CN105474351B - 质谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于执行样本离子的分析的质谱仪，以及用于操作质谱仪的方法。所述质谱仪包括：第一离子光学元件，其供应有第一气体；质量分析仪，其中所述质量分析仪的性能取决于所述第一离子光学元件中的所述第一气体的压力；以及控制器，其用于基于待通过所述质谱仪执行的所述分析的特征设置所述第一气体的特性，所述特性至少包括所述第一气体的压力。

Description

质谱仪
技术领域
本发明涉及质谱仪以及用于操作质谱仪的方法。
背景技术
质谱仪通常包括具有用于执行不同功能的不同操作模式的多个不同离子光学元件。质谱仪可以具有的离子光学元件的实例包含用于碰撞诱发的分解的元件(碰撞室)，用于中间离子存储的另一元件(例如，RF离子阱)以及用于质量分析的另一元件。
这些不同离子光学元件中的每一个可以使用离子阱实施(例如，射频离子阱和/或其它离子捕获装置)，但是每个离子阱将具有不同压力需求以便执行它们的不同功能。举例来说，质量分析离子阱可能需要非常低的压力，因为离子与残余气体分子之间的碰撞可能引起散射损失，这会减少信号强度和灵敏度。然而，碰撞室需要高碰撞气体压力，否则的话将不能捕获在高动能下进入碰撞室的离子，这是因为它们必须经受若干碰撞以便足够的冷却。并且用于中间存储的离子阱可以在略微地低于碰撞室压力的压力下最佳地操作。
用于这些功能的离子阱中的每一个可以彼此连接，并且气体直接供应到最高压力阱中使得每个阱的不同气体压力可能无法彼此独立地处理。举例来说，在直接向碰撞室供应气体的情况下，减小碰撞室中的压力可能引起中间离子存储阱中的气体压力的减小，降低其中的捕获效率，并且减小质量分析离子阱中的压力，增大来自质量分析离子阱的信号强度和/或分辨率。因此，离子阱的压力可能是在装置中不同离子阱的不同需求之间的折中，例如，捕获效率和信号强度或分辨率的冲突需求。
此外，不同类型的离子可能需要离子阱中的不同压力方案。举例来说，对于较大分子，例如，完整蛋白质或蛋白质复合物，适合于小分子或自下而上蛋白质组学的气体压力可能引起显著降低的灵敏度。灵敏度的损失可能使结果的精确分析明显地变得更加困难(如果不是不可能的话)。
因此，离子光学元件中的气体压力也可能必须折中以实现质谱仪的最常见用途的最佳性能，例如，小分子或自下而上蛋白质组学，代价是较不常见的用途的性能。
发明内容
本发明涉及用于执行样本离子的分析的质谱仪，所述质谱仪包括：第一离子光学元件，其供应有第一气体；以及控制器，其用于基于待通过质谱仪执行的分析的特征设置第一气体的特性。
所述光谱仪包括质量分析仪，其中质量分析仪的性能取决于第一离子光学元件中第一气体的压力，并且设置第一气体的特性包含至少设置第一气体的压力。因此质量分析仪的性能还通过改变第一离子光学元件中的第一气体的压力而改变。
优选地，待通过质谱仪执行的分析的特征包括质量分析仪的所希望的性能。更优选地，待通过质谱仪执行的分析的特征至少包括所希望的分析分辨率。本发明有利地利用取决于气体压力和/或气体类型的针对给定质量范围的样本离子从质量分析仪获得的信号强度和/或分析分辨率。通过所述控制器的气体压力和/或气体类型的设置由此允许优化从质量分析仪中获得的信号强度和/或分析分辨率。
期望的是，由于质量分析仪的性能取决于第一离子光学元件中的第一气体的压力，所以设置第一气体的特性是优化第一离子光学元件的性能与优化质量分析仪的性能之间的折中。
质量分析仪优选地选自：离子回旋共振(ICR)质量分析仪、轨道阱质量分析仪、飞行时间质量分析仪(尤其是多反射飞行时间(MR-TOF)质量分析仪)、静电阱质量分析仪、电动离子阱质量分析器和质量过滤器。第一离子光学元件优选地是碰撞室。
供应到离子光学元件的气体在本文中可以被称作缓冲气体。质谱仪的性能可以针对不同类型的分析而改变，其中例如针对质谱仪的光学元件的缓冲气体的组成和压力等特性是固定的。举例来说，可以通过使用质量分析仪中的与较小分子所需的最佳气体压力不同的气体压力来优化针对较大分子的测量灵敏度。供应到离子光学元件的缓冲气体可以是碰撞气体(例如，对于碰撞室)和/或冷却气体(例如，对于离子存储装置)。
因此，通过考虑待执行的分析的特征，无论是样本离子的一个或多个物理特性、待执行的分析的应用程序、所希望的分析分辨率或这些方面中的至少一个的一些功能，都可以通过所述控制器设置用于质谱仪的离子光学元件的气体的适当的特性。所述气体的特性可以适合于，例如，通过允许较长瞬态改进分析的分辨率和/或改进允许较大信号、更好的灵敏度的离子捕获效率和/或改进分析的分辨率，因此与气体的特性固定的质谱仪设置进行比较改进了可以跨越分析的多种不同特征实现的性能。
所述控制器优选地包括计算机，所述计算机允许自动设置第一气体(并且如下文所描述的在适用的情况下第二气体)的特性，尤其是基于关于待通过质谱仪执行的分析的特征的输入信息。所述信息可以由操作人员输入，例如，经由用户界面或者编程工具，并且控制器使用所述信息以设置气体的特性。控制器优选地包含涉及待通过质谱仪执行的分析的类型和应该设置的气体的相关联特性的信息。所述信息可以包含于软件或者固件中的控制器中。所述控制器优选地介接到压力控制器，例如，阀门，和/或介接到气体类型选择器。控制器因此优选地控制压力控制器和/或气体类型选择器，例如，通过软件或固件以将气体的特性应用于离子光学元件。
