CN107068533A - 与俘获离子迁移率分离耦合的三重四极杆质谱分析 - Google Patents

与俘获离子迁移率分离耦合的三重四极杆质谱分析 Download PDF

Info

Publication number
CN107068533A
CN107068533A CN201611197610.0A CN201611197610A CN107068533A CN 107068533 A CN107068533 A CN 107068533A CN 201611197610 A CN201611197610 A CN 201611197610A CN 107068533 A CN107068533 A CN 107068533A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ion
mobility
mass
ionic
ionic species
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201611197610.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107068533B (zh
Inventor
德斯蒙德·艾伦·卡普兰
费利奇安·蒙泰安
梅尔文·安德鲁·帕克
马克·里奇韦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Brook Science Co Ltd
Original Assignee
Bruker Daltonik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bruker Daltonik GmbH filed Critical Bruker Daltonik GmbH
Publication of CN107068533A publication Critical patent/CN107068533A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107068533B publication Critical patent/CN107068533B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/004—Combinations of spectrometers, tandem spectrometers, e.g. MS/MS, MSn
    • H01J49/0045—Combinations of spectrometers, tandem spectrometers, e.g. MS/MS, MSn characterised by the fragmentation or other specific reaction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/42—Stability-of-path spectrometers, e.g. monopole, quadrupole, multipole, farvitrons
    • H01J49/4205—Device types
    • H01J49/422—Two-dimensional RF ion traps
    • H01J49/4225—Multipole linear ion traps, e.g. quadrupoles, hexapoles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/06—Electron- or ion-optical arrangements
    • H01J49/062—Ion guides
    • H01J49/063—Multipole ion guides, e.g. quadrupoles, hexapoles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/62—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/62—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode
    • G01N27/622—Ion mobility spectrometry
    • G01N27/623—Ion mobility spectrometry combined with mass spectrometry
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/06—Electron- or ion-optical arrangements
    • H01J49/062—Ion guides
    • H01J49/065—Ion guides having stacked electrodes, e.g. ring stack, plate stack
    • H01J49/066—Ion funnels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/10—Ion sources; Ion guns
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/42—Stability-of-path spectrometers, e.g. monopole, quadrupole, multipole, farvitrons
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/42—Stability-of-path spectrometers, e.g. monopole, quadrupole, multipole, farvitrons
    • H01J49/4205—Device types
    • H01J49/421—Mass filters, i.e. deviating unwanted ions without trapping
    • H01J49/4215—Quadrupole mass filters

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
  • Electron Tubes For Measurement (AREA)

Abstract

本发明提供一种获取复杂物质混合物中物质的碎片离子谱的方法，其中将俘获离子迁移谱仪(“TIMS”)用作与三重四极杆质量过滤器组件耦合的离子迁移率分离装置。碎片离子谱可用于识别复杂混合物中的大量蛋白质，或使用上游物质分离器，通过质谱仪中的碎片离子质谱用于某些物质的安全定量。TIMS，尤其在配备并行积聚之后，可提供延长离子积聚持续时间以便在不降低碎片离子质谱测量能力的情况下找到更多可检测离子种类的独特可能。碎片离子质谱的高测量能力可重复测量低丰度的离子种类，从而优化碎片离子谱的质量。

