CN107529342A - 针对使用质谱法和光谱法的分子分析的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种分析分子的方法，其使得能够尤其在来自色谱分离的流中对所述分子进行化学、结构性及异构或构形鉴别，所述方法包含：由待分析的分子的样品产生离子；在低于环境温度下冷却所产生的所述离子；通过在一或多个预定谱间隔内用多个不同波长(λ)下的光辐射所述离子而使冷却后的所述离子中的至少一些碎片化；记录所述碎片化离子的碎片质谱，其包含在m/z值的预定范围内针对所述多个不同波长(λ)中的每一个的检测信号(I)与m/z的关系，由此记录所述检测信号(I)与m/z和辐射波长(λ)的二维相关性；及由所记录的所述二维相关性测定所产生的所述离子中的至少一个的特性和/或不同的所产生的离子的相对丰度，并由此测定所述分子中的至少一个的特性和/或所述样品中的不同分子的相对丰度。还提供用于进行所述方法的设备。

Description

针对使用质谱法和光谱法的分子分析的方法和设备
技术领域
本发明涉及分子和其混合物的分析，尤其利用质谱法和光谱法的分析。本发明的方 面涉及一种用于分析分子样品的方法和一种用于分析分子样品的设备。
背景技术
存在多种针对分子分析的不同技术。一种此类技术为光谱法，具体地说，为光学吸收光谱法。此类光谱法可在红外(IR)、可见光(Vis)或紫外线(UV)区中进行。气相 中的小型多原子分子的振动分辨UV-Vis/IR光谱法已被用于产生特定分子指纹数十年。 这提供分子鉴别，并结合理论计算提供其结构性测定。然而，由于大分子(例如蛋白质 和肽)光谱的复杂性并且所述分子在气相中的浓度通常不高，将所述技术用于大分子变 得极具挑战性，其会抑制针对光谱测量的光学吸收的使用。在此类情况下，可使用光致 碎片化光谱法(photofragmentation spectroscopy)来测定分子吸收并因此获得关于分子 的结构性信息。这会涉及藉由来自激光或非激光源的红外(IR)、可见光(Vis)和/或紫 外线(UV)(其包括真空紫外线(VUV))辐射使气相中的分子的单个或多个光子解离。 对非挥发性大分子的另一种挑战在于将其引入气相中进行分析。然而，近年来已结合质 谱研发出多种可靠及适宜技术。这些技术包括使用电离技术，例如电喷射电离将分子转 变成离子。
基于离子质荷比(m/z)分析离子的质谱技术准许记录离子以及其碎片的质谱。高分辨率仪器，包括傅里叶变换质谱法(Fourier transform mass spectrometry；FTMS)仪器，诸如具有来自赛默科技(Thermo Scientific)的OrbitrapTM质量分析器或离子回旋共振(ICR)质量分析器的FTMS仪器；及飞行时间(TOF)仪器会提供通过观察带电肽 的同位素分布足够辨别带电肽的分辨率。结合高动态范围和m/z准确性，这使得质谱法 已变成除了诸如核磁共振(NMR)和X射线晶体学的其它技术以外，用于分析蛋白质 和肽的主要技术。
然而，质谱法的基本局限性在于虽然其仅依赖于测量离子和其碎片的质量和电荷， 但其通常仅提供关于分子中的原子的构形配置或其它结构性配置的有限信息。基于离子 在气体中漂移的补充技术，比如离子迁移谱法(IMS)或场不对称IMS(FAIMS)仅提 供极其有限的关于分子结构的额外信息。
基于固定波长UV/VUV激光/非激光源测量光致碎片化质谱，例如，MS/MS由上而 下的方法中的蛋白质和肽的VUV光致碎片化为已知的(参见J.S.Brodbelt,《化学会评 论(Chemical Society Reviews)》43(8),2757(2014)；和J.Lemoine,T.Tabarin,R.Antoine,M.Broyer及P.Dugourd,《质谱快速通讯(Rapid Communications in Mass Spectrometry)》20(3),507(2006))。这一方法使得各种碎片及其产量急剧提高，促进蛋白质鉴别。具体 来说，通常利用ArF或KrF准分子激光的VUV激发会引起肽键裂解并产生高丰度的特 征性b和y碎片。所有这些研究均采用具有固定波长的激光。在近期专利公开案中， WO 2013/005060A2披露了作为质谱法中，具体地说，用于肽定序分析的MSn方法中的 碎片化方法的光致解离。然而，诸如构形/异构配置的结构性信息通常不会通过这一方法 得到提供。
因此，仍需要改进大分子(诸如大生物分子)及其集群以及其相互作用(例如，药物与靶肽的结合)的分析。具体来说，期望提供一种针对此类分子和其混合物的结构性 (例如构形及异构)鉴别的改进手段。由于所涉及的生物分子系统和相应实验方法的复 杂性，现有技术难以将此实现。
鉴于以上背景技术，得到本发明。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种分析分子的方法，所述方法包含：
由待分析的分子样品产生离子；
通过在一或多个预定谱间隔内用多个不同波长(λ)下的光依次辐射离子而使离子中的至少一些碎片化；
记录碎片化离子的碎片质谱，所述质谱包含在m/z值的预定范围内针对多个不同波 长(λ)中的每一个的检测信号(I)与m/z的关系，由此记录检测信号(I)与m/z和辐 射波长(λ)的二维相关性；及
由所记录的二维相关性测定分子中的至少一个的特性和/或样品中的不同分子的相 对丰度。
根据本发明的另一方面，提供一种用于分析分子样品的设备，所述设备包含：
用于由分子产生离子的离子产生器；
在离子产生器下游的用于接收所产生的离子的离子阱，其中离子阱优选地被配置成 冷却到低于环境温度的阱温度且填充有在阱温度下不会冷凝的气体以用于冷却离子；
光源，其用于用光辐射优选地冷却后的离子，以引起离子碎片化，由此形成碎片离子，其中光的波长可有所变化；及
用于对碎片离子进行质量分析的质量分析器，其中质量分析被配置成用于同时分析 多个碎片离子。
本发明的其它特征描述在所附权利要求书中并较详细地描述在下文中。
本发明可视为基于由分子衍生的离子的丰度的二维测量，即离子的丰度测量随离子 的质荷比而变化并随用于引起或调节离子碎片化的光的波长而变化。这提供一种三维数 据阵列或数据矩阵，其包含对照离子的质荷比及对照用于辐射离子的光的波长记录的检 测离子信号(即，根据多种质荷比记录针对给定的光的波长的所检测的离子信号，及根据多个光的波长记录针对给定质荷比的离子信号)，可对其加以数值分析(例如通过数 学分解)和/或将其与先前获取的数据库进行比较以实现样品中的分子的化学、结构性及 构形鉴别(即异构鉴别)和/或其相对丰度的测定。
将离子的光谱法与全景m/z范围MS，具体地说，与FTMS或TOF MS组合，形成 针对气相中的离子的结构性与异构鉴别的独特方法。本发明能够实现分子离子的二维光 致碎片化-MS指纹的测量。每一指纹对特定分子或离子极具特异性。在特定实施例中， 其能够实现对大离子，诸如离子型生物分子和生物分子集群进行振动分辨二维光致碎片 化-MS指纹的测量，并使对其光致解离路径的测定得到改进。这些特征适用于本发明中 来实现例如对具有医学或医药学相关性的分子复合物的结构和相互作用(诸如药物与靶 肽结合，肽与肽药物的水溶合及与疾病(诸如淀粉样疾病)相关的肽聚集)的测定。本 领域中的一般目标在于提供关于复合物形成的结合位点、复合结构和/或动力学的信息。
本发明可以快速技术形式实施。举例而言，待鉴别的分子可存在于来自色谱设备的 溶离剂中，并且在色谱峰的宽度内，离子丰度可记录为随质荷比而变化且随引起碎片化的光的波长而变化。因此，本发明提供一种用于鉴别混合物中的多个分子的快速技术， 具体地说，其中被分析的分子随时间推移而变化(例如当在通过色谱而分离的分子样品 中时)。
光谱法与宽质量范围或全景质谱法测量的组合使得分析的通量和分析的特定性得 到显著改进。举例来说，具有相同或相似(同量异位)质量的分子种类，例如异构体可 能难以经质谱法单独分辨，而本发明能够使用宽质量范围质谱法测量与光谱法测量的组 合来实现对此类异构体，包括构象异构体的鉴别。使用同一二维分析性测量，多种分子 可同时得到鉴别。本发明尤其适用于鉴别大生物分子及其集群。其可用于鉴别其异构体， 以及其相互作用，例如药物与靶肽的结合。
现将较详细地描述本发明的其它特征和优点，包括用于实施本发明的优选实施例。 特别优选的特征含于所附权利要求书中。
附图说明
图1示意性地显示一种用于根据本发明分析分子的设备。