第一气体的特性可以包括第一离子光学元件中的第一气体压力和第一气体的组成中的至少一个。因此，取决于待通过质谱仪执行的分析的特征，控制器可以调节离子光学元件中的气体压力或气体的组成(例如，用于供应离子光学元件的气体的类型)，或气体压力和气体的组成这两者。优选地提供反馈线路以控制离子光学元件中的气体压力，其中反馈线路包括压力控制器，例如，气体供应装置中的阀门(如上文所述)，以及优选地位于离子光学元件中并且还介接到控制器的压力表。优选地确定质量分析仪中的第一气体的分压力，例如，通过压力表测量，并且质量分析仪中的所确定的压力通过所述控制器接收(压力表优选地介接到所述控制器)并且用于设置离子光学元件中的第一气体的压力。
离子光学元件(第一离子光学元件或第二离子光学元件)可以直接从气体源供应，或者经由第二离子光学元件间接供应，所述第二离子光学元件从气体源直接供应并且连接到第一离子光学元件。举例来说，在离子阱连接到碰撞室的情况下，碰撞室可以直接连接到气体供应装置并且直接供应有气体。离子阱可以借助于其到碰撞室的连接间接供应有气体。类似地，在存在连接到离子阱的另一离子光学元件(例如，质量分析仪)的情况下，它也借助于其到碰撞室的经由离子阱的连接间接供应有气体。
在一种类型的实施例中，质谱仪可以包括质量分析仪、离子阱和碰撞室，其中碰撞室连接到离子阱并且离子阱进一步连接到质量分析仪。离子阱可以充当中间离子存储装置。在此类实施例的一个实例中，碰撞室直接供应有到第一气体压力的第一气体(这是因为碰撞室具有质量分析仪、离子阱和碰撞室的最高压力)，离子阱借助于其到碰撞室的连接间接供应有第一气体并且质量分析仪借助于其到离子阱的连接间接供应有第一气体。质量分析仪可以是第一离子光学元件，使得控制器基于待通过质谱仪执行的分析的特征设置质量分析仪中的第一气体压力。
在第一离子光学元件并不得到来自气体源的直接供应的情况下，离子光学元件中的气体压力将取决于直接供应离子光学元件的气体压力，并且可以通过调节供应到直接供应的离子光学元件的气体压力而受到控制(例如，通过在气体供应装置线路中使用阀门)。
质谱仪可以进一步包括供应有第二气体的第二离子光学元件；其中所述控制器经配置以用于基于待通过质谱仪执行的分析的特征设置第二气体的特性。第二离子光学元件可以直接或间接供应有第二气体。
举例来说，质谱仪可以包括质量分析仪、离子阱和碰撞室，其中碰撞室供应有到第一气体压力的第一气体并且离子阱和质量分析仪独立地供应有到第二气体压力的第二气体(例如，通过直接供应到离子阱并且由此借助于其到离子阱的连接间接供应到质量分析仪)。对于一些应用和样本类型，质谱仪的性能可以得益于质量分析仪中的不同气体的使用和用于碰撞室中的气体。此外，质谱仪的性能也可能或替代地，得益于质量分析仪气体压力，如果碰撞室直接供应有气体并且离子阱和质量分析仪经由碰撞室间接供应(在此情况下，质量分析仪的气体压力将取决于碰撞室的气体压力)，那么结合最佳碰撞室压力将可能无法达到所述质量分析仪气体压力。
非常类似第一气体，第二气体的特性可以包括第二离子光学元件中的第二气体压力和第二气体的组成中的至少一个。
待通过质谱仪执行的分析的特征可以基于样本离子的分析的应用(例如，“代谢组学”、“自上而下蛋白质组学”、“本地MS”等)、样本离子的类型(例如，“胆汁”、“消化的细胞裂解物”、“水”等)、离子的预期的质量、离子的预期的电荷、离子的预期的质荷比(m/z)和所希望的分析分辨率中的至少一个。举例来说，所述特征可以是质谱仪的操作人员输入到控制器的离子的预期的质量。或者，它可以例如是都由操作人员输入的离子的预期的质量和预期的电荷的函数，例如，离子的预期的m/z。或者，它可以例如是已经由操作人员从不同应用程序的列表中选择的样本离子的分析的应用程序(例如，“代谢组学”、“自下而上蛋白质组学”或“自上而下蛋白质组学”)。或者，它可以例如是结合样本离子的至少一个预期的特性(例如，质量、电荷和/或m/z)的样本离子的分析的应用程序的函数。
以此方式，操作人员(即，使用者)可以提出涉及待执行的分析的针对信息的输入的大量不同选择方案，并且控制器可以基于从操作人员提供的信息中确定的特征作出关于缓冲气体的特性的决策。这可以基于操作人员已提供的信息通过到离子光学元件的更适当的气体特性的应用引起质谱仪的性能的改进。操作人员也不会经受需要作出任何计算或者获得他们不可现成使用的任何数据的过度负担，而是可以实际上简单地提供他们所具有的涉及分析的任何或所有信息，例如(如果可用于他们的话)，样本离子的类型和/或分析的应用程序和/或样本离子的预期的特性(例如，质量和/或电荷)。
并非是操作人员输入样本离子的类型、离子的预期的质量和/或离子的预期的电荷到控制器中，所述控制器可以实际上从质谱仪实验结果中确定这些细节中的至少一个。所述结果可以是质量和/或电荷和/或任何其它物理化学性质(例如，离子移动性)的瞬时测量，或者是在一段时间内的质量和/或电荷和/或其它物理化学性质测量的平均，或者从瞬时或者平均质谱仪测量中确定的样本离子的类型。因此，气体的特性最初可以设置成用于进行质谱仪实验的默认特性以及基于待执行的分析的所确定的特征设置的气体特性，也就是基于通过实验获得的信息。通过以此方式获得信息，可以确定分析的特征而无需来自操作人员的任何(或仅最少)输入。
控制器也可以经配置使得分析的特征(无论它是如何最初确定的)在质谱仪的操作期间使用考虑瞬时或平均质量和/或电荷和/或其它物理化学性质测量的相同技术得到更新或调节，并且根据更新的特征重新设置气体特性。以此方式，可以在质谱仪的操作期间改进待执行的分析的特征的精确性，因此通过设置更适当的气体特性改进质谱仪的性能。
可以看出本发明的方面涉及基于规则的方法以控制允许用于优化质量分析仪的性能的气体的特性，优选地作为质量分析仪的性能与供应有气体的离子光学元件(例如，碰撞室)的性能之间的折中，并且任选地是连接到离子光学元件的离子阱中的捕获效率(在此情况下质量分析仪可以连接到离子阱)。
