CN109073595B - 干扰离子迁移质谱法和测量选定离子的离子迁移率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了分析离子群的方法。某些方面包括：将连续气相离子束引导到配置在离子迁移谱仪内的漂移管的入口中；在干扰时间范围内干扰所述连续气相离子束的流动，以引起一个或多个配置的干扰；配置所述漂移管以使所述一个或多个干扰可由于迁移率的差异而分离；在质谱仪的入口处接收多个离子和所述一个或多个干扰；记录表示所述多个离子的原始数据；以及重建所述原始数据以获得所述多个离子的一个或多个质荷，以及一个或多个离子迁移谱。

Description

干扰离子迁移质谱法和测量选定离子的离子迁移率的方法

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119要求于2016年3月2日提交的第62/302,250号的美国临时申请的优先权。上述申请的全部公开内容通过引用结合于此作为参考。

技术领域

本申请涉及离子迁移质谱(IMMS)领域。具体来讲，本发明涉及一种干扰离子迁移质谱(PIMMS)方法和系统，用于增强例如离子效率，从而使用这种仪器提高灵敏度。

背景技术

已经广泛证明了离子迁移谱(IMS)用于离子分离的实用性，但IMS与质谱(MS)结合仍然是一种利基技术，主要是因为在技术组合内由于离子损耗导致的灵敏度损耗。特别地，由于分离技术的速度，IMS仍然是与MS耦合的所需和期望的技术。具体地，IMS利用了不同颗粒以不同速度通过气体扩散的有益方面，这取决于它们与引入的气体分子的碰撞截面。当中性粒子随机扩散(通过布朗运动)时，施加电场中的离子在限定的方向上漂移，其速度受其迁移率(K)控制。这样的量通常随场强E而变化，但IMS通常在低场区域中运行，其中K(E)基本恒定。在该限制下，K取决于离子/缓冲气体碰撞截面Ω，这使不同离子的空间分离。

测量尺寸-电荷比的IMS概念也有利地与测量质荷比(m/z)的质谱(MS)原理互补。当与MS结合时，离子迁移率-质谱(IMMS)代表了能够基于尺寸和质荷比区分离子的强大的分析组合。特别有益的IMS分析工具是基于能够快速筛查乘客、货物和周围环境的麻醉剂、爆炸物和化学战剂的漂移管离子迁移谱仪(DT-IMS)。DT-IMS还可用作探测气相离子化学、动力学和选择条件下气相离子构象的信息工具。DT-IMS是指所有离子迁移率分离设备，其中，它们根据离子迁移率使离子在不同时间到达探测器；有时通过不同的名称或缩写来称呼这些设备，例如，行波离子迁移率分离设备。然而，与许多时间分散技术一样，当使用DT-IMS仪器时，与占空比相关的挑战非常普遍。大多数DT-IMS实验中的操作循环通常大约<1％，且离子通过量的这种限制自然会影响灵敏度。尽管存在这种限制，但一系列供应商已经开始为研究界生产一系列基于移动的仪器，包括DT-IMS系统，这种接入进一步推动了该技术的应用。虽然这些离子迁移率-质谱(IMMS)仪器能够为广泛的研究人员提供支持，但它们仍然受到占空比和灵敏度的限制，这限制了它们的最终潜力。这些典型的折衷决不是新问题，但公众完全采用的解决方案很少。

应用于解决占空比问题的特定解决方案包括多路复用方法，比如，傅里叶和哈达玛脉冲方案，其独立地增强离子迁移率光谱(IMS)实验的吞吐量。然而，历史上，例如，FT-IMS实验从未实现理论所建议的完整信噪比(SNR)潜力。因此，当与离子迁移质谱(IMMS)仪器一起使用时，使用这些技术的大规模实施仍然存在挑战。

因此，需要一种混合干扰离子迁移质谱(PIMMS)系统和方法，能够在保持等效分辨率的同时增加系统的占空比和灵敏度。在本发明的实施例中，将离子连续引入配置的离子迁移谱仪的漂移管单元中，然后周期性地干扰连续离子束，且干扰继续穿过管，其中迁移率与离子束中的离子匹配。通过监测质谱仪中离子的消失，重建离子迁移谱，并测量离子的大小(其迁移率)作为其质量的函数。除了操作循环上的改进之外，干扰IMMS还可与MSMS技术一起使用，并特别适用于耦合到色谱分离仪器和方法。

