CN109003875A - 一种基于串级质谱的质谱组织分析仪器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于串级质谱的质谱组织分析仪器，包括离子源发生装置、离子传输系统、双线性离子阱、离子检测装置和控制系统。每个样品点通过解吸附电离，离子经离子传输系统进入到第一个线性离子阱中并被存储，然后，在第一个线性离子阱中将目标母离子依次选出送入到第二个线性离子阱中，将其进行解离。随后，由离子检测装置对目标母离子和碎片离子进行质量分析，最终该样品点所有目标母离子及碎片离子被检测装置检测。本发明能够将每个采样点的目标物分子经解吸附电离产生的母离子充分地利用，能有效地对组织样品上的同分异构体进行质谱成像。

Description

一种基于串级质谱的质谱组织分析仪器及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种质谱仪器，具体涉及一种基于串级质谱的质谱组织分析仪器。

背景技术

质谱成像技术能够绘制出分子的空间分布。当前，质谱成像已被广泛地应用，包括局部组织中的分子分布可视化，组织依赖的新陈代谢研究，以及生物材料和生命系统之间的相互作用的研究。然而，利用质谱成像来研究局部生物化学还受到缺乏方法的阻碍，比如目前主流的方法还不能对许多检测到的分子进行有效的、自动化的结构鉴定。

质谱成像技术与高分辨率质谱的结合，例如，与傅里叶变换离子回旋共振质谱或轨道阱质谱的结合，可以为生物组织和细胞提供了更深入的了解。然而，它们很难为检测到的生物分子进行结构鉴定的质谱成像。

为了能够更深入地了解离子的信息和探究离子的结构或构象等，采用串联质谱的方法是一种常用的方法。串联质谱可以将目标物分子的特定离子选择出来，也即是隔离出来便于随后对离子的操作。串联质谱的目的是为了得到更多有关被选出来的母离子的信息，包括同分异构体的鉴定等。串联质谱通常涉及到解离方法包括有碰撞诱导解离、电子转移解离和光解离等。

尽管当前已经出现了带有串级质谱功能的质谱成像仪器，如基质辅助激光解吸附电离-飞行时间/飞行时间(MALDI-TOF/TOF)质谱仪。它能实现串级质谱功能，即对特定母离子进行碎裂，得到二级质谱图，从而得到母离子更多的信息，如可以实现同分异构体的成像。然而，这种仪器采用的是高速采集模式，即一个工作周期中，当激光脉冲解吸附电离起样品离子时，只选择性地选出一种目标物分子的母离子进行碎裂，然后采集得到其二级质谱图，而当前工作周期的其它离子都未利用到。因此，样品离子利用率很低。如何让质谱成像时在当前工作周期中得到采样点内更多的分子信息是一个亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种串级质谱的质谱组织分析仪器，能够解决每个采样点的母离子利用率低，实现选择性母离子的裂解，在对组织分析时，实现每个采样点的母离子充分地利用，能有效地对组织样品上的同分异构体进行质谱成像。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种基于串级质谱的质谱组织分析仪器，包括顺次连接的离子源发生装置、离子传输系统、双线性离子阱、离子检测装置和控制系统，离子源发生装置，用于将样品解吸附电离产生离子；离子传输系统，用于将离子源产生的离子传送到双线性离子阱；双线性离子阱包括同一轴向方向上间隔设置的第一电极、第一线性离子阱、第二电极、第二线性离子阱和第三电极，构成沿轴向方向的离子通道；控制系统能够调节双线性离子阱的射频电压、交流电压和直流电压，以将离子沿轴向方向传送到离子检测装置进行分析。

进一步的，控制系统对第一电极、第一线性离子阱、第二电极施加电压，以在第一线性离子阱捕获并储存离子；控制系统根据设定的目标母离子对第一线性离子阱施加辅助交流信号电压，以将目标母离子沿双线性离子阱的轴向方向传送至第二线性离子阱。

进一步的，控制系统对第一电极、第二电极施加高电平，对第一线性离子阱施加射频交流电压和直流电压，以在第一线性离子阱储存离子。

进一步的，离子源发生装置可以置于大气压或真空下，离子源发生装置采用激光解吸附电离源或解吸附电喷雾电离源；质谱分析仪器进样方式可以是连续或非连续，大气压下采用非连续进样装置。