Description

与俘获离子迁移率分离耦合的三重四极杆质谱分析
发明背景
发明领域
本发明涉及用于高效采集源自前体离子、已按迁移率分离的大量物质特征碎片离子种类的仪器和方法，尤其涉及具有准确识别性和改进的信噪比的量化物质的仪器和方法。
背景技术概述
在蛋白质科学领域，专家对于通过液相色谱/质谱分析(LC-MS)来量化提取自生物样本的蛋白质的水解消化液中的多肽和蛋白质的兴趣越来越浓厚。专家还特别将注意力转向临床前研究中药制品及其代谢物的量化分析。此外，还可借此测试食品/水果/蔬菜基质是否含农药和其他污染物。与三重四极杆质谱仪耦合的液相色谱仪是已知能够检测和量化物质、具有最高灵敏度的低价仪器，但是测量方法仅限于在有限持续时间的LC峰值中出现的少数物质。不幸的是，由于会测量到更少的离子，通过MRM(multiple reactionmonitoring，多反应监测)增加物质数量会降低测量精确度。在临床前药物研究中，并行操作几十台三重四极杆仪器，可同时分析成百上千的样本。
美国专利号6,960,761B2(“Instrument for Separating Ions in Time asFunctions of Preselected Ion Mobility and Ion Mass”(“在作为预选离子迁移率和离子质量函数的时间内分离离子的仪器”)，D.E.Clemmer，2001年)介绍了一个或多个离子迁移分离器与质量过滤器和高分辨率质量分析器结合的应用。该文献描述了使用大量不同的离子源、离子阱、离子迁移分离器、质量过滤器、碰撞池、离子反应器和高分辨率质量分析器的组合分离混合物中离子的各种方法。此外，所描述的相应仪器由离子源、离子阱、离子迁移分离器、质量过滤器、碰撞池、离子反应器和高分辨率质量分析器以不同的顺序组成。本方法或设备末尾的高分辨率质量分析器可以是飞行时间(TOF)或离子回旋共振(ICR)质谱仪，以高质量测量精确度测量碎片离子或未破碎离子的质谱。飞行时间(TOF)质量分析器具有高速测量的优点。然而，高分辨率质量分析器仪器本身及其操作昂贵。D.Clemmer在此装置中使用了实际尺寸相对较大的漂移管(垂直于TOF-MS的飞行管)，这使其与占地面积更小的现代质谱仪相比，可行性更低。
在美国专利6,630,662B1(A.V.Loboda；2002年：“Setup for MobilitySeparation of Ions Implementing an Ion Guide with an Axial Field andCounterflow of Gas”(“通过轴向场和气体逆流实施离子导向的离子迁移率分离装置”))介绍了一种离子迁移分离装置，主要使用恒定电场和气体逆流分布。该装置一方面可以从不连续的MALDI离子源的离子脉冲中收集离子，另一方面还可按其离子迁移率分离收集的离子。MALDI(基质辅助激光解吸和电离)主要提供单电荷分子离子。尽管作为一种可能性简单地提及了其可与三重四极杆质谱仪结合，但根据D.E.Clemmer的建议，主要注意力还是放在QqTOF上，即质量过滤器(Q)、破碎池(q)和飞行时间(TOF)质量分析器作为最后的质量分析器的组合。
另一种离子迁移谱仪也为大家所熟知，简称“TIMS”(俘获离子迁移谱仪)。TIMS是非常小的离子迁移谱仪(有效部件仅大约五厘米长)，完全不同于恒定电场中的漂移管和行波迁移谱仪。TIMS与气流和反向电场结合，因此非常相似于A.V.Loboda的装置。与Loboda的装置不同，它在恒定气流中使用具有斜坡电场势垒的电场分布来按离子迁移率阻止离子；电场势垒的降低将释放离子迁移率增加的离子，从而产生离子迁移谱。TIMS型离子迁移分离器的独特非凡的特征在于，随着扫描持续时间的增加，离子迁移率分辨率持续增高。使用TIMS，已经通过实验方法获得大约Rmob＝400的超高离子迁移率分辨率。美国专利号7,838,826B1(M.A.Park，2008年)中详细介绍了TIMS。
在共同待审的美国专利申请号14/931,163(“Acquisition of Fragment IonMass Spectra of Ions Separated by their Mobility”(“采集按迁移率分离之离子的碎片离子质谱”)；M.Mann等人，2015年)中，介绍了使用一台TIMS-QqTOF型仪器每秒可测量超过三百个碎片离子质谱的方法，该方法具有可调节的离子迁移率分辨率。
所描述的QqTOF型仪器皆为目前价格高昂的仪器，其高分辨率质量分析器占成本一大部分。市场仍需要低价的仪器和方法来定量测量由生物样本中或由复杂的食物/水果/蔬菜基质(为了测试是否存在农药和其他污染物)中提取的蛋白质的水解消化液的大量特征碎片离子，而不必测量整个碎片离子谱。
定义
与质谱文献中一样，缩写“Q”代表用作质量过滤器的四极杆，其通过射频(RF)加直流(DC)电压运行；而缩写“q”代表RF四极杆装置，基本上没有DC电压(有时称为RF-only)，用作离子导向或破碎池。因此缩写“QqQ”代表在两个质量过滤器之间具有一个破碎四极杆的三重四极杆装置，而“QqTOF”则表示在一个质量过滤器和一个飞行时间质量分析器之间有一个破碎四极杆。或者，三重四极杆仪器可以缩写为Q1Q2Q3，尤其在应当对三个RF四极杆装置进行编号时更是如此，这在本领域中是常见做法。
在某些情况下，本文的简化表述“离子质量”代表更准确的“电荷相关的离子质量”(离子质量m除以离子多余元电荷的数量z)，或者通常的“质荷比m/z”。
本文使用的表述“分离器”和“分离”是及时分离不同物质或不同离子种类的装置和方法。色谱、毛细管电泳和离子迁移谱都符合分离方法的定义。术语“过滤器”是指通常配置为多种离子中仅允许被选中的离子通过的装置和方法。一个示例是RF四极杆质量过滤器，能够按质量过滤离子(尽管技能熟练的从业者会了解RF四极杆质量过滤器通常也可切换为具有相当宽的带通特性的RF-only模式)。
“迁移率扫描时间”或“迁移率扫描持续时间”定义为离子迁移率扫描在相关的离子迁移率范围内的持续时间，通常完整的离子迁移率范围已在扫描之前储存。
“离子迁移率”K定义为K＝vd/E，vd为漂移管内的漂移速度，E为管内的电场强度。“折合离子迁移率”K0定义为标准NTP条件下的离子迁移率K。“离子迁移率分辨率”定义为Rmob＝K/ΔK，ΔK为离子迁移率信号在半高处的宽度。
发明概述
本发明在三重四极杆质谱仪(缩写为“QqQ”或“Q1Q2Q3”)的基础上提供了新的仪器和新的测量方法。本发明提出了在第一四极杆质量过滤器Q1的上游位置使普通的三重四极杆质谱仪与俘获离子迁移分离器(“TIMS”)耦合。
该离子迁移分离器按其迁移率暂时将所收集离子量的离子种类分离，从而形成部分重叠的离子种类的短脉冲序列，因而将某个离子种类的离子浓缩大约二十到五十倍，并将其及时地与多数其他离子种类分离，从而大幅提高信噪比。
可通过第一RF四极杆质量过滤器Q1在正确的时间间隔和正确的质量范围内(均已计算和预先确定)从离子迁移率扫描中选出第一个所选离子种类的离子，在RF四极杆破碎池(第二四极杆Q2)中进行破碎，并可通过RF四极杆质量过滤器Q3选择特征碎片离子种类，并在离子检测器中进行测量，从而得到这个离子种类的定量表述。可通过Q1在相同离子迁移率扫描循环中选出在时间和质量范围内的第二批离子种类，通过Q2进行破碎，并使用Q3通过显著碎片离子进行定量测量，以此类推，测量第三个、第四个、第五个离子种类，与没有离子迁移分离器的三重四极杆质谱仪相比，可以轻松地测量五倍到二十倍数量的离子种类数量，并以大幅提高的信噪比和相应提高的灵敏度检测每个离子种类。