发明内容

本发明的一个特别的方面涉及一种用于分析离子群的干扰离子迁移率质谱仪方法，所述方法包括：将包含多个离子的连续气相离子束引导到配置在离子迁移谱仪内的漂移管的入口中；在干扰时间范围内干扰所述连续气相离子束的流动，以引起所述连续气相离子束的一个或多个配置的干扰；将所述漂移管配置成允许所述一个或多个干扰由于所述多个离子的迁移率的差异而分离；在质谱仪的入口处接收所述多个离子和所述一个或多个干扰；记录指示所述质谱仪接收的所述多个离子的原始数据，所述原始数据包括：所述多个离子的质荷比、由所述一个或多个干扰引起的所述多个离子的强度变化和所述一个或多个干扰的到达时间；以及重建所述原始数据以获得一个或多个质荷，以及所述多个离子的一个或多个离子迁移谱。

本发明的另一个实施例涉及一种用于分析离子群的干扰离子迁移率质谱仪装置，所述装置包括：漂移管，所述漂移管被配置为所述离子迁移谱仪的一部分，其中所述漂移管还被配置成接收包含多个离子的连续气相离子束；离子门，所述离子门被配置成在所述漂移管内引起所述连续气相离子束的流动的一个或多个干扰，其中所述漂移管还被配置成允许所述一个或多个干扰由于所述多个离子的迁移率的差异而分离；质谱仪，所述质谱仪被配置成接收所述多个离子的至少一部分和所述一个或多个干扰；以及一个或多个传感器和一个或多个电子设备，所述一个或多个传感器和一个或多个电子设备用于记录指示所述质谱仪接收的所述多个离子的原始数据，所述原始数据包括：所述多个离子的质荷比、由所述一个或多个干扰引起的所述多个离子的强度变化和所述一个或多个干扰的到达时间。

因此，本发明的方法提供了系统和方法，其中离子作为脉冲被引入所述离子迁移谱仪的漂移区，且所述离子束的干扰由迁移率分离。所述离子束中的这种干扰可以是间隙、波形或甚至信号强度的增加。通过监测质谱仪中离子的消失，重建离子迁移谱，并可测量离子的大小(其迁移率)来作为其质量的函数。所述干扰IMMS方法将占空比从标准脉冲技术中的典型1％增加到99％以上。为了说明，在传统IMMS仪器方法中，使用75毫秒(ms)作为光谱长度并具有配置的0.1ms离子门脉冲宽度的，传统IMMS仪器方法中，离子效率为0.1/75＝0.133％。相反，如本发明所公开的，使用具有每个光谱75ms并具有0.1ms的干扰(离子流的时间停止)的干扰IMMS，离子效率为74.9/75＝99.867％。因此，作为令人惊讶的结果，本发明的实施例提供的离子效率的改进为74.9/0.1＝749倍，这也使信噪比的数量得到改善。

此外，由于IMMS的占空比得到改善，因此PIMMS能够与MSMS技术和独立的IMS仪器一起使用。此外，PIMMS特别适用于将IMMS与色谱分离方法和系统相结合。

附图说明

图1示出了与紧凑型飞行时间质谱仪接口连接的单门离子迁移漂移管的一个示例性实施例。

图2A示出了使用1080μs的门控脉冲宽度的本实施例的强度与漂移时间(以毫秒为单位)的干扰IMMS模式谱图。

图2B示出了强度与漂移时间(以毫秒为单位)的重建干扰IMMS模式图。

图2C示出了当以600μs的门控脉冲宽度操作时，强度与漂移时间(以毫秒为单位)的正常信号平均脉冲模式图。

图3A示出了如本发明所公开的，在干扰操作模式下各种四烷基铵(TXA)离子的同位素比。

图3B示出了在正常脉冲模式下各种TXA离子与各种门控脉冲宽度的同位素比，以与图3A示出的数据进行比较。

图4示出了干扰离子迁移质谱的数据处理操作流程，该数据包括：原始数据402的快速傅里叶变换、应用于频域的低通滤波器、获得去噪频谱的反相FFT，并反转光谱以获得规则的离子迁移谱。