图2显示通过扫描UV激发激光的波长同时用Orbitrap质量分析器监测所有出现的光致碎片而测量的[YA-H]+二肽的3D数据阵列(信号(I)与λ和m/z的关系)的实例。
图3显示[YA-H]+二肽的三个最多的构象异构体的UV吸收光谱(左侧)和相应光致碎片化质谱(右侧)，其已从部分显示于图2中的3D数据阵列以数学方法提取。还显示 反映前体离子因UV辐射而降低的光谱以用于对比。所计算的构象异构体I、II及III的 3D结构显示在光谱下方。
图4显示测试库的五个同量异位磷酸肽的2D光谱片段(a-e)和同量异位肽混合物的2D光谱片段(f)；所有光谱均借助于本发明获取。作为实例，显示通过在两个特定 碎片的m/z下分割2D光谱获得的针对两种同量异位肽的UV光谱(a、c)和混合物的 2D光谱(f)。已通过混合物的2D光谱的数学分析(非负最小平方)，使用库的五种候 选物的2D光谱来测定三种肽及其在混合物中的相对浓度。
具体实施方式
除非另外说明，否则在本文中，术语‘红外(IR)’是指近IR、中IR及远IR区。
除非另外说明，否则在本文中，术语‘紫外线(UV)’是指近UV、中IV及真空UV 区。
在本文中，术语‘UV/IR’光谱法通常是指UV、可见光和/或IR光谱法。
在本文中，术语‘分子’是指单个分子及包含两个或更多个分子的分子实体，例如集 群。本发明优选地适用于对分子质量小于2kDa的分子进行鉴别和/或定量。
在本文中，术语“分子的混合物”是指不同分子和分子实体，包括相同分子的不同异 构体(例如构象异构体)，例如由于其在LC或GC之后共溶离或任何其它分离，可同时 对其进行分析。由于一些分子的异构体数目可能会达到数百，因此通常不可能通过此类 分离技术中的任一种将所有异构体彼此分离。
样品中的分子的鉴别从在气相中鉴别由分子衍生的离子开始。鉴别可包含任何数目 的以下鉴别：
a)未知离子的化学式的鉴别；
b)未知离子的官能团的鉴别；
c)未知离子的结构式的鉴别；
d)未知离子的三维(3D)结构的鉴别。
在对分子的混合物(包括相同分子的不同异构体(构象异构体))进行分析的情况下，鉴别还可包含：
a)一种或多种离子种类及其在离子的混合物中的相对丰度(浓度)的鉴别
b)同一离子的最多异构体的数目的鉴别；及
c)同一离子的最多异构体(构象异构体)的结构的鉴别。
分子必须首先转化成气相以使产生气相离子。离子产生器优选地为质谱法领域中已 知的离子源。优选的离子产生器为电喷射电离(ESI)源，但也可使用其它大气压电离(API)源，且可通过诸如电子冲击(EI)电离的方法和其它技术进行电离。可通过例如 ESI源将离子引入气相作为质子化分子离子，例如，质子化肽。将气相离子引入设备的 真空环境中。
在一个任选的但优选的下一阶段中，本发明可进一步包含在离子碎片化之前基于所 产生的离子的子集的一些物理化学性质进行选择，借此使所选择的子集受到辐射，例如以使得仅限定的预定m/z范围或离子迁移率范围的离子随后会被碎片化。此类利用离子 选择器的选择可在设备的真空区中进行。可根据质荷比或离子迁移率或其它物理化学参 数来选择所产生的离子的子集。这是除了分子的任何任选的预选择以外可在离子产生之 前例如通过色谱上游进行的离子选择。因此，设备优选地进一步包含处于离子产生器下 游的用于质量选择所产生的离子的质量选择器。根据质荷比的选择优选地通过多极滤质 器，优选地传输式四极滤质器，或通过质量选择离子阱或通过另一种适合的过滤器或透 镜来进行。最优选地，滤质器(例如四极滤质器)经调谐而仅传输特定m/z值或窄m/z 范围的离子。在其中根据离子迁移率进行选择的实施例中，出于这一目的，离子迁移率 分离装置优选地位于离子产生器下游。
所产生的相关离子，任选地，所选择的其子集优选地转移到离子产生器下游的离子 阱。这种离子阱为适用于离子捕获与存储的RF或静电装置，但优选地为线性RF多极 阱(四极及更高极)，其包括平坦离子阱、环电极离子阱或3D四极阱(保罗阱(Paul trap))。 引入离子阱中的尚未碎片化的离子在本文中被称为前体离子。将离子阱保持在真空下。 任选的质量选择器优选地位于离子阱上游。离子阱可以提供多种功能。离子可存储于离 子阱中。离子可冷却于离子阱中。
本发明优选地进一步包含在离子碎片化之前在低于环境温度下冷却所产生的离子， 任选地低温冷却离子。在此类优选的情况下，在离子阱中优选地冷却，更优选地低温冷却(例如冷却到低于20K，诸如10-20K的温度)前体离子。出于这一目的，离子阱优 选地被配置成冷却到低于环境温度的温度且含有在阱温度下不会冷凝的气体。这一所谓 的冷却气体优选地通过脉冲式分子阀脉冲到阱中。通常在离子到达阱之前0.1-1ms，且 通常在第一次光脉冲之前至少10-20ms脉冲气体。冷却气体在离子阱中的峰值压力通常 为0.5mbar。冷却气体通常通过与离子阱的阱壁碰撞而得到冷却。因此，可以通过与冷 却气体碰撞而冷却。冷却大体上会将离子阱中的所有离子种类还原到其振动量子基态。 这会很好地遏制光谱中的热拥塞并在UV和IR光谱中提供振动分辨率。冷却还会降低 离子阱中的离子种类的构形不均匀性，通过UV/IR光实现其构象异构体选择性激发。
随后对前体离子，优选冷却离子进行碎片化。在离子阱中，离子优选地得到碎片化， 至少得到光致碎片化。优选地，在离子处于离子阱中时进行辐射。出于这一目的，在设备中提供一或两个光学窗口以使得光可通过所述一或两个窗口，优选地沿阱轴被导引到离子阱中。
本发明优选地包含通过辐射离子对前体离子进行碎片化而使离子光致碎片化(例如 直接光致碎片化)和/或使离子光活化，任选地随后引起与气体碰撞和/或进一步辐射(优 选地，使用IR光，尤其IR激光)以提高碎片化的产量。可使用任何其它另外碎片化方法，例如电子转移解离、电子捕获解离等。
碰撞室优选地位于任选的质量选择器下游。因此，在某些实施例中，本发明可包含通过吸收来自激光或非激光源的IR、可见光或紫外线(UV)(其包括真空紫外线(VUV)) 辐射，伴随使用另一个IR、Vis或UV光源的后续解离和/或利用光活化离子与中性缓冲 气体分子的碰撞在气相中对离子进行单次或多次光子活化。
任选地，可例如通过从离子阱喷射碎片并通过其m/z使用质量选择器对碎片进行质 量选择或按质量计在离子阱中选择碎片来质量选择光致碎片。在后一种情况下，离子阱优选地为线性或3D四极离子阱且通过喷射不合需要的碎片来进行质量选择。经质量选 择的碎片可提供到质量分析器或在离子阱中进行进一步碎片化(光致碎片化)或在另一 装置(例如碰撞室、ETD室等)中进行进一步碎片化而提供MSn方法。在一个优选实施 例中，在离子阱中分离所选择的m/z(例如相同m/z)或m/z范围的光致碎片且随后加 以碎片化(任选地，光致碎片化)以产生第二碎片(任选地，第二光致碎片)。在伪MSn方法中可在已进行第一次碎片化之后继续使离子阱中的总离子群碎片化以产生第二光 致碎片和/或第三光致碎片等。可在质量分析器中在多个辐射波长中的每一个下质量分析 第二光致碎片，例如用以测量所检测的信号(I)与第二碎片的m/z及辐射波长(λ)的 二维相关性。
辐射离子的方法优选地包含用UV、可见光和/或IR光，更优选地来自激光的UV、 可见光和/或IR光来辐射离子。优选地，辐射离子的方法包含至少用UV光，更优选UV 激光来辐射离子。
辐射离子的方法可包含用来自不同波长的两个或更多个光源的光，任选地用两个或 更多个激光来辐射离子。优选地用来自两个或更多个光源的光来辐射离子，其中一个光源被配置成用于在另一个光源之前即刻开始辐射离子(包括同时辐射的情况)。优选地， 一个光源具有用于使分子碎片化的固定波长，而另一个光源具有用于调节分子的碎片化 产量的可调波长。优选地，辐射离子的方法包含用固定波长UV光和可调IR光，尤其 固定波长UV激光和可调IR激光来辐射离子。在本文中，术语激光预期包括产生激光 的装置，诸如光学参量振荡器(OPO)。。或者，辐射离子的方法可包含用固定波长IR 光和可调UV光来辐射离子。因此，设备的光源优选地包含两个或更多个用于依次辐射 离子的光源，第一光源用于引起离子碎片化，并且另一个光源用于调节由第一光源引起 的碎片化。光源可包含两个或更多个用于依次辐射离子的光源，其中至少一个光源为可 调的，并且任选地，其中两个光源均为可调的。