在另一方面中本发明涉及用于执行样本离子的分析的质谱仪，所述质谱仪包括：第一离子光学元件，其供应有第一气体；以及控制器，其包括用于作出基于规则的决策的计算机以用于在第一离子光学元件中设置第一气体的特性，优选地至少是第一气体的压力。基于规则的决策是基于待通过质谱仪执行的分析的特征作出的。
举例来说，基于规则的决策可以基于以下各项中的一个或多个作出：
a.所希望的质量分辨率
b.样本离子所属于的离子的一般类别，其可以是化学类别或者类型，例如，蛋白质、肽、“天然”蛋白质
c.样本离子的质量
d.样本离子的电荷
e.样本离子的质量和电荷两者，例如，质荷比
优选地，质谱仪包括如本文中所述的质量分析仪。关于设置气体的特性的基于规则的决策可以包括确定样本的预期的或确定的质量位于多个预先确定的质量范围(更优选地三个或三个以上质量范围)中的哪一个中，任选地确定所希望的质量分辨率是否位于质量分辨率阈值以下或以上并且设置将允许使用质量分析仪获得所希望的信号强度和/或质量分辨率的气体的特性(优选地，压力和/或类型，即，组成)。
举例来说，关于设置气体的特性的基于规则的决策可以包括：
i)如果样本离子的预期的或所确定的质量低于第一质量阈值，那么设置气体的第一压力，任选地选择第一类型的气体；
ii)如果样本离子的预期的或所确定的质量并不低于第一质量阈值但是也不高于第二质量阈值(其高于第一质量阈值)，那么将气体的第二压力设置成低于第一压力，如果所希望的质量分辨率低于质量分辨率阈值，那么任选地选择第一类型的气体，并且如果所希望的质量分辨率并不低于质量分辨率阈值，那么任选地选择比第一类型更轻的第二类型的气体；
iii)如果样本离子的预期的或所确定的质量高于第二质量阈值，那么将气体的第三压力设置成高于第一压力，任选地选择比第一类型更重的第三类型的气体。
第一离子光学元件可以是质量分析仪；碰撞室；离子存储装置；离子导引件；质量过滤器；离子移动性分析器；以及离子透镜中的任一个。类似地，在存在第二离子光学元件的情况下，它可以是质量分析仪；碰撞室；离子存储装置；离子导引件；质量过滤器；以及离子透镜中的任一个。直接或间接供应有气体的任何离子光学元件的性能可以基于待通过质谱仪执行的分析的特征通过气体组成和/或气体压力的选择而改进。
本发明还涉及用于操作质谱仪的方法，所述方法包括以下步骤：确定待通过质谱仪执行的分析的特征；以及基于待通过质谱仪执行的分析的特征设置用作质谱仪的第一离子光学元件中的缓冲气体的第一气体的特性。
所述质谱仪包括第一离子光学元件和质量分析仪。质量分析仪的性能取决于第一离子光学元件中的第一气体的压力并且设置第一气体的特性包含至少设置第一气体的压力。因此质量分析仪的性能还通过改变第一离子光学元件中的第一气体的压力而改变。
优选地，待通过质谱仪执行的分析的特征包括质量分析仪的所希望的性能。更优选地，待通过质谱仪执行的分析的特征至少包括所希望的分析分辨率。本发明有利地利用取决于气体压力和/或气体类型的针对给定质量范围的样本离子从质量分析仪获得的信号强度和/或分析分辨率。通过所述控制器的气体压力和/或气体类型的设置由此允许优化从质量分析仪中获得的信号强度和/或分析分辨率。
期望的是，由于质量分析仪的性能取决于第一离子光学元件中的第一气体的压力，所以设置第一气体的特性是优化第一离子光学元件的性能与优化质量分析仪的性能之间的折中。
质量分析仪优选地选自：离子回旋共振(ICR)质量分析仪、轨道阱质量分析仪、飞行时间质量分析仪(尤其是多反射飞行时间(MR-TOF)质量分析仪)、静电阱质量分析仪、电动离子阱质量分析器和质量过滤器。第一离子光学元件优选地是碰撞室。
如上文相对于质谱仪设备所述，基于待通过质谱仪执行的分析的特征设置气体的特性，例如第一离子光学元件中的气体的压力和/或第一气体的组成可以改进质谱仪的性能。举例来说，它可以通过允许较长瞬态而改进分析的分辨率和/或它可以改进离子捕获效率允许分析中的较大信号强度和更好的灵敏度和/或它可以改进碰撞室中的分段效率和/或它可以避免碰撞室中的不希望的分段和/或它可以改进离子移动性分析器中的离子移动性分辨率。
所述方法可以进一步包括基于样本的特征设置用于供应质谱仪的第二离子光学元件的第二气体的特性的步骤。如上文所说明，在两个或两个以上不同光学离子元件独立地供应有气体的情况下，针对每个独立地供应的光学离子元件设置气体特性可以甚至进一步改进质谱仪的性能。
同样，如早先所说明，待通过质谱仪执行的分析的特征可以基于样本离子的分析的应用程序、样本离子的类型、样本离子的预期的质量、样本离子的预期的电荷和所希望的分析分辨率中的至少一个。举例来说，它可以是样本离子的分析的应用程序、样本离子的类型、样本离子的预期的质量、样本离子的预期的电荷和所希望的分析分辨率中的至少一个的函数。
此外，样本离子的分析的应用程序、样本离子的类型、样本离子的预期的质量、样本离子的预期的电荷、离子的预期的质荷比(m/z)和所希望的分析分辨率中的至少一个可以通过控制器从质谱仪的操作人员的输入中接收和/或控制器可以从质谱仪实验结果中确定样本离子的类型、样本离子的预期的质量和样本离子的预期的电荷中的至少一个。所述结果可以是质量和/或电荷的瞬时测量，或者在一段时间内质量和/或电荷测量的平均，或者从瞬时或平均质谱仪测量中确定样本离子的类型。因此，气体的特性最初可以设置成用于进行质谱仪实验的默认特性以及基于待执行的分析的所确定的特征设置的气体特性，也就是基于通过实验获得的信息。通过以此方式获得信息，可以确定分析的特征而无需来自操作人员的任何(或仅最少)输入。