图5A示出了四烷基铵光谱(T5A)，以与正常脉冲操作模式下的分辨率进行比较示出使用干扰模式提供分辨率的能力。

图5B示出了四烷基铵光谱(T7A)，以与正常脉冲操作模式下的分辨率进行比较示出使用干扰模式提供分辨率的能力。

图5C示出了四烷基铵光谱(T10A)，以与正常脉冲操作模式下的分辨率进行比较示出使用干扰模式提供分辨率的能力。

图5D示出了四烷基铵光谱(T12A)，以与正常脉冲操作模式下的分辨率进行比较示出使用干扰模式提供分辨率的能力。

图5E示出了使用PIMMS来测定莱克多巴胺非对映异构体分辨率的强度与漂移时间(以毫秒为单位)的图，以示出本实施例的分辨能力(即，分辨率)。

图6A仅示出了质量模式的传输强度效率(即开放模式)，以提供在仅质量、正常脉冲模式和干扰操作模式之间的四烷基铵的质谱强度比较。

图6B示出了正常脉冲模式门控周期中的传输强度效率，以提供在仅质量、正常脉冲模式和干扰操作模式之间的四烷基铵的质谱强度比较。

图6C示出了干扰模式下的传输强度效率(即开放模式)，以提供在仅质量、正常脉冲模式和干扰操作模式之间的四烷基铵的质谱强度比较。

图7示出了正常脉冲操作模式和干扰操作模式下不同四烷基铵离子的相对离子传输效率，以示出离子门耗尽的影响。

具体实施方式

在本发明的描述中，应了解，除非隐含或明确地理解或另有说明，否则以单数出现的词包含其复数对应词，并且以复数词出现的词包含其单数对应词。此外，应了解，对于本发明所述的任何给定组件或实施例，除非隐含或明确地理解或另外说明，否则对于该组分列出的任何可能的候选物或替代物通常可单独使用或彼此组合使用。另外，应理解，除非隐含地或明确地理解或另外说明，否则这些候选或替代的任何列表仅仅是说明性的而非限制性的。此外，应了解，本发明所示的附图不一定按比例绘制，其中可以仅为了本发明的清楚而绘制一些元件。而且，在各个附图中可以重复附图标记以示出对应或类似的元件。另外，除非另有说明，否则在说明书和权利要求中使用的表示成分、组成、反应条件等的数量的数字应理解为由术语“约”修饰。

相应地，除非表示相反，否则说明书和所附权利要求中所阐明的数字参数是近似值，其可根据本发明呈现主题所获得的预期特性而变化。最起码，以及并非意欲限制对等同于权利要求书的范围的应用原则，各数值参数应当至少按照具有所报道的有效位数的数值并采用一般舍入技术来理解。尽管为本发明呈现主题限定了较宽范围的数字范围和参数为近似值，但是在具体示例中所记录的数字值尽可能为精确值。但是，任何数字值都包含某些由各测试量度中标准差所造成的固有误差。

一般说明

漂移管离子迁移谱(DT-IMS)可在不同的压力条件下操作，从环境到真空；在本发明中。除了传统的离子迁移质谱之外，本发明的示例性实施例还涉及一种新颖的方法和混合系统。特别地，如本发明所公开，本发明的系统和方法将离子连续地引入配置的离子迁移谱仪的漂移管单元(环境或真空压力配置)中，随后周期性地通过在非常短的时间周期内切断离子电流来干扰连续离子束。通常，连续离子束的流动的偏转、调制、中断、斩波或干扰(即，perturbing或perturbation)是通过使用电驱动装置来完成，如本发明所示，由脉冲发生器控制以产生很短干扰时间周期。根据离子束中离子的匹配迁移率(或漂移时间)，干扰继续穿过管。