任选地，按离子阱的每一装载量，可通过相同或不同波长的光的多次脉冲来辐射离 子。举例来说，按离子阱的每一装载量，可使用若干次相同波长的UV光致碎片化脉冲。第一次脉冲很大程度上引起前体离子碎片化，由此形成第一光致碎片的同时，后续脉冲 可以提高碎片化产量，并且还引起第一光致碎片的第二次、第三次等碎片化，由此提供 关于前体离子的额外结构性信息。这一多重脉冲方法与使用光致碎片化的MSn方法有所 相似。在此类情况下，在每一辐射波长下，(第一及任一第二、第三等光致碎片的)整 个光致碎片质谱优选地记录为随1与N之间的脉冲次数而变化，其中N为阱的每一装 载量的预定最大数目。此类N轮测量必须在预定谱间隔内在每一波长下重复进行。最终， 可例如使用合适的数学演算法来分析所得的N个3D数据阵列的集合以鉴别分子结构。
有可能的是，某些分子，诸如大型肽，可以不进行高效UV碎片化。在此类情况下，可通过与缓冲气体分子碰撞(如同上文所述的碰撞室)经由对光活化离子(例如UV-IR 预激发离子)加以进一步激励，或通过用光，优选IR激光进一步辐射或两者来提高碎 片化产量。可使用任何其它另外碎片化方法，例如电子转移解离(ETD)、电子捕获解 离(ECD)等。此类组合式碎片化方法可有利地产生对UV激发具有特异性的特定碎片， 但不存在于碰撞诱导或UV诱导的解离中。
出于提高碎片化产量的目的，设备可进一步包含碰撞室，其用于接收已通过光的辐 射而被光致碎片化和/或光活化的离子，其中碰撞室被配置成提供有中性缓冲气体，以通 过光活化离子与缓冲气体的碰撞来提高碎片化的产量。含有缓冲气体的碰撞室中的压力 通常为10-3-10-2mbar。碰撞室优选地位于离子阱与质量分析器之间的位置处。
因此，在某些实施例中，本发明可包含通过吸收来自激光或非激光源的IR、可见光或UV辐射，伴随使用另一个IR、Vis或UV光源的后续解离和/或利用光活化离子与中 性缓冲气体分子的碰撞在气相中对离子进行单次或多次光子活化。
优选地使用以下质量分析器中的一个进行碎片质谱的记录：离子阱质量分析器(例 如多极离子阱质量分析器，诸如3D或线性离子阱质量分析器)、轨道阱质量分析器(尤其FT静电轨道阱质量分析器，诸如Orbitrap质量分析器)、FT-ICR质量分析器或TOF 质量分析器(优选地，单个或多个反射TOF或多匝TOF)或任何其它合适的质量分析 器。高分辨率精确质量(HR-AM)质量分析器，诸如Orbitrap质量分析器为优选的。质 量分析器通常保持在高真空下，优选的压力取决于如本领域中已知的分析器的类型。
质量分析包含将待分析的离子引入到质量分析器中且在质量分析器中检测离子。质 量分析器优选地为以下类型：其用于在其中接收且捕获离子且引起离子在质量分析器中 经历周期性运动，例如引起振荡(所述术语在本文中还涵盖旋转运动)。优选地，通过 镜像电流检测来检测质量分析器中的离子的振荡。此类检测优选地由静电阱质量分析 器，诸如轨道阱来提供。优选地，质量分析器中的压力不大于1x10-8mbar、优选地不超 过5x10- 9mbar、更优选地不超过2x10-9mbar并且甚至更优选地不超过1x10-9mbar。
优选地，通过弯曲离子光学件将离子阱连接到质量分析器和/或离子产生器和/或碰 撞室。弯曲离子光学件优选地使得在离子阱中所捕获的离子与弯曲离子光学件的出口(出口为离子光学件的末端，当远离离子阱行进时，离子从所述出口离开)之间不存在 直接视线。弯曲离子光学件优选地包含至少一个弯曲的仅RF型(RF-only)多极或至少 一个静电离子弯曲装置，优选地，其中仅RF型多极或静电离子弯曲装置为弯曲的，使 得在离子阱中所捕获的离子与仅RF型多极或静电离子弯曲装置的出口之间不存在直接 视线。离子阱优选地位于离子光路(离子所遵循的穿过设备的光路)的末端处，更优选 地，位于弯曲离子光学件下游。
弯曲离子光学件(较佳至少一个仅RF型多极或至少一个静电离子弯曲装置)优选地使光源(包括其中存在至少两个源的光源中的至少一个)从入口和出口侧通过仅RF 型多极或静电离子弯曲装置自由地辐射离子阱中的离子。
设备优选地包含控制器，其优选地包含计算机以及相关控制电子件，其经编程例如 以控制光脉冲、离子以所述方式的产生和引入以及使离子捕获和碎片化的所述步骤；并向离子阱的电极、离子光学件、质量选择器及碰撞室施加所需电压；并控制真空抽吸以 达到指定压力。
设备优选地包含数据获取系统，其用于接收质量分析器的输出，即检测信号(I)，并记录来自质量分析的碎片质谱，所述碎片质谱包含在m/z值的预定范围内针对光的多 个不同波长(λ)中的每一个的检测信号(I)与m/z的关系，由此记录检测信号(I)与 m/z和辐射波长(λ)的二维相关性。数据获取系统优选地包含数据处理器(诸如计算机) 以接收并处理来自质量分析器的信号和关于扫描光的波长的信息，且优选地包含数据存 储器，例如以存储质量碎片光谱和波长数据阵列(即3D数据阵列)。优选地，数据获取 系统用于根据检测信号(I)与m/z和辐射波长(λ)的二维相关性来鉴别样品中的分子 和/或测定样品中的不同分子的相对丰度。此类鉴别可在系统的处理器或计算机上进行。 三维数据阵列的数学分解和/或与先前获取的数据库的比较可通过数据获取系统，例如通 过其处理器或计算机来进行。或者，样品中的分子的鉴别所需的处理可单独数据系统上 的设备，例如单独的计算机来远程进行。数据获取系统和控制器可包含相同计算机或不 同计算机。
根据本发明的方面，二维分析包含根据检测信号(I)对由气相离子的辐射产生的离 子碎片的至少一些(即大于一个)，优选全部离子碎片的相对丰度进行同步测量，碎片的同步测量在预定谱间隔内在多个波长中的每一个下进行。因此，在优选实施例中，离 子碎片的相对丰度的同步测量以如下形式进行：优选地通过改变个别的预定谱阶跃中的 波长来扫描辐射波长。预定谱间隔内的谱阶跃的幅值跨越谱间隔可为相同的，或其跨越 谱间隔可有所变化。波长可跨越一个连续预定谱间隔，或可跨越两个或更多个非连续谱 间隔。此类测量的输出产生三维(3D)数据集(3D数据阵列或矩阵)：或二维(2D)光 谱：即离子丰度与波长(λ)和m/z的关系，其可以用于测定分子的特性和/或相对丰度。 这与背景技术(例如如WO 2013/005060A2中所披露)形成对比，其不涉及使用3D数 据或光谱并且不使用针对分子的结构性或构形测定的光谱法。
离子的振动活化方法使得碰撞诱导的解离、高能碰撞解离、IR(针对非共价结合复合物)及IR多光子解离仅产生统计碎片，其与离子的最弱键的断裂相对应。除了这些 统计碎片以外，UV碎片化还可产生一些非统计“瞬时(prompt)”碎片(或统计碎片丰 度升高)，其由激发离子的电子激发态引起。举例来说，已知的“瞬时”碎片为在肽和蛋 白质UV激发后，与其中的芳香族残基(Trp、Tyr、Phe)和磷酸化酪氨酸的侧链缺失相 对应的碎片，如Kopysov,V.等人,JACS,136(26),9288(2014)的文章中所述，且其存在 和丰度可受到肽的3D结构的影响。这使得UV光致碎片化对离子的异构(构形)结构 尤其敏感并且可用于结构性鉴别。
光谱法领域已知的是，UV光谱对关于吸收分子和分子离子中的发色团的细微结构变化极为敏感。结合质量分析器(其优选地为高m/z分辨率质量分析器)上的m/z测量， 优选地经振动分辨的谱测量在所记录的三维数据阵列中提供大量特征，使其成为正在被 分析的离子的独特指纹。指纹反映电子振动跃迁的能量，其在量子力学水平上对离子至 关重要，并因此，可由实验再产生以伴随光谱准确性进行实验。本发明中所用的指纹优 选地为处于低于环境温度的温度下且最优选地处于低温(20K或更低，通常为10到20 K)下的离子的指纹。
3D指纹识别可尤其适用于鉴别分子中的至少一个和/或测定样品中的不同分子的相 对丰度。分子可因其化学组成或其3D结构(例如异构体，包括构象异构体)而有所不 同。优选地，测定分子的特性和/或相对丰度的方法包含将所记录的二维光谱与已知分 子的指纹库(先前获取)进行比较。换句话说，所记录的检测信号(I)的二维相关性 可与由已知分子的碎片化离子获取的检测信号(I)与m/z和辐射波长(λ)的二维相关 性的库(先前获取)进行比较，以鉴别和/或测定样品中的不同分子的相对丰度。
肽的3D指纹识别被视为尤其适用于对蛋白质进行重新定序分析，同时某些官能团或部分(例如苯基、苯甲基、烷基、酯等)的3D指纹识别可适用于小型代谢物的分析 且适用于解析具有未知化学结构的药物分子(包括多种芳香族药物分子及代谢物)的3D 结构。
背景技术，例如如WO 2013/005060A2所披露，并未披露已知分子的检测信号(I)与m/z和辐射波长(λ)的二维相关性的库用于鉴别和/或测定样品中的分子的相对丰度 的用途。