可对第二、第三、第四次收集的离子量重复这一测量循环，以此类推。如果三重四极杆质谱仪进一步与色谱仪耦合，则能根据惯例以其计算并预先确定的正确保留时间测量所有目标物质，对每种物质的全物质峰进行采样。在该测量方法的一个令人惊讶的变体中，由于离子迁移分离器辅助分离离子(尽管利用不同的分离原则)，色谱仪的运行时间可以大幅缩短。如果运行时间缩短大约十倍，则色谱峰中的离子种类数量将增加大约相同的倍数，但是物质离子通过离子迁移分离器再次分离。与TIMS结合的单个三重四极杆质谱仪可提供高十倍的工作负载。
在某些类型的样本混合物中，离子迁移分离器甚至可以完全省略上游物质分离器(例如LC或GC)。技能熟练的从业者可以理解，这种可能性在经济上会特别引人关注，例如用于某种单反应检测(SRM)应用。
首选实施例使用共同待审美国专利申请14/614,456(“Trapping Ion MobilitySpectrometer with Parallel Accumulation”(“可并行积聚的俘获离子迁移谱仪”)，M.A.Park和M.Schubert)中介绍的可并行离子积聚的俘获离子迁移谱仪，该文献的全部内容以引用的方式并入本文。可并行积聚的TIMS(在下文中缩写为“PATIMS”)实际上按离子迁移率收集和分离离子源的所有离子，而不会损失任何离子。PATIMS进一步提供了唯一延长离子积聚持续时间的可能性，以找到更多可检测的离子种类，而不会降低对特征碎片离子的测量能力，因而甚至提高离子迁移率分辨率。在与扫描单元几乎相同的积聚单元中，在电场势垒斜坡上收集离子，从而按斜坡上的离子迁移率在空间上分离离子。因此，积聚的离子受空间电荷的影响比漂移管或行波离子迁移分离器所用的积聚器中的离子所受的影响更小。但最重要的是TIMS的独特之处，即更长的积聚时间允许通过选择相应延长的迁移率扫描持续时间以提高迁移率分辨率，例如，扫描持续时间为100毫秒时，离子迁移率分辨率Rmob＝90，而扫描持续时间为20毫秒时，Rmob＝60。所收集离子数量更高且迁移率分辨率更好，则可以检测和测量的离子种类更多。当离子迁移率扫描结束时(可选择在二十到一百毫秒或更长时间之后)，积聚的离子将从积聚单元传输至离子迁移率扫描单元(大约一毫秒)，下一次离子迁移率扫描可开始。总体上，技能熟练的从业者可以理解，能够实现每秒超过300个特征碎片离子的测量速率。
与通过MRM(多反应监测)使用不进行离子迁移分离的三重四级杆质谱仪的测量精度相比，在此类仪器中，能够以高出大约五倍到五十倍的测量精度对大量的离子种类进行测量，尤其当需要量化大量物质时。技能熟练的从业者能够进一步意识到，可以实现更好的信噪比，从而实现更好的灵敏度。
此类仪器特别适用于人们熟知的测量可分解连接肽上(在破碎池中分裂为样本特定报告离子)携带样本特定质量标记的不同先证者的混合样本中物质的方法。报告离子的丰度关系反映了不同样本中相应物质的浓度关系。与色谱仪耦合后，该仪器在运行单次色谱仪时可测量几百甚至上千的丰度比。
复杂物质混合物(样本)可以是从生物样本中提取的蛋白质的水解消化液，或可以是包含药品及其代谢物的生物样本，或要测试是否含农药和其他污染物的复杂食品/水果/蔬菜基质。含有消化多肽、药物及其代谢物，或含有农药的样本通常通过上游液相色谱或电泳单元分离。所选前体离子的主导和特征碎片离子用于通过测量色谱峰中的碎片离子来量化相应物质。
复杂混合物还可以是在气相色谱仪中分离并通过化学电离(CI)进行电离的可蒸发物质的混合物，例如多氯联苯(PCB)等有毒物质。
前体质量是已知先验的，这一事实利于此类目标测量方法的设置，通过计算确定保留时间、碎片离子质量和最佳碰撞能量与普通三重四极杆方法开发相似。这对本文披露的技术原理特别有利，因为TIMS扫描可以关闭，而实际物理装置可以作为常规离子漏斗用于方法开发的目的。所需的额外步骤是找到离子迁移分离器中前体离子的正确洗脱时间。例如，这可通过在三重四极杆质谱仪的每个TIMS循环期间设置SIM(单离子检测)并对每个相关的前体离子重复这种设置来实现；或者，通过由相同色谱仪、相同离子源、相同可积聚TIMS、相似Q1Q2四极杆以及正交离子注入飞行时间质量分析器组成的更加昂贵的高性能仪器事先确定测量参数(例如，保留时间、离子迁移率扫描时间、离子种类的质量)来实现。
在另一个实施例中，PATIMS可进行额外的缩放操作，可按照美国专利号8,766,176B2(D.A.Kaplan、M.A.Park、M.Ridgeway)的介绍进行时间缩放，或按照共同待审美国专利申请号14/931,125(O.Raether和M.A.Park)中的介绍进行空间缩放，二者以全文引用的方式并入本文。在空间缩放模式，离子积聚在特殊积聚单元的电场势垒斜坡上。但是，用于空间缩放的电场势垒斜坡更平缓。斜坡末端的场峰值在离子积聚期间阻止低迁移率的离子种类。所选迁移率范围的离子种类积聚在场梯度比场峰值小很多的斜坡部分上。所选离子迁移率范围的离子种类在空间上解压，以降低空间电荷效应，从而可使用更长的积聚持续时间无干扰地收集更多所选离子迁移率范围内的离子种类。空间缩放可在更长的积聚时间期限内无干扰地检测和收集甚至更高数量的所选离子迁移率范围内的离子。同时，由于用更低的速度扫描更小的迁移率范围，离子迁移率分辨率更高。本方法使用离子迁移分离器可以检测到那些通过任何其他商业质谱仪在任何操作模式下都无法被检测到的离子。可根据物质混合物中生成的离子种类的离子迁移率分布调整空间缩放所选择的离子迁移率范围。
质量过滤器Q1和Q3最好是快速切换RF四极杆质量过滤器。RF四极杆质量过滤器最好可在远低于一毫秒的时间内切换至接下来要测量的离子种类的质量，方法例如为先关闭穿过质量过滤器的传输，然后调至下一个质量，然后在待测量的下一个离子种类已计算和预先确定的正确时间间隔开始时再次打开。这样，质量过滤器可在正确的时间间隔和正确的质量范围获取离子种类，这二者均已计算和预先确定。
破碎池Q2最好是不会俘获离子的流通池。离子最好在填充惰性碰撞气体的池中通过碰撞诱导解离进行破碎，但是也可通过电子轰击或光子诱导解离进行破碎(通过使用红外或者紫外线光源)。在某些三重四极杆仪器中，破碎四极杆构成半圆形，例如弯曲180度，从而让并行排列的两个质量过滤器可形成一个在实验桌上占用空间小的小仪器。
附图说明
图1显示了符合现有技术的普通三重四极杆质谱仪的原理概述图，该质谱仪有一个上游物质分离器(例如LC)、一个大气压力(AP)离子源、三个四极杆Q1、Q2和Q3以及一个离子检测器。
图2示意性地显示了如US 7,838,826 B1(M.A.Park，2008年)所述符合现有技术的俘获离子迁移谱仪(TIMS)的设计和工作原理。位于入口漏斗(10)和出口漏斗(12)间的离子迁移率扫描管(11)长度仅为约48毫米；内径为8毫米。离子迁移率扫描管(11)由一系列带象限电极(1)至(4)的分段隔膜组成，如图顶部所示，可在管内产生四极RF场。来自离子源(未显示)的离子(6)通过毛细管(8)被气流(7)引入到第一真空室内。推斥板(9)引导离子(6)进入漏斗(10)；管内具有抛物线流速分布的气流(14)将离子推入并通过离子迁移率扫描管(11)。在图底部的两个图E(z)＝f(z)内，此处z是装置轴的坐标(不是电荷数)，显示了两个工作阶段的电场分布：在积聚阶段(A)，离子被气流(14，16)吹到介于z轴位置(20)和(24)之间的电场分布上升沿(“斜坡”)上。在扫描阶段(B)，逐渐或逐步降低的电场分布电压按迁移率上升的顺序在位置(24)的电场平台上释放离子，使离子通过出口漏斗并进入离子检测器(未显示)。随时间变化的离子电流测量值可产生从低迁移率到高迁移率的离子迁移谱。
图3中，TIMS仪器的离子迁移率分辨率被绘制为扫描整个离子迁移率范围所需的持续时间的函数。扫描持续时间仅20毫秒时，离子迁移率Ko＝0.5m2/Vs的离子种类可实现大约Rmob＝60的迁移率分辨率，在300毫秒的扫描持续时间时，分辨率可升高至Rmob＝120。
图4显示了符合本发明原理的新三重四极杆质谱仪的原理概述图，在优选版本中，在三个四极杆的前面具有可积聚TIMS离子迁移分离器(PATIMS)。