在质谱仪的操作期间还使用考虑瞬时或平均质量和/或电荷测量的相同技术对分析的特征(无论它是如何最初确定的)进行更新或调节。以此方式，可以在质谱仪的操作期间改进待执行的分析的特征的精确性，因此通过设置更适当的气体特性改进质谱仪的性能。
第一离子光学元件可以是质量分析仪；碰撞室；离子存储装置；离子导引件；质量过滤器；以及离子透镜中的任一个。类似地，在存在第二离子光学元件的情况下，它可以是质量分析仪；碰撞室；离子存储装置；离子导引件；质量过滤器；以及离子透镜中的任一个。
附图说明
参考以下图式仅借助于实例在本文中描述根据本发明的一方面的质谱仪，其中：
图1示出质谱仪，所述质谱仪包括碰撞室、中间离子阱和质量分析器，其中缓冲气体经由气体类型选择器和压力控制器供应到碰撞室，气体类型选择器和压力控制器受控制器的控制；
图2示出用于设置用于图1的质谱仪的适当的气体类型和气体压力的方法步骤；
图3a和3b示出通过不同缓冲器气体使用图1的质谱仪执行的瞬态的分析；以及
图4a和4b示出在从图3a和3b中识别的瞬态中的一个中获得的质谱。
图5示出质谱仪，所述质谱仪包括第一质量分析仪、若干碰撞和捕获装置以及飞行时间质量分析仪，其中缓冲气体可以供应到质谱仪组件中的任一者或全部并且可以根据图2中所示的方法设置气体类型和气体压力。
具体实施方式
图1示出了包括多个元件的质谱仪101，其包含：电喷射离子源105；透镜布置110；具有光束阻断器布置的四极115；八极120；高压室125；低压室130；质量过滤器布置135；弯曲离子阱(C-阱)140；较高能量碰撞分解(HCD)室145；传递多极150；试剂离子源155；试剂入口160；质量分析仪165；压力控制器170；气体类型选择器175；控制器180；以及气体供应装置185，其包括多种不同缓冲器气体的供应装置，例如，氦气(He)、氮气(N2)和氙气(Xe)。HCD室145、C-阱140和质量分析仪165以及质谱仪101的其它元件连接到真空系统(未图示)。在此实例中质量分析仪165是静电轨道阱(OrbitrapTM)。
气体类型选择器175经配置以允许控制器180选择气体供应装置185中的哪些气体应该供应，并且压力控制器170经配置以控制气体填充HCD碰撞室145的压力。因为HCD碰撞室145连接到C-阱140，所述C-阱继而连接到质量分析仪165，所以用于供应HCD碰撞室145的气体将被传输到C-阱140和质量分析仪165并且也是那些元件中的缓冲气体。因此，HCD碰撞室145借助于其到气体供应装置185的直接连接而得到直接供应，并且C-阱140和质量分析仪165经由HCD碰撞室145得到间接供应。
向HCD碰撞室145供应的压力将影响C-阱140和质量分析仪165中的气体压力。可能是个人计算机的控制器180控制气体类型选择器175和可能是阀门的压力控制器170，以设置所使用的气体和向HCD碰撞室145供应的压力(并且还通过扩展C-阱140和质量分析仪165)。
图2示出了通过控制器180执行以选择来自气体供应装置185的气体并且选择用于质量分析仪165的气体压力的控制过程。在步骤S200中，质谱仪101的操作人员将待执行的分析的应用程序输入到控制器180中。这可以由操作人员从可能包含例如“一般”、“代谢组学”、“自下而上蛋白质组学”、“自上而下蛋白质组学”和“本地MS”的不同选择方案的列表中选择。
通过此信息，控制器180可以预测样本离子的预期的质量，例如，通过在数据库中查找针对选定应用程序的预期的质量并且建立待通过质谱仪101执行的分析的特征。数据库信息可能已经通过任何适当的方式预先获得，例如，通过先前实验数据和统计分析。
在建立样本离子的预期的质量之后，确定样本离子的预期的质量所处的预期的质量范围。从实验数据和数学分析中确定的特定类型的缓冲气体和质量分析仪165的气体压力可用于获得针对一个到两个数量级的特定质量范围的高品质结果。因此，通过用相关联的缓冲器设置特定的预期质量范围和气体压力并且确定样本离子的预期的质量所在的预期的质量范围，可以针对质量分析仪165设置已知为改进针对预期的质量范围的质谱仪101的性能的适当的气体组成和气体压力。
在步骤S205中，为了确定样本离子的预期的质量所在的预期的质量范围，将预期的质量与第一阈值(例如，15kDa)进行比较。如果预期的质量小于第一阈值，那么样本离子被视为在低预期质量范围中并且待执行的分析的特征是低预期质量范围。控制过程随后前进到步骤S210，在步骤S210中设置适当的压力。
质量分析仪165的气体压力包括两个组分：基准压力和分压力。基准压力是质量分析仪165无需任何缓冲气体达到的最低压力。分压力是质量分析仪165中的缓冲气体的压力。因此，通过控制器180和压力控制器170设置的压力涉及确定分压力。
在步骤S210中，针对质量分析仪165设置中间分压力，其可以是介于2.0-5.0x10-11毫巴的压力，例如，3.0x10-11毫巴。此压力范围内的分压力已经通过实验和理论分析确定以引起针对样本离子的低范围预期质量的改进的性能。如早先所解释的，HCD碰撞室145中的气体压力、C-阱140和质量分析仪165由于它们的互连都依赖于彼此。已经发现中间分压力引起C-阱140中的捕获效率之间的最佳折中，其通过较高气体压力改进并且引起较高信号强度、质量分析仪165中的瞬态衰减，其通过较低分压力减缓并且引起较高分辨率和强度，以及HCD碰撞室145中的分段效率，其通过较高压力改进。
如果在步骤S205中确定样本离子的预期的质量并不小于第一质量阈值，那么控制过程前进到步骤S215，其中确定样本离子的预期的质量是否大于第二质量阈值(例如，100kDa)。如果样本离子的预期的质量并不大于第二质量阈值，那么样本离子的预期的质量被视为位于中间预期质量范围内并且待执行的分析的特征是中间预期质量范围。控制过程随后前进到步骤S220，在步骤S220中设置适当的压力。