当IMS单元中存在几种离子时，由于单元中离子迁移率的差异，这些干扰得到分离。干扰可导致离子损耗仅0.05％至约1％，留下超过99％的总离子用于连续电离源的检测，这是传统技术的巨大改进。然后将离子束及其迁移率分离的干扰引导到质谱仪中。在质谱仪中基于它们的质荷比来记录离子，并记录由干扰引起的强度变化以及离子干扰时间的到达时间。然后基于强度变化、干扰间隔和干扰周期来重建离子迁移谱。应用于多种类型的离子迁移质谱仪的这种方法有利地导致灵敏度从至少100倍到14000倍的改善而不损失离子迁移谱仪的分辨能力。

因此，本发明的基础涉及提供离子检测效率并因此使用本发明公开的混合仪器来提高迁移率测量的灵敏度。此外，本发明的实施例还能够与有益的色谱方法结合而不牺牲灵敏度，诸如但不限于：超高效液相色谱法、高效液相色谱法、气相色谱法、超临界流体色谱法、毛细管电泳法等。定性分析的效率和准确性也得到了提高。

具体说明

图1示出了干扰离子迁移质谱(PIMMS)的一个示例性实施例，该干扰离子迁移质谱通常通过附图标记100指定，并包括离子迁移谱仪101，与质谱仪102耦接，并被配置成根据本发明公开的配置方面进行操作。虽然图1中的系统100有助于说明目的，但应理解，当使用本发明公开的干扰离子迁移率质谱(PIMMS)方法时，也可结合本领域已知的其他替代商业和定制离子迁移率和质谱仪配置和各种部件。

尽管如此，图1所示的注意的组成部分包括离子源2、前述离子迁移谱仪101和质谱仪，该质谱仪作为本发明公开的一个示例性仪器是一种飞行时间(TOF)光谱仪102。应了解，虽然图1示出了可包括反射器142的TOF 102，但也包括其他类型的质谱仪(例如，四极质量分析器、二维离子阱、三维离子阱、飞行时间(TOF)轨道阱和FT-ICR设备等)。

图1所示的离子迁移谱仪(IMS)101也通常包含如本领域中已知长度为X的加热去溶剂化区105、长度为X’的漂移区108、与离子迁移质谱仪接口(IMMS)120耦接的干扰装置110(例如，Bradbury-Nielsen离子门)。

操作中，最初可使用本领域普通技术人员已知和理解的任何适用技术将含有一种或多种目标分析物的样品通过离子源2进行电离。虽然图1示出了作为示例性离子源2的电喷雾离子化(ESI)配置，但还可包含提供目标离子的各种其他配置。示例性离子源包括但不限于：大气压电离(API)、大气压化学电离(APCI)、纳电喷雾离子化(NanoESI)、热喷射电离、电子轰击(EI)电离、化学电离(CI)源、EI/CI组合电离源、电晕放电源或可使用而不偏离本发明范围的任何其他源。

转而参照图1，所产生的离子流被推动通过一系列腔室，这些腔室通常但不一定是利用许多离子光学器件逐渐减小的压力，如本领域中已知的那样，这些离子光学器件操作地引导这些离子以提供所需的传输效率。通常如图1所示，各个腔室通常与相应的端口32、33、34、35和36(在图中用箭头表示)连通，这些端口与一组泵(未示出)耦接以将压力保持在所需值。为了说明目的，对于与端口32耦接的腔室，非限制性示例压力约为712Torr，对于与端口33耦接的腔室，该压力约为1.5-3Torr，对于与端口34耦接的腔室，该压力约为10^{- 3}Torr，对于与端口35耦接的腔室，该压力约为10^-6Torr，且对于与端口36耦接的腔室，该压力约为10^-7Torr。非限制性示例去溶剂化长度X约为10cm，且对于图1中所示的IMS部分101，漂移区X’的示例长度约为21.5cm。虽然上文公开了这些压力，但还应注意，漂移管区域108和相应的端口32还可被配置成在需要时在环境或真空压力情况下操作，这也符合本发明实施例的范围和精神。