进一步的，离子传输系统采用离子漏斗、四级杆、六极杆或八极杆。

进一步的，双线性离子阱采用四级杆线性离子阱。

进一步的，在第二线性离子阱将目标母离子裂解，目标母离子的裂解采用碰撞诱导解离、光解离、臭氧诱导解离或自由基诱导解离。

进一步的，离子检测装置为四级杆质量分析器、离子阱质量分析器或飞行时间质量分析器。

进一步的，控制系统控制离子源发生装置和离子传输装置的同步开启或关闭。

本发明质谱组织分析仪器的使用方法包括以下步骤：

步骤1：利用离子源发生装置对样品解吸附电离出离子；

步骤2：离子经离子传输系统进入第一线性离子阱中并被捕获和存储；

步骤3：根据目标母离子对第一线性离子阱施加辅助交流信号电压，依次将选定的目标母离子送入第二线性离子阱中，在第二线性离子阱中将目标母离子解离；

步骤4：利用离子检测装置对母离子和碎片离子进行质量分析；

步骤5：获取每个像素点的质谱图，得到质谱成像图。

本发明采用以上技术方案具有的优点是：有效地提高每个工作周期中采样点内的母离子的利用率，对于分子结构鉴定及分布的质谱成像应用有很大的意义。线性离子阱是串级质谱的有力工具，不仅可以将离子捕获存储，而且可以作为质量分析器。通过将每个采样点内的离子预先存储于线性离子阱中，然后逐一选择性地将目标物分子的母离子选出进行碎裂，采集得到对应的二级质谱图，从而实现每个采样点的母离子充分地利用。

本发明相比于传统的质谱成像仪器，不仅拥有串级质谱功能，采集得到其二级质谱图，实现对分子结构鉴定及分布的质谱成像。并且本发明能有效地提高每个采样点的母离子利用率。

附图说明

图1是本发明提供的质谱组织分析仪器的一个实施例的结构示意图；

图2是本发明提供的质谱组织分析仪器的另一个实施例的结构示意图；

图3是本发明一实施例的基于串级质谱的质谱成像过程流程图。

具体实施方式

在以下的描述中，将描述本发明的多个不同的方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其他情况下，为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。

下面结合附图和实施例对本发明一种基于串级质谱的质谱组织分析仪器做进一步阐述。

图1是本发明提供的一种基于串级质谱的质谱组织分析仪器的一个实施例的结构示意图。该质谱组织分析仪器包括离子源发生装置(激光解吸附电离装置101及相应的光学系统(激光器108、反射镜109、聚焦物镜110、光阑111))、离子传输系统(非连续进样装置(Discontinuousatmospheric pressure interface，DAPI))102、双线性离子阱(三个栅网直流电极(103、104、105)，两个共轴的四级杆线性离子阱(106、107))、离子源检测装置109和控制系统。

第一线性离子阱106和第二线性离子阱107位于同一轴向方向上且间隔设置，形成有相互连通的离子通道。在第一线性离子阱106的前端设有第一直流电极103，在第一线性离子阱106和第二线性离子阱107之间设有第二直流电极104，在第二线性离子阱107的后端设有第三直流电极105。两个线性离子阱106和107的四极杆上同时施加一定的射频交流电压Vrf和直流电压Udc。在第一直流电极103、第二直流电极104和第三直流电极105施加一定的直流电压之后，第一直流电极103、第二直流电极104与第一线性离子阱106可以构成一个用于囚禁离子的囚禁区域，第二直流电极104和第三直流电极105和第二线性离子阱107可以构成另一用于囚禁离子的囚禁区域。也可以在直流电极施加一定的直流电压实现对离子进行加速或者减速，换言之可以帮助实现离子的导引。控制系统用于对系统其他部件施加电压，以控制离子的运动。

