离子运动频率；∈₃,∈₅,∈₇为偶阶场微扰系数，

$a_1=\frac{1}{(1/a_0+c)e^{\frac{{\mathrm{\&delta;}}_1}{2}t}-c}---\left(2\right)$

其中a₀为样品初始运动幅度；为常数；为Langevin衰减系数；为硬球模型衰减系数；r为样品离子有效半径；q为样品离子电荷；αp为极化率；ε₀为真空介电常数；p为真空度；T为热力学温度；k为Boltzmann常数；M为载气质量；m为样品离子质量；

将式(2)代入式(1)，则得到样品离子有效半径(r)与样品离子运动频率(f)随时间变化的关系等式。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，还包括如下步骤：

根据样品离子有效半径(r)与样品离子运动频率(f)随时间变化的关系等式通过数值法绘出样品离子有效半径(r)与样品离子运动频率(f)随时间变化的关系曲线。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，还包括信号分析步骤：

通过分析所述信号处理步骤的各时变特征曲线(C)获得相应的特征值(S)，并建立各所述特征值(S)与所述相应尺寸的离子的碰撞截面积的对应关系，从而确定样品离子中各尺寸离子之间的尺寸关系。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述信号分析步骤中，针对每一条所述时变特征曲线，其特征值(S)由如下方法获得：

连接所述第一时刻(t₀)的样品离子运动频(ft₀)点与第二时刻(t_t)的样品离子运动频率(ft_t)点，构造一条直线(L)，将所述直线(L)与所述时变特征曲线(C)所围成的封闭曲线从第一时刻(t₀)到第二时刻(t_t)积分，获得该条所述时变特征曲线的特征值(S)。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述信号处理步骤中，样品离子运动频率(f)随时间变化的时变特征曲线满足方程：

$f=f_0\sqrt{1+\frac{{3a}_1^2}{4}{\&Element;}_3+\frac{{5a}_1^4}{8}{\&Element;}_5+\frac{{35a}_1^6}{64}{\&Element;}_7+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;}---\left(1\right)$

其中：a₁为样品离子运动幅度；f₀为无高阶场时离子运动频率；∈₃,∈₅,∈₇为偶阶场微扰系数，

$a_1=\frac{1}{(1/a_0+c)e^{\frac{{\mathrm{\&delta;}}_1}{2}t}-c}---\left(2\right)$

其中a₀为样品初始运动幅度；为常数；为Langevin衰减系数；为硬球模型衰减系数；r₀为样品离子有效半径；q为样品离子电荷；α_p为极化率；ε₀为真空介电常数；p为真空度；T为温度；k为Boltzmann常数；M为载气质量；m为样品离子质量，

将式(2)代入式(1)，则得到样品离子有效半径(r₀)与样品离子运动频率(f)随时间变化的关系等式；并在相同测量条件下，针对频率(f)与样品离子有效半径(r₀)的关系等式，将等式两边分别对时间(t)积分，则得到特征值(E)与相应尺寸的离子有效半径(r₀)的对应关系。