通常，经由干扰装置110的干扰被施加到由离子源2产生的离子流。本发明使用的干扰装置110，作为有益的非限制性示例，包括交替地提供有不同电位的紧密排列的导线的配置网格。在操作中，离子流被吸引到具有配置电势的导线，并且因此进行放电而阻挡离子流以对离子流提供干扰。如果系统100按照图1所示的控制器/PC 15去除了电位，则将门110切换到打开状态，其中离子作为连续离子流进入漂移区108的剩余部分，并通过由环形电极113(为简单起见而表示)所提供的电场拉过漂移区。

上述干扰装置110按照惯例是配置的Bradbury-Nielsen门。然而，应注意，这样的配置也可用其他合适的装置来代替，以干扰(扰乱)IMS 101的漂移区108内的离子流。例如，这些其他合适的装置包括机械控制设备，比如，转子驱动的离子快门(ion shutter)或替代的电驱动设备，比如，到漂移场的反向电场(廷德尔门)。此外，干扰设备还可以是配置的离子阱、离子推动器或根据本文公开的实施例可在短时间内存储或排出离子或甚至可配置要调制的ESI源的其他设备。

如上所述，控制器/PC 15提供了用于门110干扰的信号，并用于解析(即，使用信号处理)由耦接的飞行时间(TOF)仪器102启用的信息。关于TOF 102，如图1所示，当离子进入TOF并沿路径52引导离子时，通过检测器42(例如，多通道板)来接收离子电流并进行放大(即，通过前置放大器44)。此后，通过控制器/PC 15，放大的离子电流信号被存储为数字信息(例如，使用数字转换器)以及使用定制但更常见的商业软件(例如，Igor)和本发明公开的转换方法处理的信号，例如，使用本发明普通技术人员已知和了解的傅里叶和/或哈达玛变换或其他方法(例如，巴克码)。

控制器/PC和数据采集系统本身(通常用数字15表示)应注意已知类型的各种电路。对于本发明公开的示例性配置，这种控制和数据系统可实现为以下内容中的任何一个或组合：通用或专用处理器(数字信号处理器(DSP)、固件、软件、图形用户接口(例如LabVIEW)和/或硬件电路，以提供仪器控制、RF和DC电源以及数据分析等。

还应了解，操作图1所示系统的指令包括：启用所需的RF和DC电压、通过本领域已知的泵送装置来控制压力、识别m/z值、漂移时间、离子的截面积、数据的合并、向用户导出/显示/输出结果等，这些指令可通过例如控制器/PC 15来执行，该控制器包括用于提供系统100的指令和控制功能的硬件和软件逻辑。

另外，如上所述，这样的指令和控制功能也可由系统100来实现，如图1所示，该系统被配置成经由机器可读介质(例如，计算机可读介质)进行操作。根据本发明的各个方面，计算机可读介质指本领域普通技术人员已知和理解的介质，该介质中具有以机器/计算机可读取(即扫描/感测)并由机器/计算机的硬件和/或软件解析的形式提供的编码信息。

在图1所示的系统100的一般操作中，配置成约45度的离子源2(通常是电喷雾离子化源(ESI))提供所需的离子。使用本领域已知的任何门(例如，门111)对这些离子进行门控(允许通过)进入去溶剂化区105，以基本上去除水分子团(water cluster)并使气态分析物去溶剂化，从而有助于改善给定的MS谱内的信噪比。可通过温度保持在50-500℃的0.1-5L/min的气体之间的恒定逆流流动来辅助离子的去溶剂化。适用于IMS仪器的任何气体(或其混合物)可用于实施本发明的方面，例如但不限于氮气、二氧化碳、氧气、一氧化二氮、惰性气体、六氟化硫及其组合。

通常如图1所示，漂移区108以及去溶剂化区105包括配置为不同的导电漂移环组的电极113。使用上述干扰装置110(如系统100所指示)，使用本发明公开的方法，使离子进入漂移区108。然后，这种被允许的离子可在由电极113提供的构造电场下以漂移区域108内的各个特征速度进行移动(漂移)。