生成详尽库是这一方法成功的重要先决条件并可针对每一独立的定义明确的化合 物(标准)并在化合物的不同类别(例如与特定生物方法相关的代谢物、具有转译后修饰的肽等)内单独地建构参考光谱。库光谱优选地在与未知分子或分子混合物的实际测 量期间的条件相接近的条件下产生。库可存储于机载质谱仪上、或应用计算机上、或服 务器上、或云端(例如所谓的m/z云库(Cloud library))上。在最简单的情况下，可使 用相似度评分(例如点积)来测定所测量的分子与库的最佳拟合。可使用更为复杂的演 算法(例如非负最小平方优化、或群集分析、或神经网络模型)来测定所测量的光谱中 库存储指纹的存在及在样品中由此发现的分子的相对丰度(浓度)。
应了解，为了获得最精确的指纹，所测量的二维光谱(即强度(I)与m/z和λ的关系)应标准化为离子总数。理想地，这应为待碎片化的前体离子的初始数。或者，作为 对此的良好近似，二维光谱可标准化为所检测的总离子电流(TIC)。因此，方法优选地 进一步包含将所记录的二维光谱标准化为前体离子的总数或通过质量分析器检测的总 离子电流。指纹库中的指纹优选地为已以此类方式加以标准化的标准化指纹。因此，将 标准化光谱与标准化库指纹进行比较为优选的。本发明优选地使用测量多个(例如所有) 碎片离子(及剩余前体离子)的质量分析器并联诸如FTMS、TOF、离子阱和轨道阱质 量分析器来实施，其准许整个二维光谱的此类总标准化，因为同一测量循环(阱填充和 辐射)中检测到所有离子。伴随利用四极质量分析器的光致碎皮化离子的背景技术质量 分析，由一般不同数目的母离子检测每一碎片，其无法在同一测量循环中得到检测。一 般来说，这使得标准化不太精确。
本发明可用于分子的样品分析，所述分子包含两个或更多个异构体，尤其构象异构 体，以测定异构体数目和/或其相对丰度。在此类情况下，测定步骤优选地包含数学分解矩阵，将所测量的三维数据阵列表示为向量对，其中各对表示同一分子的不同异构体。 每一对的一个向量对应于由所述对表示的异构体的信号I与λ光谱，即吸收光谱，并且 每一对的另一个向量对应于异构体的信号I与m/z光谱，即碎片化质谱。表示特定异构 体的每对向量的外积为与所测量的矩阵相同大小的矩阵。因此，所测量的矩阵可在每对 向量的外积的线性组合中分解，其中此类分解的标量系数表示不同异构体的相对丰度。 可例如使用单值分解(任选地，非负单值分解)程序，伴随后续交替的最小平方分析来 完成这一分解。还可使用其它数学方法，例如，非负矩阵数据分析法。
此类数学方法还可用于化学上不同的分子的样品分析以测定不同化合物的数目(尽 管没有对其进行鉴别)，其中并未先前获得3D指纹。
由本发明提供的三维数据阵列的数学分析使得可从单一实验中所测量的三维数据 阵列提取独立构象异构体的光谱和光致碎片光谱。方法优选地包含将向量对中的一或多 个与已针对一或多个候选分子结构计算的一或多个所计算的向量对进行比较，并根据向 量对的比较(例如基于所评估的最佳匹配)选择候选分子结构作为样品中的分子的最可能结构。经数学分解的向量对可用于通过将分解的向量对与所计算的向量对(针对候选 的所计算的3D结构计算)进行比较而从多个候选的所计算的3D(例如构形)结构选择 并验证所计算的分子的3D(例如构形)结构。
因此，分子的特性和/或相对丰度的测定方法优选地包含数学分析所记录的检测信号 (I)的二维相关性，以鉴别分子中的至少一个和/或测定样品中的不同分子的相对丰度。
在优选实施例中，当在离子阱中将气相离子冷却至远低于环境的温度时，更优选地 当低温冷却离子时，所记录的2D光谱中的特定光致碎片化图案的识别可提供关于存在特定官能团(例如胺基-、羟基-、磷酸基-等)或部分(例如苯基-、苯甲基-、苯甲酰基- 等)的信息。肽的3D指纹识别被发现尤其适用于重新定序分析，其中肽序列中的一个 或若干个氨基酸的确信鉴别大体上简化其主要结构的后续阐明。当待分析的样品通常可 包含数千不同分子时，这还可适用于代谢组研究领域。在这一特别情况下，通过高分辨 率质谱法提供的元素组成的测定以及官能团的鉴别可在单次扫描期间使多种代谢物的 结构式得到鉴别。
尽管UV光谱对发色团的局部环境极其敏感，但其不含整个分子的结构性信息。相比而言，IR光谱直接反映分子的所有振动模式的频率，且因此，其为用于验证所计算的 分子和离子的3D结构的最适合光谱。以此方式，IR-UV双共振已知为一种用于在极低 浓度下测量分子和离子的构形选择性IR光谱的技术。当振动分辨UV光致解离光谱时， 可将UV激光调节到一个特定构象异构体专属的峰值。只有在光激发同一构象异构体时， 前述的可调IR光的脉冲才会随后调节光致碎片化产量。这些调节可加以检测，产生这 一构象异构体的IR吸收光谱。然而，如果UV光谱拥塞或扩大，那么这一方法行不通。 相比而言，本发明的二维光谱法使得可获得构象异构体选择性IR光谱，在不考虑这的 情况下，其条件是不同构象异构体的UV-MS指纹不完全一致。在本发明的优选实施例 中，测量可使用来自UV谱带基线的UV激光进行，所述UV激光固定在接近红色(优 选地略接近红色)的波长下。先前的IR脉冲会扩大光谱，引起后续UV吸收-碎片化。 所测量的3D光谱可分解成IR光谱和碎片质谱对。每一对随后可充当限定和/或验证3D 结构性计算的基准。
方法可进一步包含调谐IR(任选地为UV)光的波长以选择性地激发经同位素标记的分子的一或多个分子键，优选地连同在使离子碎片化之前，在低于环境温度下冷却所 产生的离子。这是基于被称作“同位素位移”的现象。同位素标记改变那些振动的频率， 其中涉及经标记的原子(例如O-H链段为3700cm-1，而O-D为2700cm-1，即同位素位 移为～1000cm-1)。这一现象使得可使用上文所述的IR-UV技术对原始分子或其经标记的 类似物进行选择性碎片化。所得碎片可含有包含经标记的原子的带电碎片。
以下分子键中的一个或多个可通过IR光激发：
i.经同位素标记的分子中的同位素标记的键，任选地为含有2D、13C、15N、18O等 或其任何组合的标记的键；
ii.有机分子中的官能团或部分的键，任选地为以下中的一个的键：烃基、含卤素基 团、含氧基团、含氮基团、含硫基团、含磷基团、含铁基团、含硒基团
iii.有机聚合物中的官能团的键，任选地，其中所述基团为磷酸化或糖基化基团等， 任选地，其中所述分子为肽、或蛋白质、或DNA、或RNA、或经修饰肽、或经修饰蛋 白质、或经修饰DNA、或经修饰RNA，任选地，其中所述经修饰肽或蛋白质为经翻译 后修饰的；
iv.交联肽、或蛋白质、或其复合物、或DNA、或RNA中的连接子中的键，任选地， 其中所述键为双硫键或所述连接子为人工引入的连接子；
v.肽、蛋白质或其复合物中的非共价键，任选地，其中所述非共价键为氢键，任选地，其中所述复合物为肽或蛋白质与一或多个水分子的复合物。
归因于此类特定分子键的激发的IR吸收谱带的检测可用于鉴别相应种类。
本发明提供一种三维数据阵列或数据矩阵，其包含对照离子的质荷比及对照用于辐 射离子的光的波长记录的检测离子信号(即，根据多个质荷比记录针对给定的光的波长的所检测的离子信号，及根据多个光的波长记录针对给定质荷比的离子信号)。可对记 录检测信号(I)与m/z和辐射波长(λ)的二维相关性的数据阵列进行数学分析和/或与 先前获取的数据库进行比较，以能够测定分子特性和/或不同分子的相对丰度。
存在关于通过检测一个或若干光致碎片测量UV和IR光谱及针对光谱用于特定结构性测定的用途的多个公开案。然而，使用背景技术方法在宽质量范围内针对每一质量 测量光谱，尤其在需要高分辨率质谱的情况下，其会不切实际地耗费时间。因此，背景 技术方法无法与现代分析性分离技术(例如高效及超高效液相色谱(LC)、毛细电泳法 (CE)、纳米级LC、气相色谱(GC)、离子色谱(IC)、离子迁移谱(IMS)等)线上介 接而不缺失质谱信息。相比于这，本发明使得分析与此类分离技术介接并使分析的通量 和特定性显著增加。当在宽质量范围内并以高分辨率和质量准确性获取每一质谱时，可 在对应于单一离子种类的相同光谱范围的与常规一维光谱相同的时间长度内测量本发 明的二维光谱，但本发明含有关于所存在的所有种类(即分子，其异构体等)的信息。 因此，本发明的方法要比将用于获取相同量的信息的常规方法快得多。此外，与一维光 谱相比，本发明的方法在测量光致碎片的相对丰度方面更为精确，因为所有碎片均同时 且连同前体离子一起得到测量。