质谱分析仪器的工作过程大致如下，真空腔100通过非连续进样装置102与外部常压环境连接,通过控制系统控制非连续进样装置102的开启来引入待分析样品离子。质谱分析仪器的控制系统控制激光器108与非连续进样装置102同步开启或关闭。一个工作周期内，非连续进样装置102开启的同时，控制系统对第一直流电极103施加低电平、对第二直流电极104施加高电平，并且对第一线性离子阱106施加射频交流电压和直流电压以让离子进入第一线性离子阱；非连续进样装置102关闭的同时控制系统对第一直流电极103施加高电平、对第二直流电极104施加高电平，以此使得进入真空腔中的样品离子存储在第一线性离子阱106中。然后，选定目标离子，控制系统对第一线性离子阱106施加辅助交流电压以及稍降第二直流电极104的电压，将目标离子沿交流共振的轴向(即双线性离子阱的轴向)传输。不同质荷比的目标母离子对应着不同的辅助交流信号，以此将存储于第一线性离子阱106中不同质荷比的目标母离子依次传输到第二线性离子阱107中。每次传送完一种目标母离子后，控制系统对第二线性离子阱107施加射频交流电压和直流电压，同时对第三直流电极105施加高电平，以此使得该目标母离子短暂囚禁于第二线性离子阱107中，进行碰撞解离。接着，控制系统通过对第二线性离子阱107施加扫描射频电压和交流电压，同时降低第三直流电极105电压，使得目标母离子及碎片离子从第二线性离子阱107的轴向离子通道流出,通过离子检测装置109将不同质荷比离子信号放大,质谱分析仪器控制系统将该信号采集到计算机中。以此让所有存储于第一线性离子阱106中不同质荷比的目标母离子逐一在第二线性离子阱107中个实现碰撞解离，从而得到不同目标母离子的串级质谱图，实现经解吸附电离产生的目标分子母离子的充分利用。

解离的目的是为了进行待测目标物的结构分析鉴定，如同分异构，即它的母离子的质荷比m/z是一样的，如果直接进行质量分析就区分不了里面是否含有同分异构体或含有哪种同分异构体，但若将母离子进行解离，由于同分异构体的结构不同，则相同的质荷比m/z的母离子也会得到不同的碎片离子，因此可以实现待测目标物的结构分析鉴定。目标母离子解离是由于受到电场的作用，内能增大达到激发解离能态。碎片离子在第二线性离子阱中产生，是当目标母离子传入到第二线性离子阱中时产生的。

图2是根据本发明一种基于串级质谱的质谱组织分析仪器的另一实施例的结构示意图。该质谱分析仪器包括离子源发生装置(激光解吸附电离装置201及相应的光学系统(激光器208、反射镜209、聚焦物镜210、光阑211))、离子漏斗202、双线性离子阱(包括三个栅网直流电极(212、213、214)，第一线性四级杆离子阱203，第二线性四级杆离子阱204)、离子检测装置(飞行时间质量分析器(包括推射级205、反射级206、MCP检测器207))和控制系统。

本实施例采用真空激光解吸附电离源，采用离子漏斗202作为离子传输系统，采用两个四级杆线性离子阱，质量分析器采用飞行时间质量分析器。其中，四级杆204真空腔的真空度可达10^-5mbar，飞行管真空腔215的真空度可达10^-7mbar。样品置于高精度三维电动样品平台上，样品靶上所加电压为3kv。电离源采用了一个脉冲调Q固体激光器，波长为355nm，频率为1kHz,单脉冲能量最高可达100uJ。激光通过窗片后再经聚焦物镜后在靶面上的光斑直径大小约为～20μm。一个工作周期内，三维电动样品平台的移动及激光器的触发通过线性离子阱的注入起始时间触发，然后这个触发信号输入到数字延时/脉冲发生器中，同步后续工作时序。整个工作流程如下：一个工作周期内，首先，控制系统在线性离子阱注入时间内开启激光，每个样品点通过激光解吸附电离；控制系统对离子漏斗202施加一定的射频电压、对第一线性离子阱203施加一定的射频交流电压和直流电压，离子经离子漏斗202进入到第一线性离子阱203中并被捕获并存储。延时一小段时间后控制系统关闭激光，停止离子注入第一线性离子阱203。控制系统对第一、二电极的控制与上一实施例相同。然后，控制系统选定目标母离子，在第一线性离子阱203中将不同质荷比的目标物母离子依次通过对第一线性离子阱203施加不同的辅助交流电压将目标母离子依次沿交流共振轴向传送，以此将不同质荷比的目标母离子依次从第一线性离子阱203传输到第二线性离子阱204中，进行碰撞诱导解离，碰撞气体为氮气。随后，控制系统降低第二线性离子阱204的直流电极电压，使得目标母离子及碎片离子从第二线性离子阱204的轴向离子通道流出到飞行时间质量分析器205进行检测。以此让所有目标物分子的母离子在第二线性离子阱204中进行碰撞诱导解离。最终该样品点所有存于线性离子阱中目标物分子的母离子及碎片离子被飞行时间质量分析器205检测，这样循环到得到每个像素点内不同母离子的串级质谱图，以此采集不同像素点的质谱图，最终得到质谱成像图。