图5示意性地显示了通过TIMS离子迁移谱仪分离的复杂离子种类混合物的质量-迁移率图，显示了从低迁移率到高离子迁移率的整个离子迁移率范围。具有单电荷的离子种类与具有更多电荷的离子种类分离开来。一般来说，具有相同m/z的离子种类的多电荷离子具有更高的离子迁移率。此类图可使用TIMS迁移分离器和其中一个四极杆过滤器逐步测量，在后续测量循环中逐步调节相关的质量范围，而无需破碎离子。获得此质量-迁移率图更简单的方法是使用由相同色谱仪、相同离子源、相同TIMS、相似质量过滤器Q1、相似破碎池Q2和在每个时间间隔可获得完整碎片离子谱的飞行时间质量分析器组成的质谱仪系统。20毫秒的扫描持续时间可实现大约Rmob＝60的离子迁移率分辨率。大约1.0毫秒的离子种类脉冲长度和0.7毫秒的Q1切换时间可选择十一个离子种类用于测量特征碎片离子。
图6图示了共同待审美国专利申请号14/614,456(“Trapping Ion MobilitySpectrometer with Parallel Accumulation”(“可并行积聚的俘获离子迁移谱仪”)，M.A.Park和M.Schubert)中介绍的迁移谱仪的实施例。离子被引入入口毛细管(8)，被气体(7)携带进入质谱仪的第一真空级。携带的离子(6)被推斥板(9)推送通过RF离子漏斗(10)进入俘获离子迁移谱仪(11)。俘获离子迁移谱仪(11)由细长通道组成，该通道分为离子积聚单元(11a)和离子迁移率扫描单元(11b)。气流(14)推动离子通过细长通道(11)。该谱仪还包含一个在通道电极象限处提供RF电压的RF电压源单元(未显示)以及在两个通道单元轴向上产生电场势垒的DC电压源单元(同样未显示)，电极在位置(33)和(37)处接触。通道(11)内的四极RF场将离子固定在装置的轴附近。两个通道单元中隔膜之间的电阻链产生用于离子积聚单元(11a)和离子迁移率扫描单元(11b)的两个直流电场势垒，如下部图(C)中所示。气流(14)将离子推向电场势垒斜坡，从而按离子迁移率将离子分离。在离子迁移率扫描期间，施加到扫描单元(11b)中电极(37)的电压为逐渐或逐步降低，因而释放迁移率增高的离子种类，从而产生离子迁移谱。在离子迁移率扫描中，积聚单元积聚新的离子，这些离子可在扫描结束时在大约一毫秒的时间内通过气流传输至扫描单元。
图7显示了优选用于本发明的空间缩放工作模式，显示了没有空间缩放的正常工作的电场势垒(C)和缩放工作的势垒(D)。空间缩放基于场势垒(D)，该场势垒在z轴位置(41)和(42)之间有宽且平缓的电场梯度(平缓斜坡)，在(42)和(43)之间具有陡峭的场梯度场峰值，从而在离子积聚期间阻止低迁移率的离子。在非缩放势垒(C)的位置(31)和(32)之间的相关的离子迁移率范围内的离子积聚在(41)和(42)之间场势垒的平缓斜坡上。离子在空间上解压，以降低空间电荷效应，从而可使用更长的积聚持续时间无干扰地收集更多离子。离子迁移率扫描单元(11b)显示了相似电场分布，但没有场峰值。一旦开始按照离子迁移率扫描储存在(45)和(46)之间的离子，积聚单元的离子将在大约一毫秒的时间内传输至离子迁移率扫描单元(11b)，从而使位置(42)和(43)之间峰值斜坡上储存的不相关的低迁移率离子通过。位置(45)和(46)之间储存的离子种类可比平常扫描得更慢，从而可产生高离子迁移率分辨率。
图8在上部(E)中示意性地显示出质量-迁移率图，该图显示了整个迁移率范围，在下部(F)显示另一个质量-迁移率图，该图因更高的离子迁移率分辨率被限制于大约整个离子迁移率范围的1/3，积聚和扫描持续时间通过应用空间缩放延长为三倍。这类图可按照上述方法逐步测量，或通过使用与飞行时间分析器耦合的相同TIMS迁移分离器测量。下部质量-迁移率图(F)的离子迁移率范围仅代表完整迁移率范围的1/3，这通过在平坦离子积聚或离子迁移率扫描区域末端正确施加所选电压实现。通过延长三倍，即60毫秒的积聚时间期限，可收集多达三倍的离子，通过将扫描速度降低九倍(对应于总迁移率范围为180毫秒)，可实现Rmob≥100的迁移率分辨率，二者均提高了可检测性。在质量-迁移率图中可检测和选择更多的离子种类；这种改进具体取决于物质混合物。在60毫秒的单次测量循环中，在每个测量循环中至少可选择24个离子种类来测量显著碎片离子。
详细描述
本发明在三重四极杆质谱仪(此处缩写为“Q1Q2Q3”)的基础上提供了新的仪器和新的测量方法，从而产生很多意想不到的好处。图1所示的普通三重四极杆质谱仪在第一四极杆质量过滤器Q1的上游与在空间上更短的离子迁移分离器耦合(如图4所示)，该离子迁移分离器优选为美国专利申请号7,838,826 B1(M.A.Park，2008年)中详细介绍的俘获离子迁移谱仪(“TIMS”)。
图2中概括了俘获离子迁移谱仪TIMS的原理和操作和一些细节。离子迁移分离器先收集TIMS积聚和扫描单元(11)内吹入的气体(14，16)中携带的吹向位置(20)和(24)之间直流电场斜坡的离子(6)，直流电场分布如图A所示。离子均聚集在电力和所吹入气体摩擦力平衡的位置。具有最低迁移率的离子(通常是最大的离子)聚集在斜坡的末端，如斜坡上点的大小所示。离子按其离子迁移率分开积聚，因此降低了离子密度和空间电荷效应。在后续阶段中，即扫描阶段，电场分布在大约20毫秒内(或更长时间)连续从最高电压降至零，从而按迁移率陆续释放收集的离子种类，如图B所示。因此离子种类按离子迁移率在空间上分离，从而使每个离子种类形成大约一毫秒长度的短脉冲，在至少短二十倍的时间内聚集离子种类的所有离子，并及时将离子与大部分其他离子种类分离，因此大幅提高信噪比。为了利用来自离子源的所有离子，可在TIMS装置的上游使用离子阱等积聚装置，以便在TIMS扫描期间积聚离子。
TIMS的一个独特之处在于，延长扫描时间期限可提高迁移率分辨率，例如，100毫秒的扫描持续时间，离子迁移率分辨率Rmob＝90，而20毫秒的扫描持续时间，Rmob＝60。图3中的图显示了作为扫描完整迁移率范围所需时间的函数的离子迁移率分辨率Rmob。得益于更高的离子迁移率分辨率，因此可超出检测限制并测量更多离子种类。TIMS装置上游的离子积聚装置应该能够在更长的扫描时间期限内收集离子，而不会因空间电荷效应出现离子损失。
图4中概要地显示了根据本发明所得的仪器。将俘获离子迁移分离器TIMS(在本例中是可并行积聚TIMS(“PATIMS”))插入到离子源和三重四极杆组件之间，在此处直接插入到第一四极杆Q1之前。通过此仪器，可定量测量很多离子种类，即，在精确度相同的情况下，与使用未与任何离子迁移分离器耦合的三重四极杆质谱仪相比，可测量至少十倍的离子种类。技能熟练的从业者能够意识到，可实现更好的信噪比，从而实现更好的灵敏度。
图5中可以看到TIMS离子迁移分离器的分离能力，示出用TIMS离子迁移谱仪在仅20毫秒内分离的离子种类的复杂混合物的“质量-迁移率图”。图5以约Rmob＝60的离子迁移率分辨率显示了在整个离子迁移率范围内的离子种类的质量(约0.5<K0<1.0m2/Vs)。
在TIMS三重四极杆的工作实践中，当仅执行一个目标分析时，并非必须测定图5中显示的完整质量-迁移率图。在这种情况下，仅须测量事先已知其质量的化合物。另外，三重四极杆质谱仪不必确定前体离子的质量，仅需要确定每个前体质量从TIMS池中洗脱的时间。
从图5中可以看到，20毫秒扫描持续时间的质量-迁移率图可选择十一个离子种类来测量特征碎片离子，如果将第一质量过滤器Q1的打开间隔时间选择为一毫秒，则质量过滤器Q1切换至下一个所选离子种类的时间为0.7毫秒。