由于通过本发明的分析的速度，其特别适用于随时间而改变的样品，诸如源自分离 技术的样品的分析。因此，在优选类型的实施例中，分子的样品为分子的混合物且所述方法包含，优选地在产生离子之前，使混合物流动并对流动混合物进行分离方法，借此 使不同分子在流动中适时地变得分离，并且分子流达到至少一个最大值。分离方法可以 是色谱法，例如液相或气相色谱，并且最大值因此可以是色谱峰。色谱可以是例如HPLC、 UHPLC、毛细电泳法(CE)、纳米级LC、气相色谱(GC)或离子色谱(IC)。在离子 产生之后将分离技术应用于离子，诸如例如在引起离子流动之后，通过离子迁移谱(IMS) 分离离子的情况下，可应用所述方法。流中的最大值因此可以是离子迁移率峰。有利的 是，记录检测信号(I)与m/z和辐射波长(λ)的二维相关性的持续时间不会比相关分 子或离子的最大值的全宽长。
因此，用于此等实施例的设备可与色谱设备连接，并且样品含于来自色谱设备的溶 离剂中，并且其中光源和质量分析器被配置成如下运作：使得对于每一相关色谱峰而言， 碎片离子的质量分析在光的多个波长(λ)中的每一个下进行，由此使得质量分析器的检测信号(I)与m/z和辐射波长(λ)的二维相关性能够针对所述色谱峰得到记录。
应注意，不存在当扫描时λ应加以单调改变的要求。相反，在一些情况下，优选地，在λ的非连续值下取样或使用预定义的伪随机顺序。还优选地，完全省略λ光谱的不良 或冗余区的信息。
对于方法的一或多个实验条件而言，可基于先前获取的数据和/或在实现一或多个预 定条件后进行选择。可使用数据获取系统来基于先前获取的数据(即光谱)和/或在实现 一或多个预定条件后选择条件。举例来说，待选择的实验条件可包含：选择用于碎片化的离子子集、辐射波长、质量分析条件(例如扫描次数、m/z范围、质量分辨率、质量 准确性)、使用碰撞室及碰撞室参数(例如碰撞能量、缓冲气体压力)。
实施例的描述
为了能够更详细地理解本发明，现将借助于实例并参考附图描述多个实施例。
参考图1，显示一种用于根据本发明分析分子的设备2。设备包含来自赛默科技的改良型Q Exactive质谱仪。设备2处于控制器，诸如适当编程的计算机(未图示)的控 制下，其控制各个组件的运作并且例如设置施加到各个组件的电压，并接收来自各个组 件(包括检测器)的处理数据。
将含有待分析分子的液体样品引入到电喷射离子源4，并且由呈连续流形式的分子 产生气相离子。常见的样品类型含有溶解于水/甲醇溶液中的肽，以与电喷射电离技术一 起使用而将其引入气相。在一个优选实施例中，样品来自诸如色谱仪的介接仪器(未图示)。所产生的离子通过仅RF型S透镜(堆叠式环离子导向器)6(RF振幅0-350Vpp， 设置为质量相关性)转移且经过S透镜出口透镜8(通常保持在25V的偏移量下)。随 后将离子束中的离子传输通过注入多极10和弯曲平杆12，其为将离子传输到光学件下 游的仅RF型装置，RF振幅设置为质量相关性。随后使离子穿过一对透镜(均为质量相 关性，其中内透镜14通常处于约4.5V下，而外透镜16通常处于约-100V下)并进入质 量分辨四极18。
四极18DC偏移量通常为4.5V。控制四极18的差分RF和DC电压以传输所有离 子(仅RF模式)或选择特定m/z的离子以根据马蒂厄稳定图(Mathieu stability diagram) 通过施加RF和DC来传输。应了解，在其它实施例中，可使用仅RF型四极或多极代替 质量分辨四极18作为离子导向器，但光谱仪将不具有在分析之前进行质量选择的能力。 在又其它实施例中，可采用替代性质量分辨装置，诸如线性离子阱、磁性扇区或飞行时 间分析器或其它滤质器代替四极18。作为四极18的另一替代方案，可在其位置处使用 离子迁移率分离器，诸如离子迁移率漂移管或FAIMS装置。
回到所示实施例，传输通过四极18的离子束通过四极出口透镜20(通常保持在-35到0V下，电压设置为质量相关性)而从四极离开并通过邻近于出口透镜的对切透镜22 接通或断开。通过转移多极24(仅RF，RF振幅设置为质量相关性)将离子转移到弯曲 线性离子阱(C阱)26。
C阱沿轴向伸长(由此界定阱轴)，其中离子进入所述阱。在一个运作模式中，可 设置C阱出口透镜28上的电压以此方式使得离子无法传送且由此存储在C阱26内。这 一模式可用于收集从质量分辨四极18接收的未碎片化的前体离子的质谱，其中存储在C 阱26内的离子通过向C阱脉冲DC而正交喷射到C阱轴(正交喷射)。以此方式，来自 C阱的喷射离子在这一情况下通过Z透镜32和偏转器33被注入到质量分析器34中， 所述质量分析器34在这一情况下为静电轨道阱质量分析器，且更具体而言，为由赛默 飞世尔科技(Thermo FisherScientific)制造的Orbitrap FT质量分析器。作为所示Orbitrap 质量分析器的替代方案，可使用单反射或多反射或多偏转TOF、或FT-ICR、或静电阱、 或具有阵列检测器的飞行距离质量分析器、或其它适合的质量分析器。高分辨率精确质 量(HR-AM)质量分析器，诸如Orbitrap质量分析器为优选的。
在根据本发明的操作中，为了进行离子的光致碎片化，设置C阱出口透镜28上的电压以使离子朝向碰撞室50(高能量碰撞解离(HCD)室)穿过C阱(轴向传输)。可 通过C阱与碰撞室之间的合适电压(例如碰撞室可针对正离子偏移到负电位)将离子注 入到碰撞室中。可通过这一电压来控制碰撞能量。然而，在进行光致碎片化之前，进入 碰撞室50的来自C阱的离子不会向碰撞解离供能，因为离子穿过下游碰撞室得到碎片 化。碰撞室50包含多极52以含有并使用轴向电压梯度引导离子。如下文中进一步描述， 碰撞室50可以含有碰撞气体以便提高如下文描述已在更远的下游经光活化的离子的光 致碎片化产量。
在光致碎片化模式中，离子通过孔口54离开碰撞室50并传送到仅RF型弯曲多极60中，其将离子引导到位于弯曲仅RF型多极60后的离子光路的末端处的冷离子阱70 中以存储并冷却离子并进行光致碎片化。离子阱70包含八极72以含有离子。弯曲多极 60的几何结构使光便于进入以在冷离子阱中辐射离子(如下文所述，来自诸如UV和/ 或IR激光束的源)，并且避免来自碰撞室50和C阱26的温热气体转移到冷离子阱70 中。或者，可采用静电弯曲光学件代替弯曲仅RF型多极60，但仅RF型多极进一步使 离子沿相反方向无损传输到质量分析器，以获取碎片离子的全景光谱。一般而言，弯曲 多极60或替代性弯曲离子光学件的优选的几何结构包括离子光路中的90度弯曲。弯曲 的仅RF型多极60实施为一组印刷电路板，其为优选的构造，但其它构造，例如使用杆 是可能的。
冷离子阱70(图1a，O.Boyarkin,V.Kopysov,《科学仪器评论(Rev.Sci.Instr.)》85, 033105-1(2014))安装于两级闭合循环致冷器(例如住友(Sumitomo)，RDS-407)的第二级上，所述致冷器使用压缩He气作为作用体并能够将阱冷却低到6K。工作范围可通 常为6-20K或10-20K。离子阱70由壳体覆盖以将阱的辐射性发热降到最低并限制冷却 气体(氦气)，所述气体通过电控脉冲式气体阀门(未图示)脉冲到阱中。He为选定的 冷却气体，因为其超过4K不会冷凝。气体脉冲持续时间通常为0.3-0.5ms。紧接在气体 脉冲之后，冷离子阱中的He气体压力通常为0.5mbar，并且其在用光辐射所捕获的离 子时通常下降到10-4mbar。通过与离子阱的阱壁碰撞对冷却气体进行冷却，并且因此离 子阱中所存储的离子可通过与冷却气体碰撞来得到冷却。
任选地使用通过质量选择四极18对前体加以质量选择的前体离子对冷离子阱的填 充可以如本领域中已知的数据相关性方式，例如，使用自动增益控制方法来完成。以此方式，使用由通过质量分析器的一或多个先前质量分析扫描，包括任选的专用预扫描而 获取的信息，冷离子阱中的前体离子的离子群可以被控制到如本领域中已知的最佳水 平。这会避免前体离子对离子阱70过度填充或填充不足。
施加到八极的八个电极的电RF正弦波形的典型频率为1MHz，其中峰-峰振幅为50-100V。八极的典型极偏压在离子注入期间比C阱的极偏压低1-3V，并且在离子从 八极释放期间比C阱的极偏压高1-3V；当捕获离子时，阱的端盖84的电位通常比极偏 压的电位高3-5V。对于离子从阱脉冲式释放而言，端盖的电位相对于极偏压降低到-5V。
一旦离子到达冷离子阱70中，其冷却的持续时间就通常为5-10ms。其通过与冷浴气体的碰撞及其大小来测定。只有在离子冷却之后，光谱法实验才会开始。