在离开漂移区108之后，离子被引导到减压区域接口(即，与端口33耦接的腔室)，该接口的总称为离子迁移质谱仪接口(IMMS接口120)。通常如图1所示，IMMS接口120包括用于推动离子的电极引导件(例如，四极杆121和离子光学器件122)，在被图1所示的TOF 102接收之前，这些离子最终被引导通过针孔(通常用数字123表示)。应注意，图1中所示的系统100的配置示出了IMS 101的轴179，该轴垂直于TOF 102仪器并且因此垂直于飞行离子飞行路径52。虽然这种配置在某些方面是有益的，例如，进入TOF 102的离子加速区域的离子包更可能具有恒定且更明确的初始离子位置，但应注意，在不脱离本发明的范围的情况下，也可使用非垂直配置。

此后，如本发明普通技术人员所知，TOF 102用于根据离子的个体质量及时分离离子。通常，质量较小的离子将比具有较大质量的离子更快地到达检测器42。检测器42被配置成接收离子的到达时间、干扰间隔和干扰时间，以提供与这些离子、干扰间隔和干扰时间相对应的信号，其中如本文所公开，控制器/PC可使用信号处理方法对接收信号进行操作。

再次如上面简要讨论，通过使用干扰装置110周期性地对IMS 101设备中的离子流施加干扰，产生了离子束中的间隙。因此，使用本发明的教导，最小离子电流信号的位置表示离子包的迁移率，而不是作为脉冲进入离子迁移谱仪101的漂移区108并通过它们的迁移率进行分离。通过以这种方式周期性地干扰进入的离子流，可监测干扰的离子电流以使m/z基础上的离子电流的减少与目标分析物的迁移率相关联。具体地，m/z的附加量纲(dimension)使得可通过应用m/z特定信号处理方法来重建迁移率并进一步增强信号。在实践中从未实现这种整体结构和整体方法。

为了帮助读者理解本发明的可能的各种实施例，当考虑设计干扰离子迁移质谱仪器与本发明中的信号重建方法相结合时，以下内容提供参考，其旨在仅是说明性的而不是对其进行限制。

示例

离子迁移质谱仪的干扰

如图1所示，使用示例性离子迁移系统100进行信号处理实验，从而能够与紧凑的飞行时间质谱仪(TOF-MS、TOFWERK、Thun、Switzerland)接口连接。如上面简要讨论，基于叠环漂移管设计的该仪器/系统100能够在约100至250℃的温度以及约350V/cm的均匀电场下操作。可以约1L/min和大气压在漂移室的出口处引入高纯度干燥氮气的逆流流动。在使用电喷雾离子化源(ESI)2进行离子化之后，离子在遇到干扰装置(BN-门)110之前穿过短的去溶剂化区。IMS 101和MS 102的TOF区之间的接口包括直径为300μm的针孔喷嘴。在保证的情况下，接口内的压力可分两个阶段来降低，从接口内的大气压力(大约950毫巴)降到2-4毫巴。质谱仪102以V模式操作以实现更高的灵敏度和更高的采样率来跟上离子迁移率分离的速度。

使用两个99％氧化铝环(50mm内径(ID)×58mm外径(OD)×3.5mm厚)来构造干扰装置(例如，BN-门)110框架，该框架用于保持由Alloy-46(California Fine Wire Co.，Grover Beach，CA)制成的两组电隔离的平行导线。导线的直径约为75μm，BN门110的间距为0.64mm。使用由Cotronics(Resbond 940，Brooklyn，NY)提供的高温陶瓷环氧树脂将整个门组件保持在一起。

对用于干扰装置(BN-门)110的材料的选择使得能够匹配热膨胀系数以维持门完整性。使用定制浮动电源实现BN门(+/-46V)的干扰，该浮动电源使离子能够进入与TOF-MS102耦合的漂移管(例如，23cm长的漂移管)中。所使用的门控脉冲在干扰模式中变化，通常具有门控闭合时间，即干扰，从施加到相邻门控导线的约144μs到最多约1200μs的时间。然而，应了解，虽然使用了这种干扰关闭时间，但干扰离子流的干扰时间已经示出为以25ms至250ms的恒定间隔的约5μs至10ms的干扰时间范围内是有益的。