在使用图4中仪器的新的测量循环中，离子由TIMS装置分离，可通过四极杆质量过滤器Q1在正确的时间间隔和正确的质量范围(二者均已计算和预先确定)内挑选从图5质量-迁移率图中选出的第一个离子种类的离子。质量范围可包括离子种类的所有同位素变体。该种类的离子可在四极杆破碎池(第二四极杆Q2)中破碎，可通过质量过滤器Q3选择主导和特征碎片离子种类，并且在离子检测器中进行测量。然后，可以在第二个离子种类的时间间隔和质量范围内挑选来自相同离子迁移率扫描的第二个离子种类，进行破碎并通过主导碎片离子进行定量测量，以此类推第三、第四、第五个离子种类，从而与使用未与任何离子迁移分离器耦合的SIM(单离子监测)的三重四极杆质谱仪相比，可轻松测量高达十倍的离子种类数量。如果不带迁移分离器的三重四极杆质谱仪使用MRM(多反应监测)，则由于所测离子数量降低，使得测量精确度也不可避免地将随着所测反应的数量而降低。使用与TIMS耦合的三重四极杆组件就不会发生这种情况。
由离子阱等任何上游离子收集单元收集并传输至离子迁移分离器的离子数量被积聚离子之间的排斥库仑力(简称“空间电荷效应”)作用大幅限制。为了克服空间电荷问题，本发明的首选实施例使用共同待审美国专利申请号14/614,456(“Trapping IonMobility Spectrometer with Parallel Accumulation”(“可并行积聚的俘获离子迁移谱仪”)，M.A.Park和M.Schubert)中介绍的可并行积聚的TIMS装置(“PATIMS”)。PATIMS可以比普通离子积聚器收集更多的离子，因为离子已经按其离子迁移率分开积聚，因此受空间电荷的影响更小。只要积聚时间期限不是特别长，本装置就可使用离子源提供的几乎所有离子进行测量，即，这些模式具有最高的灵敏度和最高离子利用率。
图6示意性地示出一个实施方案，使用可并行积聚离子的俘获离子迁移谱仪(PATIMS)。在积聚单元(11a)的第一个电场势垒斜坡(最高到位置(33))处收集各种离子，从而让离子种类沿斜坡按离子迁移率在空间上分离。提供至位置(33)的直流电压产生第一个斜坡；该斜坡通过由一系列电阻组成的分压器形成。积聚的离子比离子积聚器中其他类型的离子受空间电荷的影响更小。离子积聚期间，在扫描单元(11b)中对之前积聚的另一批离子进行扫描，从而为按离子迁移率分离的离子种类提供短离子脉冲。在扫描时间结束时，恢复位置(37)处的电压，关闭位置(33)处的电压，积聚在积聚单元(11a)的离子在大约一毫秒内通过气体吹送传输至扫描单元(11b)。并行积聚PATIMS可利用离子源产生的所有离子，仅有微不足道的损失：一旦离子迁移率扫描结束(任选地在约二十到一百毫秒之后)，积聚的离子将从积聚单元(11a)传输至离子迁移率扫描单元(11b)(大约一毫秒)，则可以开始下一次离子迁移率扫描。积聚单元(11a)加扫描单元(11b)的总长度可以仅为大约十厘米。
使用图4中所示的此类仪器测量特征碎片离子所需的时间(即通过将四极杆过滤器Q1切换至新的质量范围，让所选离子种类通过，并在四极杆Q2中破碎所选离子种类的离子，然后通过质量过滤器Q3测量特征碎片离子)，可以仅为大约1.7毫秒。此外，将离子从积聚单元(11a)传输至离子迁移率扫描单元(11b)并且在其新位置的气流内抑制离子运动所需的时间仅为1.5毫秒。以20毫秒的离子迁移率扫描持续时间和1.5毫秒的传输时间(即每个循环21.5毫秒)运行的测量程序，每秒内可产生46个测量循环，最大测量能力可达每个循环十一个碎片离子质谱。因此测量能力共计每秒46×11＝506个特征碎片离子，其性能远远超过申请人所知的具有目前技术的迁移分离器的任何质谱仪。
在20毫秒的扫描持续时间的基本工作模式下每秒506个特征碎片离子的能力只是近似值，很大程度上取决于每次测量碎片离子质谱所需的时间。如果出于某种原因必须将假设为1.7毫秒的时间延长至2.0毫秒，则能力将降低为每秒大约460个碎片离子测量。实际能力可能为每秒测量大约350到500个特征碎片离子。在使用由飞行时间质谱仪而不是Q3组成的相似仪器的试验中，可实现每秒380个完整碎片离子质谱的能力。实际上，这样的测量能力很少被完全利用。
可并行积聚离子的PATIMS提供使用更长积聚持续时间的独特可能，优势为相应减慢的离子迁移率扫描将提高离子迁移率分辨率。通过延长积聚和离子迁移率扫描持续时间，积聚的离子数量增加，迁移率分辨率将提高，由于离子在离子迁移率峰值的短脉冲中的压缩度更高，从而使可检测性更好，但一个种类离子的脉冲长度将稍微增加。因此，灵敏度提高，并且在相应的质量-迁移率图中可检测更多离子种类。如果积聚持续时间增加到100毫秒，并假设单次测量需要大约2.0毫秒(而不是1.7毫秒的短扫描)，则在一秒内可执行大约十次测量循环，每次可采集大约50个碎片离子的质谱，是质量-迁移率图中离子的五倍。有趣的是，如果碎片离子质谱采集时间稍微增加至精确的2.0毫秒，则测量能力为每秒测量大约10×50＝500个特征碎片离子，即，当积聚和扫描持续时间增加时，测量能力保持不变。每个循环五倍的离子大幅增加了质量-迁移率图中可检测离子种类；这种改进具体取决于物质混合物。然而，假设可检测离子种类的数量增加至少两倍是合理的。
尽管离子在电场斜坡上积聚解压了离子种类并降低了空间电荷效应，但积聚离子数量的限制仍存在。如果离子的积聚受空间电荷影响，则“空间缩放模式”可进一步提供改进的工作模式。如果积聚器中离子过于拥挤，空间缩放模式是优选的工作模式。空间缩放是特别有利的工作模式，基于图7的D图中所示的场势垒，该场势垒在z轴位置(41)和(42)之间有宽且平缓的电场梯度，在(42)和(43)之间具有陡峭的场梯度场峰值，从而在离子积聚期间阻止低迁移率的离子。例如，相关的离子迁移率范围内的离子，例如图7的C图非缩放分布位置(31)和(32)之间的离子积聚在(41)和(42)之间场势垒的平缓部分。离子在空间上解压，以降低空间电荷效应，从而可使用更长的积聚时间收集更多离子。相邻离子迁移率扫描单元(11b)显示了相似电场势垒，但没有场峰值。按离子迁移率扫描(45)和(46)之间储存的离子后，积聚单元的离子将通过关闭位置(41-43)的电压在大约一毫秒的时间内传输至离子迁移率扫描单元，从而使场峰值斜坡上储存的非相关的低迁移率离子通过。然后可用非常慢的扫描速度和相应较高的离子迁移率分辨率扫描位置(45)和(46)之间收集的离子。
作为应用空间缩放模式的示例，图8下部质量-迁移率图F的离子迁移率范围仅显示质量-迁移率图E完整迁移率范围的1/3，这通过在平坦离子积聚或离子迁移率扫描区域末端正确施加所选电压实现。通过延长大约三倍，即60毫秒的积聚时间期限，可收集多达三倍的离子，通过将扫描速度降低九倍(对应于总迁移率范围内180毫秒的完整扫描时间)，可实现Rmob≥100的迁移率分辨率。单次次测量循环可选择显著增加的离子种类。因此通过这一程序，可在单次测量循环中检测、选择和测量更多离子种类。测量能力仍为每秒测量大约350到500个特征碎片离子，但是由于可检测性大幅增加，因此可测量更多特征碎片离子；包括在使用现有技术的测量装置和模式中，甚至在其他TIMS工作模式中无法检测的前体离子的碎片离子。在物质分离器运行期间可更改空间缩放模式的离子迁移率范围。
复杂物质混合物通常是从生物样本、或者要测试药品及其代谢物的生物样本，或者要测试农药和其他污染物的复杂食品/水果/蔬菜基质中提取的蛋白质的水解消化液。这些混合物的物质分离通常由液相色谱仪(HPLC)执行。其他含有可蒸发物质的混合物相关样本(例如多环联苯)使用气相色谱仪(GC)作为物质分离器。分析物离子的特征碎片离子用于通过测量色谱峰中的碎片离子来量化相应物质。
三重四极杆仪器通常用于测量事先已确切知道的物质。这种测量通常称为“目标测量”。依据本发明使用图4的仪器设置此类目标测量需要知道至少部分质量-迁移率图(图5)，并需要知道目标离子的种类。对于目标物质，必须知道几个参数(即已计算和预先确定)：物质离子在离子迁移率扫描期间出现的时间间隔、物质离子的质量、特征碎片离子的质量、最佳碰撞能量，以及如果在TIMS池的上游使用色谱仪，则还要知道色谱保留时间。