光学设置包含彼此正交定位的UV激光90和IR激光100。来自UV激光的光通过 UV透镜92对焦并通过光束组合器94以90度反射，使得其沿辐射轴98被导引，接着 透射穿过光学窗口82、穿过弯曲多极60并进入冷阱70中。来自IR激光100的光通过 IR透镜96对焦并通过光束组合器94透射，使得其也沿辐射轴98被导引，接着投射穿 过光学窗口82、穿过弯曲多极60并进入冷阱70中。在较简单的UV-MS设置中，可省 略IR激光100并且光束组合器94可以是简单的UV镜(即IR激光为任选的光源)。激 光束通过光学窗口80离开冷阱。还显示用于终止激光束的任选的束止挡件104。
典型的实验循环持续50ms。其以在将He气脉冲到阱中之后通常1ms对阱进行装 载为开始。冷却后，解离光脉冲在He脉冲之后通常20-40ms到达。一旦在气体脉冲之 后通常40-50ms将残余He抽吸出来，离子就从冷阱释放并转移到Orbitrap的C阱以进 行光致碎片的MS分析。任选地，其可另外在碰撞室50中活化。在每一测量循环中， 读取扫描激光(UV或IR)的波长并作为质量扫描的标记加以存储。
整个循环通过限定实验的重复率并同步捕获、冷却及用光脉冲使离子从阱释放的控 制器并伴随Orbitrap质量分析器的测量循环来控制。
所示实施例使用如下文中进一步描述的包括UV和IR可调脉冲式激光源的两个光源。在这个实施例中，UV激光源为在可见光谱区域中广泛可调的脉冲式(具有ns脉冲 持续时间)光学参量振荡器-放大器(OPO-OPA)系统。或者，UV光源可以是可调染料 激光。在任一情况下，UV激光源通过Nd:YAG脉冲式激光的第二或第三谐波抽运，并 且在任一情况下，激光源配备有非线性谐波转换器以在380-200nm的谱区域中产生UV 光。IR光源为IR OPO-OPA系统，为在12-2.5μm的谱范围内为可调的并通过脉冲式 Nd:YAG激光抽运。优选的UV光的线宽为0.2-1cm-1，并且IR光的线宽为2-5cm-1。优 选的UV激光波长的间隔为已知发色团的UV吸收的起始(电子谱带基线)周围的间隔 (以下文章的图4中所测定：V.Kopysov,N.Nagornova及O.Boyarkin,JACS,136,9288 (2014))。这包括了特定针对尤其含有芳香族残基的肽的如下间隔：针对色氨酸为 34500-35200cm-1，针对酪氨酸为34500-35400cm-1，针对磷酸酪氨酸为36200-37100cm-1， 针对苯丙氨酸残基为37400-37800cm-1。针对肽的VUV碎片化和非肽芳香族离子的 UV/VUV碎片化的优选的间隔通常较宽。光源的优选的脉冲能量为每次脉冲>2mJ。
设备包括两个窗口80、82以使激光透射到冷离子阱70中。一个窗口80邻近于离 子光路末端处的冷离子阱70的末端，而另一个窗口82邻近于弯曲的仅RF型多极60。 两个窗口均以布鲁斯特角(Brewster angle)(窗口表面的法线与激光束之间大约56°)置 放以使表面反射降到最低，且允许针对激光束的清晰视线以辐射冷离子阱中的离子。优 选地，窗口及其它光学件(例如透镜)均由BaF2制成以同步透射UV和IR光。IR和 UV光束通过同一窗口82进入阱70的真空室并通过窗口80离开所述室。或者，光束可 反向传播，使得所述窗口中的一个用于透射UV光束而第二窗口用于透射IR光束。在 此类情况(图1中未示)下，第一窗口可由CaF2或UV熔融硅石制成，而第二窗口可由 BaF2材料制成以确保UV和IR光各自地吸收损失最低。一般来说，两个窗口对于两种 波长应均为透明的，或至少一个在UV中透明而第二个在IR中透明，但两者仅可在体 积中而非在薄层中吸收非透射波长。
在UV光谱操作模式中，出于诱导离子的光致碎片化以形成碎片离子的目的，冷离子阱70中的前体离子的脉冲式辐射首先在第一UV波长(λ1)下进行。如果离子吸收在 这一波长下的UV光，那么其可以解离，产生具有与前体离子不同的m/z的光致碎片离 子。任何碎片离子和任何未碎片化的离子随后从冷离子阱喷射并朝向C阱26转移回上 游。任选地，已被光活化或被激发的未碎片化的离子可加以激励以在碰撞室50中经历 碰撞解离，其提高待质量分析的离子碎片的产量，并可以引起新离子碎片的出现。包括 任何离子碎片的离子随后捕获于C阱26中并从那注入到如上所述的Orbitrap质量分析 器34中。随后通过质量分析器进行全景碎片质量分析(宽m/z范围)，并在数据获取系 统(未图示)上记录来自分析器的检测信号(I)。这提供与辐射的第一波长(λ1)相对 应的质谱(即检测信号(I)与m/z的对照)(即给定激光波长下的碎片质谱)。随后针对 积聚在离子阱70中的另一批前体离子再次实施整个过程，但这一次在第二波长(λ2)下 辐射并随后进行高达λn的其它波长的辐射，其中n是所用辐射的波长数。换句话说，波 长为递增的，并且重复整个测量循环直到n个波长得到研究为止。优选的波长梯级小于 0.04nm。任选地，在每一波长下可将两个或更多个质谱记录并平均化以改良信号。
在IR光谱模式中，UV光波长固定在吸收UV峰(构象异构体选择性缺失IR光谱 法)上或略超出UV吸收光谱(构象异构体非选择性增益IR光谱法)，同时在如上所述 的每一测量循环中根据UV光谱操作模式改变先前IR激光脉冲的波长。IR与UV脉冲 之间的典型的时间延迟为50-100ns。优选的波长梯级小于5cm-1。
所产生的数据为一组碎片质谱，各通过扫描(IR或UV)激光的波长加以标记。这 构成3D数据阵列或光谱，其含有针对每一光致碎片测量的光学吸收光谱以及在每一波 长下测量的光致碎片质谱。图2中显示二肽的3D数据阵列(信号(I)与λ(表示为波 数)和m/z的关系)(其中仅显示与大致光致碎片化相对应的那些m/z)的简单实例，其 通过扫描UV激发激光的波长同时用Orbitrap质量分析器监测所有出现的光致碎片来测 量。
由于UV吸收和碎片化在研究下均可极为特定地针对于所选择的离子，因此3D光谱含有关于这一特定性的数据并对所选择的离子(及由此的产生离子的原始分子)尤其 具有特征性(以指纹形式)。
所测量的光谱(即强度(I)与m/z和λ的关系)可标准化为前体离子的总数，或作 为对此的良好近似，标准化为所检测的总离子电流(TIC)。
如果所有离子均具有相同化学结构(例如肽的单一序列)，但含有不同异构体(例如构象异构体)，其碎片化产量在特定波长下对于不同渠道而有所不同，那么可将3D数 据阵列数学分解为对应于离子的不同异构体(构象异构体)的向量对，并数学分解为显 示这些异构体的相对丰度的对角矩阵。在每一向量对中，一个向量对应于一个特定异构 体(构象异构体)的所谓的光学吸收光谱(即I与λ)，而第二向量对应于所谓的碎片化 质谱(即I与m/z)。实例显示于图3中，其显示[YA-H]+肽的三个最多构象异构体的UV 光学吸收光谱(左侧)(即I与λ)和相应质谱(即I与m/z)。已使用单值分解(SVD)， 以及分解的后续交替最小平方(ALS)优化而从图2中所示的2D光谱数学提取出光谱。 还可使用其它数学方法，例如，非负矩阵数据分析法。向量对(I、II、III)的数目提供 所存在的最主要异构体(构象异构体)(在这一情况下，即三个)的数目。计算结果(图 3下方)显示，种类I和II之间的主要差异在于芳环相对于肽主链的方位及环与N端之 间的距离。种类III具有种类I的结构，但其在环中含有一个13C同位素。
I(m/z)向量(碎片化质谱)可用于使用本领域中已知的MS方法测定离子阱中所 存在的前体离子的化学结构。I(λ)向量(光谱)可用于结构性测定，具体地说，用于 验证离子阱中所存在的离子构象异构体的所计算的3D结构。高级计算可产生候选3D 结构库，并且也针对每一候选结构计算吸收光谱I(λ)(IR、UV或这两者)。这些所计 算的候选光谱随后与分解的(即构象异构体选择性，其中仅一个分子处于研究下)实验 光谱(向量I(λ))比较。一旦实验光谱与所计算的光谱之间实现良好匹配，相应所计 算的结构就视为得到验证。这一方法尤其适合于小型肽、药物及代谢物。