在步骤S220中，针对质量分析仪165设置低分压力，其可以是介于0.5-2.0x10-11毫巴的压力，例如，1.0x10-11毫巴。此压力范围内的分压力已经通过实验和理论分析确定以引起低范围预期质量的改进的性能。随着离子的质量的增大，由于增加的碰撞截面引起的较低强度的测量，质量分析仪165中的瞬态衰减率变得更快。当离子质量增大高于一定水平(例如，第一阈值)并且处于中间预期质量范围中时，气体压力的减小将降低C-阱140的捕获效率，这会降低信号强度，而且还降低质量分析仪165中的瞬态衰减率，引起较长的瞬态寿命并且因此增加信号强度和分辨率。对质量分析仪165性能的正面影响超过C-阱140的负面影响，引起改进的质谱仪性能。
如果在步骤S215中确定样本离子的预期的质量大于第二质量阈值，那么样本离子的预期的质量被视为位于高预期质量范围内并且待执行的分析的特征是高预期质量范围。控制过程随后前进到步骤S225，在步骤S225中设置适当的压力。
在步骤S225中，针对质量分析仪165设置高分压力，其可以是至少5.0x10-11毫巴的压力，例如，6.0x10-11毫巴。此压力范围内的分压力已经通过实验和理论分析确定以引起高预期质量范围的改进的性能。已经发现与低预期质量范围和中间预期质量范围进行比较的分压力的增大是有益的，因为高于一定质量值(例如，第二质量阈值)将变得更加难以解析离子，因此通常不值得为较低分压力可能带来的较长瞬态和较高分辨率努力。这是因为间隔开1m/z的附近离子的频率是等间隔的，但是对于较高质量，频率距离变得越来越小。这导致与更明显拍频图案的干扰，其中在检测到另一密集“拍频”读数之前在密集“拍频”读数若干秒之后是零读数。当衰减率使得第二拍频的检测非常困难时，如果不可能，那么优选的是牺牲较低分压力可能带来的改进的分辨率并且通过增大分压力在具有短暂瞬态的较低分辨率下检测各向同性模式的封包。因此，在步骤S225中设置较高分压力以便改进C-阱中的捕获效率由此提供较大的信号强度并且因此提供质量分析仪中的更好的灵敏度，并且改进HCD碰撞室145中的分段效率。
在设置适当的分压力之后，控制过程随后选择适当的缓冲气体以用于供应到HCD碰撞室145中，并且通过扩展借助于间接供应而进入到C-阱140和质量分析仪165中。待执行的分析的不同特征将得益于不同缓冲器气体的使用，因此选择适当的缓冲气体可以改进分析结果的质量。
在步骤S205中确定样本离子的预期质量将在低范围预期质量范围的情况下，在步骤S210中选择中间分压力之后，控制过程前进到步骤S235，在步骤S235中选择来自气体供应装置185的中间重量缓冲气体。中间重量缓冲气体可能是氮气(N2)或氩气(Ar)并且选择是因为已经通过实验和理论分析确定以引起C-阱140、质量分析仪165和HCD碰撞室145的冲突捕获、瞬态衰减与分段效率需求之间的最佳折中，并且因此当在质量分析仪165中处于中间分压力(如上文所述)时提供针对低预期质量范围的质量分析仪165的最佳性能。
类似地，当在步骤S215中确定样本离子的预期质量将在高预期质量范围中时，并且在步骤S225中设置高分压力之后，控制过程前进到步骤S245，在步骤S245中选择来自气体供应装置185的沉重重量缓冲气体。沉重重量缓冲气体可能是氙气(Xe)或氪(Kr)并且选择是因为它进一步用于改进C-阱140的捕获效率以及碰撞室165的分段衰减，因此当在质量分析仪165中处于高分压力(如上文所述)时针对高预期质量范围改进质量分析仪165的性能。
当在步骤S215中确定的样本离子的预期的质量将在中间预期的质量范围中并且在步骤S220中设置低分压力时，控制过程前进到步骤S230。在步骤S230中，提示质谱仪的操作人员指示他们是否将想要进行样本的高分辨率分析。对于时间有限的一些应用，例如，对于色谱法或将在MS成像中对许多点进行采样的情况下，操作人员可能选择低分辨率分析，因为它需要较少的时间来完成。然而，在时间并不有限或不太关键且操作人员需要较高分辨率分析的情况下，他们可能在步骤S230中选择高分辨率分析。
在选择低分辨率分析的情况下，控制过程前进到步骤S235，如上文所解释，选择来自气体供应装置185的中间重量缓冲气体。中间重量缓冲气体在C-阱140中提供改进的捕获效率、改进信号强度，并且在HCD碰撞室145中提供改进的分段效率，但是加快质量分析仪165中的瞬态衰减，降低了分辨率。在选择高分辨率分析的情况下，控制过程前进到步骤S240，其中选择来自气体供应装置185的轻重量缓冲气体，例如，氦气(He)或氢气(H2)，这会降低C-阱140中的捕获效率、降低信号强度，并且降低HCD碰撞室145中的分段效率，但是减缓质量分析仪165中的瞬态衰减，增大了分辨率。
在确定样本离子的预期的质量所在的预期的质量范围且设置对应的分压力和缓冲气体之后，控制过程前进到步骤S250，其中控制器180通过使用气体类型选择器175和压力控制器170施加所设置的分压力和缓冲气体。分压力可以使用位于质量分析仪165中的压力表由控制器180控制，其中来自压力表的读数反馈到控制器180以完成闭合环路控制，使得控制器可能对压力控制器170作出任何必要的调整以实现质量分析仪165中的所希望的分压力。
在已经施加所设置的缓冲气体和分压力之后，质谱仪101可进行样本的分析。
图3a示出在氮气用作缓冲气体的情况下为碳酸酐酶的25+电荷状态获得的瞬态的分析。
图3b示出为碳酸酐酶的25+电荷状态获得的瞬态的相同分析，但是是在氦气用作缓冲气体的情况下。