在不带TIMS的三重四极杆质谱仪中设置目标分析的常见方式涉及下列步骤：1-设置在质量过滤器Q1的色谱分离物质峰中洗脱的离子的完整扫描；2-从完整色谱中确定每种目标化合物的保留时间和保留时间窗口；3-在正确的保留时间使用最佳前体离子和碰撞能量范围设置每种化合物的测量碎片离子扫描；4-从碎片离子扫描确定最佳碎片离子和最佳碰撞能量；5-最终使用最佳参数设置MRM(多反应测量)扫描：保留时间和保留时间窗口、前体和碎片离子、碰撞能量以及最佳收集(停留)时间。可在图4的仪器中通过禁用TIMS扫描方案来执行这一准确程序，在这种情况下TIMS装置起到常规离子漏斗的作用。添加TIMS所需的额外步骤是确定TIMS池释放的每种目标离子的扫描洗脱时间。例如，这可通过以下方法确定：在将Q1三重四极杆质谱仪固定在第一个目标质量的同时执行快速TIMS扫描(例如20ms)并确定离子到达时间，然后在保留时间窗口内为每个其他目标前体质量重复这一程序。这样，MRM方法可由离子迁移分离器TIMS取代，从而测量更多离子，优化信噪比和灵敏度。
如果仪器可用，则可通过不同仪器确定设置测量所需目标物质的参数。该仪器应由相同物质分离器(色谱仪或电泳毛细管)、相同离子源、相同并行积聚PATIMS、相似Q1和Q2四极杆以及正交离子注入飞行时间质量分析器组成。飞行时间分析器能够测量完整碎片离子谱，因而可(1)识别前体离子种类和(2)选择适用的特征碎片离子。使用这种仪器，可确定所有必须参数：目标物质在物质分离器中的保留时间、TIMS获得的离子迁移率扫描时间间隔、前体离子种类的质量范围以及特征碎片离子的质量范围。通过一台高价高性能的TIMS-Q1Q2TOF质谱仪，可获得整个低价TIMS-Q1Q2Q3质谱仪系列的所有必需测量参数。
在物质分离器(例如LC)运行期间，设置用于测量多种目标物质的优选的工作方法时，TIMS扫描的持续时间会作为物质分离器运行时间的函数发生变化，因为通常在LC运行开始时出现较少目标物质，在中间出现大量化合物，在要结束时出现较少目标化合物。三重四极杆质谱仪可根据色谱峰的密度改变TIMS扫描时间以优化信噪比。如果仅需要同时测量几种物质，则可选择20到40毫秒的短扫描持续时间，这样每秒钟有较高次数的重复循环；如果在物质分离器的洗脱液中有大量目标物质重叠，或需要最高灵敏度的方法，则首选更长的扫描时间，这样在每秒钟有较低次数的重复循环。
如果混合物非常密集，则可选择空间缩放。由于在LC运行时，成分中的物质混合物会不断变化，分子重量也变化，一般来说从低质量物质变为更高质量的物质。因此，平均离子迁移率也随LC运行而变化。可通过为空间缩放模式选择离子迁移率范围来考虑这种变化。
以类似方式，也可应用时间缩放，在不相关的离子迁移率范围快速扫描，在相关的的离子迁移率范围降低扫描速度。总体上，扫描持续时间缩短，但目标前体离子的离子迁移率分辨率提高。
与并行积聚TIMS(PATIMS)耦合的三重四极杆质谱仪出人意料地进一步提供重要的经济优势。改变积聚和扫描持续时间的可能性以及选择相关的离子迁移率范围的可能性，可以大幅缩短物质分离器的运行，即HPLC或毛细管电泳的运行。分离器峰值上重叠物质的数量大幅增加，但TIMS执行的物质分离可通过额外的物质分离补偿。应用时间或空间缩放可帮助从更少的相关物质中分离目标物质。例如，HPLC运行三小时可缩短为大约18分钟，从而将工作负载增大十倍。作为单峰被洗脱出的重叠物质的数量增加，但离子迁移分离器可帮助再次分离物质。在此处18分钟的运行时间仅为示例，在实践中，也可使用几分钟的短HPLC运行时间，从而大幅缩短分析时间。
在某些类型的样本混合物中(例如要测试农药的食品混合物)，离子迁移分离器甚至会使得任何上游物质分离器(例如任何LC或GC)变得完全没有必要。显著缩短持续时间的此类测量程序可提供较高经济优势。
此类仪器尤其适用于测量可分解连接肽(在破碎池中分裂为样本特定报告离子)上含有样本特定质量标记的不同先证者的混合样本中多肽的相对丰度(请参见，例如，“同位素编码化学报告和酸可分解亲和力试剂用于监测蛋白质次磺酸”，T.H.Truong等人，《生物有机化学与医药化学》21(2011)5015-5020)。这些(以及其他)定量方法通过可分解连接肽将相关的标记多肽与同量异位质量标记结合使用。用于不同先证者样本的连接肽在破碎时可在不同部位分裂，从而产生质量稍微不同的报告离子。这些具有不同质量的报告离子可在质量过滤器Q3中测量。报告离子的丰度关系反映了不同样本中相应多肽的浓度关系。与色谱仪耦合后，该仪器在运行单次色谱仪时可测量几百甚至上千的丰度比。
此处介绍的技术原理基本适合下列质谱仪：包含一个离子源，配置为从供应的样本中持续产生离子；一个俘获离子迁移分离器(TIMS)，配置为接收以积聚量产生的离子，并进一步配置为以按其离子迁移率及时分离的离子种类的短脉冲输出这些积聚量；第一质量过滤器，例如四极杆质量过滤器Q1，配置为接收离子种类并从中选择要破碎的前体离子；一个破碎池，例如四极杆破碎池Q2，配置为接收和破碎所选前体离子；第二质量过滤器，例如四极杆质量过滤器Q3，配置为接收和选择通过破碎前体离子产生的碎片离子；以及一个离子检测器，配置为接收和测量第二质量过滤器的离子输出。
一个示例性的实施方案包括将俘获离子迁移分离器配置为使用并行离子积聚(PATIMS)，其中，离子在积聚单元中积聚，并按其离子迁移率分离，同时在后续扫描单元中根据其离子迁移率扫描离子，每次扫描后，在大约一毫秒的时间内将离子从积聚单元传输至扫描单元。该质谱仪可与物质分离器耦合，其中物质分离器可为气相色谱仪、液相色谱仪或毛细管电泳装置。
该质谱仪应该包含RF和DC电压发生器，以便让四极杆质量过滤器能够在少于一毫秒的时间内将质量过滤器从过滤第一个离子种类切换至过滤第二个离子种类。达到平衡的切换时间最好应为约500至700毫秒。RF和DC电压发生器最好为第一质量过滤器从过滤第一个离子种类到过滤另一个离子种类的切换流程提供电压，该流程为先关闭第一质量过滤器，然后调整至过滤下一个离子种类，然后在下一个离子种类的正确时间间隔将其打开。第一质量过滤器的打开和关闭可通过相对于RF电压稍微增加和降低DC电压执行。
在不同实施方案中，(连续)离子源是电喷雾离子源、化学电离源、光化电离源和电子电离源中的一者。
本发明进一步涉及，在俘获离子迁移分离器(TIMS)的一次离子迁移率扫描期间，根据上述描述在质谱仪中循环和定量测量多个所选前体离子的特征碎片离子的方法，包括以下步骤：a)用积聚的离子填充俘获离子迁移分离器(TIMS)；b)按其离子迁移率扫描积聚的离子，从而让具有不同离子迁移率的离子种类产生脉冲；c)将第一个质量过滤器切换为，在正确的时间间隔和正确的质量范围筛选在扫描期间接下来会出现的所选离子种类的离子，并将第二质量过滤器切换至这个离子种类的特征碎片离子的正确质量范围；d)在破碎池中破碎所选离子种类的已过滤离子，在第二质量过滤器中过滤特征碎片离子，并通过离子检测器测量产生的离子输出；以及e)只要有已选择但未测量的离子种类就重复步骤c)和d)。
此外，本发明涉及循环执行测量循环的多循环方法，直到在给定时间期限结束时，或已执行给定最大测量循环数值时，或无法再检测到所选离子种类时，停止运行该方法。
在优选的实施方案中，多循环方法在并行离子积聚俘获离子迁移分离器(PATIMS)中并行积聚和扫描离子，并在每次扫描后，在大约一毫秒的时间内将积聚的离子从积聚单元传输至扫描单元。多循环方法甚至能以空间缩放模式运行，仅在预先选择的迁移率范围内积聚和扫描离子。
特殊多循环方法通过测量在破碎池中由标记物质离子分解的报告离子来测量样本中物质的相对丰度，该样本与不同先证者混合，并通过同量异位标记在样本特定部位对可分解连接肽进行样本特异性标记。
此多循环方法尤其可用于测量从上游物质分离器中洗脱的物质峰中物质的相对丰度。这种多循环方法的特别有益之处在于，由于与使用不含离子迁移分离器的三重四极杆质谱仪、相当的分析方法相比，物质分离器的运行时间可缩短至少五倍。因此，通过离子迁移分离器执行物质离子的分离，甚至可让任何上游物质分离器变得完全没有必要，从而大幅缩短分析程序的持续时间。