在另一类型的实验中，可能存在若干结构上不同的离子的混合物，但其可能具有相 同或几乎相同的m/z(例如同量异位肽)，因而可能难以通过MS单独鉴别。如果已根据 本发明测量每一疑似候选离子的3D数据，那么可基于已知的候选3D数据分解所测量 的混合物的3D数据，以测定混合物中的离子的存在及相对丰度。图4显示此类离子鉴 别可如何操作。研究带单电荷的同量异位肽的混合物。具有已知2D光谱(借助于本发 明先前获取)的5个候选肽的测试库用于供参考。这些五个参考2D光谱显示于图4(a) -(e)中。图4(f)显示借助于本发明获取的混合物的2D光谱。所述光谱显示m/z与 UV光子能量(以cm-1为单位)的两个轴，并且通过合适的色彩映射(在显示的黑色和 白色图像中不可见)指示信号强度。出于图形清晰性显示每一2D光谱的两个图，其与 含有吸收起始但也是最特定区域的波长区域相对应。还显示m/z＝744.269Da与m/z＝ 664.302Da下的部分2D指纹，其分别与Tyr与pTyr中的Cα-Cβ键断裂(酪氨酸侧链和 磷酸化酪氨酸侧链的缺失)相对应。使用混合物的2D光谱的最小平方分析，可恰当地 表明在混合物中存在3种组分。
应了解，离子束通过设备及在质量分析器中的路径处于如本领域中已知的合适的抽 空条件下，其中不同真空水平适合于不同光谱仪部件。
应了解，本文所述的多种参数或数量，诸如波长和m/z可以表示在替代性的但常规上会被理解的术语中。举例来说，在本文中，波长可表示为等效波数(cm-1)或能(eV 等)或频率，并且因此，提及波长包括提及波数、能或频率。在本文中，术语质量和质 荷比(m/z)互换使用。此外，所述术语包括与质量或m/z相关的测量量，例如FTMS 中的频率和TOF质谱法中的时间。
应了解，可以对本发明的上述实施例作出变化，但这些变化仍属于本发明的范围内。 除非另外说明，否则本说明书中所披露的每个特征都可以被用于相同、等效或类似目的 的替代性特征替换。因此，除非另外说明，否则所披露的每个特征仅是一系列通用等效或类似特征的一个实例。
本文中提供的任何和所有实例或示例性语言(“举例来说”、“诸如”、“例如”以及类似语言)的使用意图仅更好地说明本发明，并且除非另外要求，否则并不指示本发明的 范围上的限制。本说明书中的任何语言都不应理解为指示实践本发明所必需的任何非所 要求的要素。
如本文所使用(包括在权利要求书中)，除非上下文另外指示，否则本文中的术语的单数形式应被解释为包括复数形式，且反之亦然。举例来说，除非上下文另外指示， 否则在本文中(包括在权利要求书中)一个单数参考物，如“一个(a)”或“一个(an)” 意指“一或多个”。
在整个本说明书的描述和权利要求书中，词语“包含”、“包括”、“具有”及“含有”以及所述词的变化形式(例如“包含(comprising)”和“包含(comprises)”等)意指“包括 但不限于”，并且并不意图(并且并不)排除其它成分。
本说明书中描述的任何步骤可按任何次序执行或同时执行，除非另外规定或上下文 另外要求。
本说明书中所披露的全部特征可以任何组合形式组合，但所述特征和/或步骤中的至 少一些会互斥的组合除外。具体来说，本发明的优选特征适用于本发明的所有方面并且 可以任何组合形式来使用。同样，可单独地使用(不以组合形式)以非必需组合形式描述的特征。

Claims (54)

1.一种分析分子的方法，所述方法包含：
由待分析的分子样品产生离子；
在低于环境温度下冷却所产生的所述离子；通过在一或多个预定谱间隔内用多个不同波长(λ)下的光辐射所述离子而使冷却后的所述离子中的至少一些碎片化，在所述多个不同波长内扫描光的所述波长；
当扫描光的所述波长时同时记录多个碎片化离子的碎片质谱，其包含在m/z值的预定范围内针对所述多个不同波长(λ)中的每一个的检测信号(I)与m/z的关系，由此记录所述检测信号(I)与m/z和辐射波长(λ)的二维光谱；及
由所记录的所述二维光谱测定所产生的所述离子中的至少一个的特性和/或不同的所产生的离子的相对丰度，并由此测定所述分子中的至少一个的特性和/或所述样品中的不同分子的相对丰度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述测定包含数学分析所记录的所述检测信号(I)的二维光谱以鉴别所述分子中的至少一个和/或测定所述样品中的不同分子的相对丰度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述测定包含将所记录的所述检测信号(I)的二维光谱与由已知分子的碎片化离子获取的检测信号(I)与m/z和辐射波长(λ)的二维相关性的库进行比较，以鉴别和/或测定所述样品中的不同分子的相对丰度。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所记录的所述检测信号(I)与m/z和辐射波长(λ)的所述光谱由此形成三维数据阵列，并且所述测定步骤包含将所述三维数据阵列数学分解成向量对，其中每一对表示所述样品中的不同分子，并且每一对的一个向量对应于所述分子的I与λ光谱，而每一对的另一个向量对应于所述分子的I与m/z光谱。
5.根据权利要求4所述的方法，其进一步包含将所述向量对中的一或多个与已针对一或多个候选分子结构计算的一或多个所计算的向量对进行比较，并根据向量对的所述比较选择候选分子结构作为所述样品中的所述分子的最可能结构。
6.根据权利要求2所述的方法，其中所记录的所述检测信号(I)与m/z和辐射波长(λ)的所述光谱由此形成三维数据阵列，并且所述测定步骤包含数学分析所述数据阵列的以下方法中的任一个：
在由已知分子的碎片化离子的库获取的矩阵的线性组合中分解所述数据阵列，以鉴别和/或测定所述样品中的不同分子的相对丰度；
将所述数据阵列分解成一组系数及相应向量对，其中每一系数和相应向量对表示不同分子实体；其中每一对的一个向量对应于I与λ光谱(吸收光谱)，每一对的另一个向量对应于I与m/z光谱(碎片化质谱)，而所述系数对应于所述实体的相对丰度。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述测定进一步包含将所提取的所述一或多个吸收光谱和/或碎片化质谱与已针对一或多个候选分子结构计算的一或多个所计算的光谱进行比较，以发现所述相应分子实体的最可能结构。
8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述分子样品包含同时进行分析的一或多个分子实体，其包括不同异构体，任选地为构象异构体。
9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中测定离子的特性包含任何数目的以下鉴别：
离子的化学式的鉴别；
离子的官能团的鉴别；
离子的结构式的鉴别；
离子的三维(3D)结构的鉴别。
10.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述样品包含分子的不同异构体，并且测定由所述不同异构体产生的所述离子中的至少一个的特性包含以下：
所述离子的最多异构体的数目的鉴别；
所述离子的最多异构体中的每一个的特性的测定。
11.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述分子样品为分子的混合物，并且其中所述方法进一步包含：在产生所述离子之前，使所述样品流动并对所述流动样品进行分离方法，借此使不同分子在所述流动中适时地变得分离，并且所述分子中的至少一个的浓度在所述流动中达到至少一个最大值。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述分离方法为液相或气相色谱，并且所述最大值为色谱峰值。
13.根据权利要求12所述的方法，其中对于每一相关色谱峰值而言，所述碎片离子的质量分析在光的多个波长(λ)中的每一个下进行，由此使得质量分析器的检测信号(I)与m/z和辐射波长(λ)的二维光谱能够针对所述色谱峰值得到记录。
14.根据权利要求11到13中任一权利要求所述的方法，其中记录所述检测信号(I)与m/z和辐射波长(λ)的所述二维相关性的持续时间不会比相关分子的所述最大值的全宽长。
15.根据权利要求11到14中任一权利要求所述的方法，其中记录所述检测信号(I)与m/z和辐射波长(λ)的所述二维光谱的持续时间：(a)不长于5sec，(b)不长于2sec，(c)不长于1sec，(d)不长于0.5sec，或(e)不长于0.2sec。
16.根据任一前述权利要求所述的方法，所述方法进一步包含在使所述离子碎片化之前选择所产生的所述离子的子集，借此仅辐射所选择的所述子集。
17.根据权利要求16所述的方法，其中根据质荷比或离子迁移率或其它物理化学参数来选择所产生的所述离子的所述子集。
18.根据任一前述权利要求所述的方法，其中冷却所述离子包含低温冷却所述离子。