根据本发明一个实施例的基于串级质谱的质谱成像过程流程图如图3所示。首先，每个样品点通过激光解吸附电离，离子经离子传输系统进入到第一个线性离子阱中并被捕获。然后，在第一个线性离子阱中将所目标物分子的母离子依次选出进入到第二个线性离子阱中进行碰撞解离，选择性母离子的裂解方式可以采用碰撞诱导解离，也可以采用光解离，臭氧诱导解离或自由基诱导解离。随后，对母离子和碎片离子的进行质量分析并由离子检测装置检测。以此让所有目标物分子的母离子在第二个线性离子阱中进行解离，最终该样品点所有目标物分子的母离子及碎片离子由质量分析器进行检测，得到每个像素点的串级质谱图。以此采集不同像素点的质谱图，最终得到质谱成像图。

下面是一个基于本发明的生物组织中磷脂碳碳双键同分异构体的质谱成像实施例。样本为鼠脑组织切片，利用基于光化学反应(Paternò–Büchi反应)和串联质谱结合的不饱和脂质结构鉴定分析技术，先将组织切片中的脂类衍生。采用二苯甲酮作为衍生剂。设置质谱扫描范围为100-1000m/z。可以预先采集组织切片的全谱，观察组织切片中感兴趣的分子的含量情况等。然后设置基于串级质谱的质谱成像的主要参数，如目标物分子的母离子，线性离子阱注入时间，碰撞能量，采集时间等。举一例子，对组织切片中磷脂分子PC 16:0_18:1，PC18:0_18:1和PC 18:1_18:1的碳碳双键同分异构体进行质谱成像。PC 16:0_18:1含有一个碳碳双键，其双键的位置可能在18碳链上Δ9位或Δ11位上，正模式下[M+H]⁺为m/z760.6。PC 18:0_18:1含有一个碳碳双键，其双键的位置可能在18碳链上Δ9位或Δ11位上，正模式下[M+H]⁺为m/z 788.6。PC 18:1_18:1含有两个碳碳双键，其双键的位置可能在18碳链上Δ6位或Δ9位上。而PC16:0_18:1，PC 18:0_18:1和PC 18:1_18:1的二苯甲酮衍生产物分别为m/z 924.7，m/z 970.7和m/z 968.7。每个采样点的工作周期为1s，第一线性离子阱的离子注入时间为50ms。每个工作周期内控制系统在离子注入完后50ms设置依次间隔200ms施加对应于m/z 924.7，m/z 970.7和m/z 968.7的共振频率的交流辅助信号至第一线性离子阱中。注入时，控制系统对第一线性离子阱施加的射频电压幅值为350V，频率为980kHz，其中对第一直流电极施加的电压为0V，对第二直流电极施加的电压为30V，注入完成后对第一直流电极施加的电压为30V。传送时，第一线性离子阱施加的射频电压幅值为350V、频率为980kHz，第二线性离子阱施加的射频电压幅值为300V、频率为1020kHz，其中第一直流电极施加的电压为30V，第二直流电极施加的电压为25V，第三直流电极施加的电压为25V，对第一线性离子阱施加交流辅助信号电压(频率34.1kHz、幅值为200mV)传送m/z924.7的母离子到第二线性离子阱进行解离，而其他母离子仍保存在第一离子阱中；然后对第一线性离子阱施加交流辅助信号电压(频率为32.3kHz、幅值为200mV)传送m/z 970.7的母离子到第二线性离子阱进行解离，其他母离子仍保持在第一离子阱中；再对第一线性离子阱施加交流辅助信号电压(频率32.5kHz、幅值为200mV)传送m/z 968.7的母离子到第二线性离子阱进行解离。利用交流共振将目标母离子m/z 924.7、m/z 970.7和m/z 968.7分别传入到第二线性离子阱中进行碰撞诱导解离后，通过离子检测装置检测到母离子及其碎片离子。分析质谱图，若对应于母离子为PC 16:0_18:1时，碎片离子中有m/z 650.5和m/z800.6，则为双键在Δ9位上，碎片离子中有m/z 678.5和m/z828.6，则为双键Δ11位上。同理，对于PC 18:0_18:1，若碎片离子中有m/z 678.5和m/z 828.6，则为双键在Δ9位上，若碎片离子中有m/z 706.5和m/z 856.6，则为双键Δ11位上。对于PC 18:1_18:1，若碎片离子中有m/z 633.8和m/z 784.0，则为双键在Δ6位上，若碎片离子中有m/z 675.9和m/z 826.1，则为双键Δ9位上。以此在循环采集得到每个像素点内不同母离子的串级质谱图。最终得到PC16:0_18:1，PC 18:0_18:1和PC 18:1_18:1的碳碳双键同分异构体质谱成像图。从而可以了解到不同碳碳双键同分异构体在组织片上的分布情况。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于串级质谱的质谱组织分析仪器，包括顺次连接的离子源发生装置、离子传输系统、双线性离子阱、离子检测装置和控制系统，其特征在于：