Claims (18)

1.一种质谱仪，包含：
离子源，配置为从提供的样本持续地产生离子；
俘获离子迁移分离器(TIMS)，配置为接收积聚量的离子，并进一步配置为以按其离子迁移率及时分离的离子种类的短脉冲输出这些离子；
第一质量过滤器，配置为接收离子种类并从中选择要破碎的前体离子；
一个破碎池，配置为接收和破碎所选的前体离子；
第二质量过滤器，配置为接收和选择通过破碎前体离子所产生的碎片离子；以及
一个离子检测器，配置为接收和测量第二质量过滤器的离子输出。
2.根据权利要求1所述的质谱仪，其中，所述俘获离子迁移分离器配置为使用并行离子积聚(PATIMS)，其中，离子在积聚单元积聚，并按其离子迁移率分离，同时在后续扫描单元中根据其离子迁移率扫描离子，每次扫描后，在大约一毫秒的时间内将离子从积聚单元传输至扫描单元。
3.根据权利要求1所述的质谱仪，其中，样本从物质分离器供应至离子源。
4.根据权利要求3所述的质谱仪，其中，物质分离器可为气相色谱仪、液相色谱仪或毛细管电泳装置中的一者。
5.根据权利要求1所述的质谱仪，包含用于第一和第二质量过滤器的RF和DC电压发生器，配置为在少于一毫秒的时间内将质量过滤器从过滤第一个离子种类切换至过滤第二个离子种类。
6.根据权利要求5所述的质谱仪，其中，为了将第一质量过滤器从一个过滤条件切换至另一个过滤条件，将RF和DC电压发生器配置为提供电压时，先关闭质量过滤器，然后调整以过滤下一个离子种类，然后在下一个离子的已计算和预先确定时间间隔打开。
7.根据权利要求6所述的质谱仪，包含DC和RF电压发生器，其通过相对于RF电压稍微增加和降低DC电压来打开和关闭第一质量过滤器。
8.根据权利要求1所述的质谱仪，其中，所述离子源是电喷雾离子源、化学电离源、光化电离源和电子电离源中的一者。
9.根据权利要求1所述的质谱仪，其中，第一和第二质量过滤器Q1和Q3，以及破碎池Q2构成三重四极杆配置Q1Q2Q3。
10.一种在俘获离子迁移分离器(TIMS)的单次离子迁移率扫描期间在根据权利要求1所述的质谱仪中循环和定量测量多个所选前体离子的特征碎片离子的方法，包括以下步骤：
a)用积聚的离子填充俘获离子迁移分离器(TIMS)；
b)按其离子迁移率扫描积聚的离子，从而让具有不同离子迁移率的离子种类产生脉冲；
c)将第一质量过滤器切换为，在计算的时间间隔和计算的质量范围内，筛选在扫描期间接下来出现的所选离子种类的离子，并将第二质量过滤器切换至这个离子种类的特征碎片离子的计算质量范围；
d)在破碎池中破碎所选离子种类的已过滤离子，在第二质量过滤器中过滤特征碎片离子，并使用离子检测器测量产生的离子输出；
e)只要还有已选择但未测量的离子种类就重复步骤c)和d)。
11.根据权利要求10所述的方法，其中迭代循环的停止条件包含以下三种之一：预先确定的时间期间结束、已执行给定的最大测量循环数、以及无法进一步检测预先确定的离子种类。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括在并行离子积聚俘获离子迁移分离器(PATIMS)中并行积聚和扫描离子，并在每次扫描后，在大约一毫秒的时间内将积聚的离子从积聚单元传输至扫描单元。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，并行离子积聚俘获离子迁移分离器(PATIMS)以空间缩放模式运行，仅在预先选择的迁移率范围内积聚和扫描离子。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，并行离子积聚俘获离子迁移分离器(PATIMS)以时间缩放模式运行，非常快速地扫描不包含相关的离子种类的离子迁移率范围，并以较慢扫描速度扫描预先选择的迁移率范围内的所选前体离子。
15.根据权利要求11所述的方法，进一步包括，通过测量在破碎池中由标记离子分解的报告离子来测量样本中物质的相对丰度，该样本与不同先证者混合，并通过同量异位标记在样本特定部位对可分解连接肽进行样本特异性标记。
16.根据权利要求11所述的方法，进一步包括测量从上游物质分离器中洗脱的物质峰中物质的相对丰度。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，与使用未与离子迁移分离器耦合的三重四极杆质谱仪的可比分析方法相比，物质分离器的运行时间可缩短至少五倍。
18.根据权利要求10所述的方法，其中，待研究样本包括从生物样本、用于农药或其他污染物测试的复杂食物/水果/蔬菜基质、以及用于进行临床前研究的药物及其代谢物中提取的蛋白质的水解消化液中的一者。
CN201611197610.0A 2015-12-22 2016-12-22 与俘获离子迁移率分离耦合的三重四极杆质谱分析 Active CN107068533B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/978,508 US9741552B2 (en) 2015-12-22 2015-12-22 Triple quadrupole mass spectrometry coupled to trapped ion mobility separation
US14/978,508 2015-12-22