碳酸酐酶的分析是自上而下蛋白质组分析，并且因此根据上文所述的控制过程属于中间预期质量范围。因此，分压力被设置成低分压力范围内的值并且当操作人员需要高分辨率分析时所使用的缓冲气体是轻重量缓冲气体或者当操作人员需要低分辨率分析时所使用的缓冲气体是中间重量缓冲气体。
如可见，使用中间重量缓冲气体(氮气)的图3a与使用轻重量缓冲气体(氦气)的图3b相比已识别较少的拍频。这是与轻重量缓冲气体进行比较的通过中间重量缓冲气体实现的较低分辨率的结果。
图4a示出了从在图3a中识别的瞬态中的一个获得的质谱。
图4b示出了从在图3b中识别的瞬态中的一个获得的质谱。
同样，可以看出使用轻重量缓冲气体(氦气)获得的图4b的瞬态与使用中间重量缓冲气体(氮气)获得的图4a相比具有较高分辨率。
在上述质谱仪101的替代布置中，并非将缓冲气体供应到HCD碰撞室145中以及针对质量分析仪165设置分压力，实际上缓冲气体可以供应到质量分析仪101的任何其它相关光学元件中以便实现质量分析仪101的任何相关光学元件中的所希望的分压力。举例来说，C-阱140可能直接供应有在适合于实现质量分析仪165中的所希望的分压力下的气体压力的缓冲气体，其中缓冲气体选择和分压力选择这两者根据上文所述和图2中所示的方法受控制器180的控制。或者，举例来说，气体可在适合于实现高压室125中的所希望的分压力的气体压力下直接供应到高压室125中。
质谱仪101不限于仅包含图1中所示的那些离子光学元件，而是可以具有较少离子光学元件或较多离子光学元件。
图5示出可以施加所揭示的气体控制过程的质谱仪布置的不同实例。图5中的质谱仪包括离子源510、第一离子导引件520、第一(四极)质量分析仪530、第二导引件540(其也可以可操作为第一离子阱)、碰撞室/离子移动性装置550、第三离子导引件560(其也可以可操作为第二离子阱)和飞行时间质量分析仪570。碰撞室/离子移动性装置550可以设置成执行装置的入口区域中的分段和装置的细长部分中的离子移动性分离。飞行时间质量分析仪570可以是单个反射飞行时间质量分析仪，或者多反射飞行时间质量分析仪。
图5中所示的质谱仪元件中的任何一个或多个可以直接供应有缓冲气体，并且缓冲气体压力和/或类型可以根据所揭示的控制过程来选择以便优化质谱仪的性能。举例来说，气体压力的调整和/或碰撞室/离子移动性装置550的类型可能影响离子移动性性能，例如，通过将可分离的流动性的范围从“低”移动到“高”或者增大/减小移动性分辨率。碰撞室中的分段也可以通过改变气体压力和/或类型来修改，以便改进分段效率和/或避免不希望的分段。因此可以通过针对待执行的分析的特定特征来优化离子移动性性能和/或碰撞室中的分段而改进质谱仪的性能。
第一质量分析仪530和离子导引件520、540和560的性能也可能受气体类型和压力的影响。飞行时间质量分析仪570的飞行时间分辨率也可能受气体压力和/或类型的改变的影响，并且作为离子阱的导引件540和560的操作(例如，改进工作循环)也可能受气体压力和类型的影响。
此外，并非将气体供应到质谱仪101的一个离子光学元件，两个或两个以上不同的离子光学元件可独立地得到供应并且受控制器180的控制。举例来说，质谱仪101可以经配置使得一个特定离子光学元件中的缓冲气体并不进入特定邻近离子光学元件，使得HCD碰撞室145可以经由第一压力控制器直接供应有来自气体供应装置185的第一缓冲气体并且第一气体类型选择器和C-阱140可以经由第二压力控制器和第二气体类型选择器直接供应(并且质量分析仪165从其中间接供应)有来自气体供应装置185的第二缓冲气体。第二压力控制器和气体类型选择器可以经配置以独立于第一压力控制器和气体类型选择器受到控制器180的控制。
通过将气体从HCD碰撞室145中独立地供应到C-阱140和质量分析仪165，与HCD碰撞室145的气体不同的气体可以用于C-阱140和质量分析仪165。举例来说，对质量分析仪165有利的气体(例如，氦气)可以供应到C-阱140，并且对专业化HCD碰撞室应用有利的气体(例如，用于室内的反应的氨气，或用于较高碰撞效率的氮气或六氟化硫)可以供应到HCD碰撞室145。此外，也可以使实现第二离子光学元件(HCD碰撞室145)中的有利的压力成为可能，如果两个离子光学元件不是独立地供应的，那么结合第一离子光学元件(质量分析仪165)中的有利的压力是无法获得所述有利的压力的。
虽然本发明的上述方面建议有限数目的气体用作质谱仪101中的缓冲气体，但是可以使用适合与质谱仪一起使用的任何气体。气体可以具有仅单种元素或化合物的组成，或者可以由任何两种或两种以上的元素和/或化合物组成。
在图2中所示和上文所述的控制过程中，存在三个不同质量范围，其中可以确定样本离子的预期的质量所在的范围。然而，可以布置成仅设置两个不同质量范围，或者设置四个或四个以上质量范围，其中可以确定控制过程，在所述控制过程中样本离子的预期的质量位于设置范围中。不同预期的质量范围中的每一个的阈值可以设置成任何适当的值并且对于每个范围可能存在对应的分压力范围设置和/或缓冲气体选择。
替代地，控制器180可以经配置以将预期的质量的样本离子应用于确定待使用的缓冲气体和气体压力的功能，而根本无需使用质量范围。
此外，并非具有预期的电荷范围，图2中所示且上文所述的控制过程可以实际上考虑样本离子的任何适当的特征。举例来说，可以设置所预期样本离子电荷范围并且作出样本离子所在的所预期样本离子电荷范围的确定以确定待执行的分析的特征并且设置适当的缓冲气体和分压力。类似地，并非考虑质量，可以设置所预期样本离子质荷比(m/z)范围并且考虑所预期样本离子m/z。