所述离子源发生装置，用于将样品解吸附电离产生离子；

所述离子传输系统，用于将离子源产生的离子传送到所述双线性离子阱；

所述双线性离子阱包括同一轴向方向上间隔设置的第一电极、第一线性离子阱、第二电极、第二线性离子阱和第三电极，构成沿轴向方向的离子通道；

所述控制系统能够调节所述双线性离子阱的射频电压、交流电压和直流电压，以将离子沿所述轴向方向传送到所述离子检测装置进行分析。

2.根据权利要求1所述的质谱组织分析仪器，其特征在于：所述控制系统对所述第一电极、第一线性离子阱、第二电极施加电压，以在第一线性离子阱捕获并储存所述离子；所述控制系统根据设定的目标母离子对第一线性离子阱施加辅助交流信号电压，以将所述目标母离子沿所述双线性离子阱的轴向传送至第二线性离子阱。

3.根据权利要求2所述的质谱组织分析仪器，其特征在于：所述控制系统对所述第一电极、第二电极施加高电平，对所述第一线性离子阱施加射频交流电压和直流电压，以在第一线性离子阱储存所述离子。

4.根据权利要求1所述的质谱组织分析仪器，其特征在于：所述离子源发生装置可以置于大气压或真空下，所述离子源发生装置采用激光解吸附电离源或解吸附电喷雾电离源；所述质谱分析仪器进样方式可以是连续或非连续，大气压下采用非连续进样装置。

5.根据权利要求1所述的质谱组织分析仪器，其特征在于：所述离子传输系统采用离子漏斗、四级杆、六极杆或八极杆。

6.根据权利要求1所述的质谱组织分析仪器，其特征在于：所述双线性离子阱采用四级杆线性离子阱。

7.根据权利要求1所述的质谱组织分析仪器，其特征在于：在所述第二线性离子阱将所述目标母离子裂解，所述目标母离子的裂解采用碰撞诱导解离、光解离、臭氧诱导解离或自由基诱导解离。

8.根据权利要求1所述的质谱组织分析仪器，其特征在于：所述离子检测装置为四级杆质量分析器、离子阱质量分析器或飞行时间质量分析器。

9.根据权利要求1所述的质谱组织分析仪器，其特征在于：所述控制系统控制所述离子源发生装置和离子传输装置的同步开启或关闭。

10.根据权利要求1所述的质谱组织分析仪器的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：利用离子源发生装置对样品解吸附电离出离子；

步骤2：离子经离子传输系统进入第一线性离子阱中并被捕获和存储；

步骤3：根据目标母离子对第一线性离子阱施加辅助交流信号电压，依次将选定的目标母离子送入第二线性离子阱中，在第二线性离子阱中将所述目标母离子解离；

步骤4：利用离子检测装置对母离子和碎片离子进行质量分析；

步骤5：获取每个像素点的质谱图，得到质谱成像图。