19.根据任一前述权利要求所述的方法，其中在所述多个不同波长内扫描光的所述波长包含改变个别的预定谱阶跃中的所述波长，其中所述预定谱间隔内的所述谱阶跃的幅值：(i)跨越所述谱间隔为相同的，或(ii)跨越所述谱间隔会有所变化。
20.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述一或多个预定谱间隔跨越一个连续预定谱间隔，或跨越两个或更多个非连续谱间隔。
21.根据任一前述权利要求所述的方法，其中在所述多个不同波长(λ)内扫描光的所述波长包含对λ的非连续值进行取样或使用λ的预定义伪随机顺序。
22.根据任一前述权利要求所述的方法，其中通过辐射所述离子使所述离子碎片化包含使所述离子直接光致碎片化或使所述离子光活化，随后通过进一步辐射和/或与缓冲气体碰撞和/或电子转移解离(ETD)和/或电子捕获解离(ECD)来诱导碎片化。
23.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述辐射所述离子包含用一或多个相同波长或不同波长的光脉冲辐射所述离子。
24.根据权利要求20所述的方法，其中所述辐射所述离子包含用UV、可见光和/或IR光，任选地用UV、可见光和/或IR激光来辐射所述离子。
25.根据权利要求20或21中任一权利要求所述的方法，其中所述辐射所述离子包含至少用UV光辐射所述离子。
26.根据权利要求20或16中任一权利要求所述的方法，其中所述辐射所述离子包含至少用IR光辐射所述离子。
27.根据权利要求20到23中任一权利要求所述的方法，其中所述辐射所述离子包含用来自不同波长的两个或更多个光源的光，任选地用两个或更多个激光依次或同时辐射所述离子。
28.根据权利要求24所述的方法，其中一个光源的所述波长为用于使离子碎片化的固定波长，而另一个光源具有用于调节所述离子的碎片化产量的可调波长。
29.根据权利要求25所述的方法，其中所述辐射所述离子包含用UV光和可调IR光，尤其用UV激光和可调IR激光依次或同时辐射所述离子。
30.根据任一前述权利要求所述的方法，其中记录所述碎片质谱是使用线性离子阱质量分析器、轨道阱质量分析器、FT-ICR质量分析器或TOF质量分析器来进行。
31.根据任一前述权利要求所述的方法，所述方法进一步包含用包含UV光和IR光的光辐射所述离子，其中调谐所述光以激发经同位素标记的分子的一或多个特定分子键，其中归因于所述激发的一或多个IR吸收谱带的检测用于鉴别所述分子。
32.根据任一前述权利要求所述的方法，其中归因于以下特定分子键中的一或多个的激发的IR吸收谱带的所述检测可用于鉴别所述相应分子实体：
i.经同位素标记的分子中的同位素标记的键，任选地为含有2D、13C、15N、18O等或其任何组合的标记的键；
ii.有机分子中的官能团或部分的键，任选地为以下中的一个的键：烃基、含卤素基团、含氧基团、含氮基团、含硫基团、含磷基团、含铁基团、含硒基团
iii.有机聚合物中的官能团的键，任选地，其中所述基团为磷酸化或糖基化基团等，任选地，其中所述分子为肽、或蛋白质、或DNA、或RNA、或经修饰肽、或经修饰蛋白质、或经修饰DNA、或经修饰RNA，任选地，其中所述经修饰肽或蛋白质为经翻译后修饰的；
iv.交联肽、或蛋白质、或其复合物、或DNA、或RNA中的连接子中的键，任选地，其中所述键为双硫键或所述连接子为人工引入的连接子；
v.肽、蛋白质或其复合物中的非共价键，任选地，其中所述非共价键为氢键，任选地，其中所述复合物为所述肽或蛋白质与一或多个水分子的复合物。
33.根据任一前述权利要求所述的方法，其中基于先前获取的数据和/或在实现一或多个预定条件后对所述方法的一或多个实验条件进行选择。
34.根据任一前述权利要求所述的方法，所述方法进一步包含将所记录的所述二维光谱标准化为前体离子的总数或通过所述质量分析器检测的总离子电流。
35.一种用于分析分子样品的设备，其包含：
用于由分子产生离子的离子产生器；
在所述离子产生器下游的用于接收所产生的所述离子的离子阱，其中所述离子阱被配置成冷却到低于环境温度的温度且提供有在所述低于环境温度下不会冷凝的气体以用于冷却所述离子；
光源，其用于在一或多个预定谱间隔内用在多个不同波长(λ)下的光辐射冷却后的所述离子，使用中在所述多个不同波长内扫描光的所述波长，以引起所述离子碎片化，由此形成碎片离子，其中所述光的波长可有所变化；及
用于对碎片离子进行质量分析的质量分析器，其中质量分析被配置成用于同时分析多个碎片离子。
36.根据权利要求35所述的设备，其中所述设备与色谱设备连接，所述样品借此含于来自所述色谱设备的溶离剂中。
37.根据权利要求35或36所述的设备，其中所述光源和质量分析器被配置成如下运作：使得对于每一相关色谱峰值而言，所述碎片离子的所述质量分析在所述光的多个波长(λ)中的每一个下进行，由此使得所述质量分析器的检测信号(I)与m/z和辐射波长(λ)的二维光谱能够针对所述色谱峰值得到记录。
38.根据权利要求35到37中任一权利要求所述的设备，其中所述离子产生器为大气压电离源。
39.根据权利要求35到37中任一权利要求所述的设备，其中所述光源包含一或多个紫外线UV、Vis或IR光的光源，任选地为激光光源，以辐射所述离子。
40.根据权利要求39所述的设备，其中所述光源中的至少一个被配置成引起所述离子碎片化。
41.根据权利要求39或40所述的设备，其中所述光源中的至少一个为可调的。
42.根据权利要求39到41中任一权利要求所述的设备，其中所述光源包含辐射所述离子的两个或更多个光源，其包括用于引起所述离子碎片化的第一光源和用于调节由所述第一光源引起的所述碎片化的另一个光源。
43.根据权利要求39到42中任一权利要求所述的设备，其中所述光源包含UV光源和IR光源，其中的至少一个为可调的。
44.根据权利要求35到43中任一权利要求所述的设备，其中所述设备包含至少一个光学窗口，其用于使来自所述光源的光透射到所述离子阱中。
45.根据权利要求35到44中任一权利要求所述的设备，其中通过离子光学件将所述离子阱连接到所述质量分析器和/或所述离子产生器，所述离子光学件包含至少一个仅RF型多极或至少一个静电离子弯曲装置，其中所述仅RF型多极或静电离子弯曲装置为弯曲的，使得在所述离子阱中捕获的离子与所述仅RF型多极或静电离子弯曲装置的出口之间不存在直接视线。
46.根据权利要求45所述的设备，其中所述至少一个仅RF型多极或至少一个静电离子弯曲装置使所述光源通过所述仅RF型多极或静电离子弯曲装置自由地辐射所述离子阱。
47.根据权利要求45或46所述的设备，其中所述离子阱位于所述仅RF型多极下游的离子光路的末端处。
48.根据权利要求35到47中任一权利要求所述的设备，其中所述离子阱为以下中的一个：线性RF多极阱、3D RF四极阱或环电极RF阱。
49.根据权利要求35到48中任一权利要求所述的设备，其进一步包含处于所述离子产生器下游的装置，其用于基于所述离子的物理化学性质选择所产生的所述离子，其中所述装置位于所述离子阱上游，任选地，其中所述装置选自：离子迁移率分离装置、FAIMS装置及质量选择器。
50.根据权利要求49所述的设备，其进一步包含处于所述离子产生器下游的用于质量选择所产生的所述离子的多极滤质器，其中所述滤质器位于所述离子阱上游。
51.根据权利要求35到50中任一权利要求所述的设备，其进一步包含碰撞室，其用于接收已通过光的所述辐射而被光活化的离子，其中所述碰撞室被配置成提供有缓冲气体，以通过离子与所述缓冲气体的碰撞来提高所述碎片化的产量。
52.根据权利要求35到51中任一权利要求所述的设备，其中所述质量分析器为以下中的一个：线性离子阱质量分析器、轨道阱质量分析器、FT-ICR质量分析器或TOF质量分析器。
53.根据权利要求35到52中任一权利要求所述的设备，其进一步包含数据获取系统，其用于记录来自所述质量分析的碎片质谱，所述碎片质谱包含在m/z值的预定范围内针对所述光的多个不同波长(λ)中的每一个的检测信号(I)与m/z的关系，由此记录所述检测信号(I)与m/z和辐射波长(λ)的二维相关性。
54.根据权利要求53所述的设备，在本文中所述数据获取系统用于由所述检测信号(I)与m/z和辐射波长(λ)的二维光谱测定所述分子中的至少一个的特性和/或所述样品中的不同分子的相对丰度。
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