此外，并非使质谱仪101的操作人员将待执行分析(例如，“一般”、“代谢组学”、“自下而上蛋白质组学”、“自上而下蛋白质组学”和“本地MS”)的应用程序输入到控制器180，操作人员可以实际上直接在步骤S200中输入任何其它相关信息，例如，样本离子的预期的质量和/或能量。如图2所示和上文所述控制过程随后可以从步骤S205继续向前。替代地，操作人员可以输入关于选自可能的样本类型的列表的待分析的样本的类型的信息，例如，“胆汁”、“血液”、“尿液”、“消化细胞裂解物”、“食物”、“水”、“细胞提取物”、“QC样本”等。可以随后考虑待执行的分析的应用程序以在与上文所述的类似过程中确定样本离子的预期的质量和/或能量。此外，多种信息可以由操作人员输入(例如，待执行的分析的类型和样本的预期的质量)并且由控制器180使用以确定待执行的分析的特征(例如，使用考虑所有输入信息的功能)。
如果操作人员输入待执行的分析和/或待分析的样本的类型的应用程序，那么并非查找样本离子的预期的质量且随后从样本离子的预期的质量中确定待执行的分析的特征，控制器180可以替代地使用待执行的分析的输入的应用程序和/或待分析的样本的类型作为待执行的分析的特征。可以随后针对待执行的分析的特征查找对应的缓冲气体和气体压力并且控制器180设置关于应用到质谱仪101的缓冲气体和气体压力。替代地，控制器180可以经配置以仅基于待执行的分析的输入的应用程序和/或待分析的样本的类型识别样本离子落入的预期的质量范围并且随后如上文所述向前执行步骤S210。
操作人员可以针对他们将想要输入到控制器180中的类别的信息提出各种选择方案，通过所述类别的信息控制器180可以确定待执行的分析的特征。举例来说，操作人员可以具有输入样本离子的预期的质量、样本离子的预期的电荷、样本离子的分析的应用程序、样本离子的类型和分析的所希望的分辨率中的至少一个的选择方案。操作人员可以针对这些范围中的任何一个或多个输入信息，使用所述信息所述控制器180可以确定待执行的分析的特征并且随后相应地设置缓冲气体组成和压力。以此方式，操作人员具有仅输入易于得到的信息的机会并且如果他们并不想要的话，那么不会有需要查询额外信息或者进行计算的负担。
此外，并非从操作人员接收用于确定待执行的分析的特征的信息，控制器可以替代地经配置以接收来自任何其它合适的来源的信息，例如，质谱仪的另一电子组件或者任何其它装置。举例来说，质谱仪可以以默认状态开始操作而无需关于待执行的分析的特征的控制器180的任何知识。因此，操作人员可以开始质谱仪101的操作而无需将任何信息输入到控制器180中。默认设置可以是例如将气体压力和气体类型设置成低预期的质量范围的气体压力和气体类型。在将气体压力和气体类型设置成默认设置之后，质量分析仪101可以执行样本离子的分析，例如离子的质量和/或电荷的分析。基于可以是瞬时分析结果或者在一段时间内平均的分析结果的所述分析，控制器180可以确定待通过质谱仪执行的分析的特征。控制器180可以随后根据待执行的分析的所确定的特征设置气体压力和气体类型。这可以引起气体压力和/或气体类型的改变并且样本离子的分析通过改进的质谱仪性能而重新开始。
甚至在控制器180已确定待执行的分析的特征之后，无论通过操作人员将信息输入到控制器180或是通过在上文的段落中所描述的分析过程，控制器180可以基于质谱仪执行的分析作出待执行的分析的特征的进一步的确定。控制器180可以考虑通过质谱仪101的分析的瞬时结果或者在一段时间内平均的多个结果，例如，样本质量和/或电荷，并且确定待执行的分析的特征。如果这个新近确定的特征不同于先前确定的特征，那么控制器180可以相应地改变气体压力和/或气体类型。以此方式重新考虑待执行的分析的特征可以引起特征的改进的确定，例如，因为先前特征是基于操作人员的不精确的信息输入确定的，这可能引起随后分析的改进的质谱仪性能。
虽然在图2中所示且在上文中描述的控制过程中，缓冲气体的类型和缓冲气体的分压力这两者是基于分析的特征选择并且受到控制器180的控制的，但是替代地缓冲气体或者缓冲气体的分压力中的仅一者可以得到选择并且受到控制器180的控制，而另一者对于所有分析特征是保持恒定的。
虽然在图2中所示且在上文中描述的控制过程中，当样本离子的预期的质量处于中间预期的质量范围中时仅询问操作人员他们的所希望的分辨率，但是可以替代地在任何阶段询问操作人员他们的所希望的分析分辨率是多少，例如，它可以是步骤S200中的输入。此外，所希望的分析分辨率可以影响待执行的分析的特征并且因此影响选定的缓冲气体和气体压力。
质量分析仪165可以是任何形式的质量分析仪，例如，轨道捕获质量分析仪、线性或3D离子阱、飞行时间(TOF)质量分析仪，具体是多反射TOF(MRTOF)，或者傅立叶变换离子回旋共振(FTICR)质量分析仪。此外，C-阱140可以是任何形式的阱或者存储装置，并且HCD碰撞室145可以是任何形式的碰撞室。此外，离子源105可以是任何类型的离子源，例如，MALDI或者大气压电离(API)，例如，电喷射(ESI)、光子(APPI)、化学(APCI)，或等离子(ICP、辉光放电、电晕放电)。
工业实用性
本发明可以应用于质谱分析的领域中。

Claims (21)

1.一种质谱仪，其用于执行样本离子的分析，所述质谱仪包括：
第一离子光学元件，其供应有第一气体；
质量分析仪，其中所述质量分析仪的性能取决于所述第一离子光学元件中的所述第一气体的压力；以及