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107068533A true CN107068533A (zh) 2017-08-18
CN107068533B CN107068533B (zh) 2019-04-16

Family

ID=57211316

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201611197610.0A Active CN107068533B (zh) 2015-12-22 2016-12-22 与俘获离子迁移率分离耦合的三重四极杆质谱分析

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9741552B2 (zh)
EP (2) EP3739616B1 (zh)
CN (1) CN107068533B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110554083A (zh) * 2018-06-04 2019-12-10 布鲁克科学有限公司 用于质谱分析的根据离子迁移率的离子分离
CN112368572A (zh) * 2018-06-22 2021-02-12 塞莫费雪科学（不来梅）有限公司 离子化分子的结构分析

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10241079B2 (en) * 2017-05-24 2019-03-26 Bruker Daltonik Gmbh Mass spectrometer with tandem ion mobility analyzers
WO2018222345A1 (en) * 2017-06-01 2018-12-06 Thermo Finnigan Llc Automated determination of mass spectrometer collision energy
US10794861B2 (en) * 2018-02-23 2020-10-06 Bruker Scientific Llc Tandem ion mobility spectrometer
WO2019222274A1 (en) 2018-05-14 2019-11-21 MOBILion Systems, Inc. Coupling of ion mobility spectrometer with mass spectrometer
GB2575168B (en) * 2018-06-04 2022-06-01 Bruker Daltonics Gmbh & Co Kg Precursor selection for data-dependent tandem mass spectrometry
GB2587249B (en) * 2019-04-15 2023-11-08 Bruker Daltonics Gmbh & Co Kg A method for controlling the mass filter in a hybrid IMS/MS system
CA3139058A1 (en) 2019-05-21 2020-11-26 Gordon A. Anderson Voltage control for ion mobility separation
WO2021102406A1 (en) 2019-11-22 2021-05-27 MOBILion Systems, Inc. Mobility based filtering of ions
US11569078B2 (en) * 2019-12-06 2023-01-31 Bruker Scientific Llc Mass spectrometry imaging with substance identification using ion mobility
US11662333B2 (en) 2020-04-06 2023-05-30 MOBILion Systems, Inc. Systems and methods for two-dimensional mobility based filtering of ions
CN115885176A (zh) 2020-05-22 2023-03-31 莫比莱昂系统有限公司 用于俘获和积累离子的方法和装置
EP3916755A1 (en) 2020-05-26 2021-12-01 Thermo Finnigan LLC Methods and apparatus for high speed mass spectrometry
US11874252B2 (en) 2020-06-05 2024-01-16 MOBILion Systems, Inc. Apparatus and methods for ion manipulation having improved duty cycle
EP3945314B1 (en) * 2020-07-31 2022-10-26 Bruker Daltonics GmbH & Co. KG Method and apparatus for data independent combined ion mobility and mass spectroscopy analysis
JP2023539466A (ja) * 2020-08-18 2023-09-14 モビリオン・システムズ，インコーポレイテッド フル分解能イオン移動度データの取り込みおよび多重分析物標的データ獲得の実行のためのシステムおよび方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6323482B1 (en) * 1997-06-02 2001-11-27 Advanced Research And Technology Institute, Inc. Ion mobility and mass spectrometer
US20090194688A1 (en) * 2004-11-18 2009-08-06 Micromass Uk Limited Mass Spectrometer
US20110121170A1 (en) * 2008-08-07 2011-05-26 Bruker Daltonics, Inc. Apparatus and method for parallel flow ion mobility spectrometry combined with mass spectrometry
CN101814415B (zh) * 2005-10-31 2012-01-11 株式会社日立制作所 质量分析装置以及质量分析方法
CN101999156B (zh) * 2008-04-03 2013-01-23 环境学有限公司 用于测量气体的方法及相应的离子迁移谱仪
CN103824750A (zh) * 2014-02-17 2014-05-28 同济大学 一种阵列三重四极杆质谱系统
CN104820009A (zh) * 2014-01-31 2015-08-05 安捷伦科技有限公司 用于利用离子淌度谱测量离子的碰撞截面的快速方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6960761B2 (en) 1997-06-02 2005-11-01 Advanced Research & Technology Institute Instrument for separating ions in time as functions of preselected ion mobility and ion mass
US6630662B1 (en) 2002-04-24 2003-10-07 Mds Inc. Setup for mobility separation of ions implementing an ion guide with an axial field and counterflow of gas
US8941055B2 (en) 2011-04-26 2015-01-27 Bruker Daltonik Gmbh Selective ion mobility filter
US8766176B2 (en) * 2011-04-26 2014-07-01 Bruker Daltonics, Inc. Spectrum acquisition modes for ion mobility spectrometers using trapped ions
WO2014181396A1 (ja) * 2013-05-08 2014-11-13 株式会社島津製作所 質量分析装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6323482B1 (en) * 1997-06-02 2001-11-27 Advanced Research And Technology Institute, Inc. Ion mobility and mass spectrometer
US20090194688A1 (en) * 2004-11-18 2009-08-06 Micromass Uk Limited Mass Spectrometer
CN101814415B (zh) * 2005-10-31 2012-01-11 株式会社日立制作所 质量分析装置以及质量分析方法
CN101999156B (zh) * 2008-04-03 2013-01-23 环境学有限公司 用于测量气体的方法及相应的离子迁移谱仪
US20110121170A1 (en) * 2008-08-07 2011-05-26 Bruker Daltonics, Inc. Apparatus and method for parallel flow ion mobility spectrometry combined with mass spectrometry
CN104820009A (zh) * 2014-01-31 2015-08-05 安捷伦科技有限公司 用于利用离子淌度谱测量离子的碰撞截面的快速方法
CN103824750A (zh) * 2014-02-17 2014-05-28 同济大学 一种阵列三重四极杆质谱系统

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110554083A (zh) * 2018-06-04 2019-12-10 布鲁克科学有限公司 用于质谱分析的根据离子迁移率的离子分离
US11204337B2 (en) 2018-06-04 2021-12-21 Bruker Scientific Llc Separation of ions according to ion mobility with enhanced resolving power for mass spectrometric analysis
CN110554083B (zh) * 2018-06-04 2022-06-03 布鲁克科学有限公司 用于质谱分析的根据离子迁移率的离子分离
CN112368572A (zh) * 2018-06-22 2021-02-12 塞莫费雪科学（不来梅）有限公司 离子化分子的结构分析

Also Published As

Publication number Publication date
EP3739616A1 (en) 2020-11-18
CN107068533B (zh) 2019-04-16
US20170178887A1 (en) 2017-06-22
EP3185276A1 (en) 2017-06-28
EP3185276B1 (en) 2020-06-10
US9741552B2 (en) 2017-08-22
EP3739616B1 (en) 2023-11-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107068533B (zh) 与俘获离子迁移率分离耦合的三重四极杆质谱分析
CN107037170B (zh) 按迁移率分离的离子的碎片离子质谱的采集
CN108389772B (zh) 基于高分辨率ms1的量化
CN105869983B (zh) 采用并行积聚的俘获离子迁移谱仪
US10473620B2 (en) Analysis of isomers in TIMS-Q-q-TOF mass spectrometers
CN103094052B (zh) 质谱测定法中的多离子注入
Ramos et al. Determination of chloramphenicol residues in shrimps by liquid chromatography–mass spectrometry
CN105981130B (zh) 质谱分析装置及质谱分析方法
CN108987239A (zh) 混合质谱仪
CN105122051B (zh) 分析系统
US20060006326A1 (en) A-priori biomarker knowledge based mass filtering for enhanced biomarker detection
CN109828068A (zh) 质谱数据采集及分析方法
CN103222030A (zh) Ms/ms型质谱分析装置及该装置用程序
CN107039231A (zh) 用于积聚的俘获离子迁移谱分析的空间缩放模式
CN109870536A (zh) 一种基于液相色谱-质谱联用的高覆盖脂质组学分析方法
CN108878253A (zh) 质谱数据采集方法
Caixach et al. Liquid chromatography–mass spectrometry
CN110073208A (zh) 质谱分析装置
WO2018163926A1 (ja) タンデム型質量分析装置及び該装置用プログラム
CN115711934A (zh) TIMS-Q-q-TOF质谱仪中异构体的详细分析
CN103323519A (zh) 一种利用时间多级质谱进行母离子扫描分析的方法
CN108780066A (zh) 质谱分析装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CP01 Change in the name or title of a patent holder

Address after: Massachusetts, USA

Patentee after: Brook Science Co., Ltd.

Address before: Massachusetts, USA

Patentee before: Brooke Dalton Company

CP01 Change in the name or title of a patent holder