控制器，其用于基于至少所述样本离子的预期的质量和所述质量分析仪的所希望的分辨率设置所述第一气体的特性，所述特性至少包括所述第一气体的压力，其中设置所述第一气体的特性包括确定优化所述第一离子光学元件的性能与优化所述质量分析仪的所述性能之间的折中，其中所述控制器包括用于作出用于设置所述第一气体的所述特性的基于规则的决策的计算机，其中所述基于规则的决策包括确定所述样本的预期的或确定的质量位于多个预先确定的质量范围中的哪一个中，确定所希望的质量分辨率是否位于质量分辨率阈值以下或以上并且基于所述确定设置将允许使用所述质量分析仪获得所希望的信号强度和/或质量分辨率的所述气体的所述特性。
2.根据权利要求1所述的质谱仪，其中所述质量分析仪选自：离子回旋共振(ICR)质量分析仪、轨道阱质量分析仪、飞行时间质量分析仪、静电阱质量分析仪、电动离子阱质量分析器和质量过滤器。
3.根据权利要求1-2中任一权利要求所述的质谱仪，其中所述质量分析仪是多反射飞行时间(MR-TOF)质量分析仪。
4.根据权利要求1-2中任一权利要求所述的质谱仪，其中所述第一气体的所述特性至少进一步包括所述第一气体的组成。
5.根据权利要求1-2中任一权利要求所述的质谱仪，其进一步包括：
第二离子光学元件，其供应有第二气体；其中
所述控制器经配置以用于基于待通过所述质谱仪执行的所述分析的特征设置所述第二气体的特性。
6.根据权利要求5所述的质谱仪，其中所述第二气体的所述特性包括所述第二离子光学元件中的第二气体压力和所述第二气体的组成中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的质谱仪，其中所述控制器经配置以接收所述样本离子的所述分析的应用程序、所述样本离子的类型、所述样本离子的所述预期的质量、所述样本离子的预期的电荷和所希望的分析分辨率的输入。
8.根据权利要求7所述的质谱仪，其中所述控制器经配置以接收来自所述控制器的操作人员的所述样本离子的所述分析的所述应用程序、所述样本离子的所述类型、所述样本离子的所述预期的质量、所述样本离子的所述预期的电荷和所述所希望的分析分辨率中的至少一个的输入。
9.根据权利要求1所述的质谱仪，其中所述控制器经配置以确定来自质谱仪实验结果的所述样本离子的类型、所述样本离子的所述预期的质量和所述样本离子的预期的电荷中的至少一个。
10.根据权利要求9所述的质谱仪，其中所述样本离子的所述类型、所述样本离子的所述预期的质量和所述样本离子的所述预期的电荷中的至少一个是从自多个质谱仪实验结果中获得的平均质量和平均电荷中的至少一个中确定的。
11.根据权利要求1-2中任一权利要求所述的质谱仪，其中所述第一离子光学元件是质量分析仪；碰撞室；离子存储装置；离子导引件；质量过滤器；离子移动性分析器；以及离子透镜中的任一个。
12.一种用于操作质谱仪的方法，所述质谱仪包括第一离子光学元件和质量分析仪，所述方法包括以下步骤：
确定至少样本离子的预期的质量和所述质量分析仪的所希望的分辨率；
确定所希望的质量分辨率是否位于质量分辨率阈值以下或以上，
作出基于规则的决策以基于所述确定来确定第一气体的特性以允许使用所述质量分析仪获得所希望的信号强度和/或质量分辨率，其中确定所述第一气体的特性包括确定优化所述第一离子光学元件的性能与优化所述质量分析仪的性能之间的折中，所述第一气体的所述特性至少包括所述第一气体的压力；以及
基于所述基于规则的决策设置用于供应所述质谱仪的第一离子光学元件的第一气体的特性，其中所述质量分析仪的性能取决于所述第一离子光学元件中的所述第一气体的所述压力。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述质量分析仪是以下项中的任一个：离子回旋共振(ICR)质量分析仪、轨道阱质量分析仪、飞行时间质量分析仪、静电阱质量分析仪、电动离子阱质量分析器和质量过滤器。
14.根据权利要求12到13中任一权利要求所述的方法，其中所述质量分析仪是多反射飞行时间(MR-TOF)质量分析仪。
15.根据权利要求12到13中任一权利要求所述的方法，其中所述第一气体的所述特性至少进一步包括所述第一气体的组成。
16.根据权利要求12到13中任一权利要求所述的方法，其进一步包括以下步骤：
基于样本离子的特征设置用于供应所述质谱仪的第二离子光学元件的第二气体的特性。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第二气体的所述特性包括所述第二离子光学元件中的第二气体压力和所述第二气体的组成中的至少一个。
18.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括∶
接收来自所述质谱仪的操作人员的所述样本离子的所述分析的应用程序、所述样本离子的类型、所述样本离子的所述预期的质量、所述样本离子的预期的电荷和所希望的分析分辨率中的至少一个。
19.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括：
确定来自质谱仪实验结果的所述样本离子的类型、所述样本离子的所述预期的质量和所述样本离子的预期的电荷中的至少一个。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述样本离子的所述类型、所述样本离子的所述预期的质量和所述样本离子的所述预期的电荷中的至少一个是从自多个质谱仪实验结果中获得的平均质量和平均电荷中的至少一个中确定的。
21.根据权利要求12到13中任一权利要求所述的方法，其中所述第一离子光学元件是质量分析仪；碰撞室；离子存储装置；离子导引件；质量过滤器；离子移动性分析器；以及离子透镜中的任一个。
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