IMS漂移区域的电场为313V/cm。根据所进行的实验类别，IMS的温度在75或120℃温度下操作。虽然在实验期间压力为93.3kPa，但这可基于其他配置的参数而变化。使用具有聚酰亚胺涂层的长为6cm、ID为75μm和OD为150μm的二氧化硅毛细管作为电喷雾发射器(离子源2)并安装在屏蔽屏后8mm处。相对于漂移管的漂移电压，通常对ESI针施加2.4kV的偏置电位。通过不锈钢零死体积联合(Valco Instruments，Houston，Texas，U.S.A)来施加用于产生ESI的电位，该不锈钢零死体积联合将发射器与熔融石英毛细管传输导线(360μmo.d.×75μm i.d.，约30cm长)连接。

使用时间-数字转换器(HPTDC-PCI，Cronologic，Frankfurt，Germany)获取光谱数据，作为控制器15的一部分并由产生输出文件的商业(例如，TOFWERK)软件实现。一旦导入Igor Pro(用于实验科学和工程数据的交互式软件环境)，m/z特定的漂移时间就是可提取的并提取该漂移时间。此后通过反相离子强度光谱的基线来获得干扰模式IMMS光谱，之后，经常通过进行去噪程序进行变换(例如，傅立叶变换)和去除高频噪声。

作为本发明实施例的有益方面，能够在需要时计算每个离子峰的分辨能力。这样的计算需要将离子的所得漂移时间(t_d)(如本发明的实施例所记录的)除以离子迁移率峰值半高(w_0.5)处的全峰宽度，如下面的等式1所示：

其中R_m是测量的分辨能力。

化学品和试剂

使用一系列四烷基铵盐(Sigma-Aldrich，St.Louis，MO)来评估FT-IMMS技术相对于信号平均实验的性能。更具体地，使用以下盐：四丙基溴化铵(T3A)、四丁基溴化铵(T4A)、四丙基溴化铵(T5A)、四己基溴化铵(T6A)、四己基溴化铵(T7A)、四辛基溴化铵(T8A)、十四烷基溴化铵(T10A)、四十二烷基氯化铵(T12A)。在50％乙腈和0.1％甲酸中制备100μM储备溶液，并进一步稀释以实现评估期间使用的最终浓度。

信号处理和数据转换/结果

通常，在正常的信号平均脉冲模式下，如本领域普通技术人员所理解，小于1％(200μs脉冲宽度除以60ms扫描时间)的占空比更常由离子迁移谱仪系统产生。本领域技术人员还应理解，实际上，这意味着在封闭的门控阶段，超过99％的离子会损失到门控导线。

因此，当以“正常的信号平均脉冲模式”操作时，传统上，本领域技术人员将注意到将离子迁移系统与质谱仪耦合时的后果。首先，当使用挥发性分析物时，中性分子通常使用逆流气体从系统中清除；然而，当使用较低挥发性的化合物时，离子门导线可能会因中和的分析物沉积而被污染。另外，将分析物沉积到离子门导线上可改变门控区域中的电场并直接影响系统的传递效率。其次，灵敏度由于低占空比而通常显著降低，这妨碍了将色谱与环境和/或低压离子迁移质谱系统耦合的努力。

然而，通过本发明公开，应了解，通过将干扰离子迁移率与质谱法接口连接，这种操作实际上在此之前尚未完成，所以占空比能够增加到99％以上。因此，以一种新颖且非显而易见的方式，基本上所有离子都通过离子门并可通过系统(比如，如图1所示的系统)来检测，并有利地导致灵敏度提高100至1000倍。

而且，因为本实施例在不同的离子迁移质谱仪中非常容易操作，所以本发明公开的系统还有益于与色谱法耦合，比如，超高效液相色谱法、高效液相色谱法、气相色谱法、超临界流体色谱法、毛细管电泳法和其他无需牺牲灵敏度的分离技术。定性分析的效率和准确性也得到了极大提高。

转而参考图2A、图2B和图2C示出了对于八个四烷基铵(TXA)离子，从二维离子迁移质谱光谱中提取的典型m/z特异性迁移率迹线。特别地，图2A示出了使用1080μs的门控脉冲宽度的本实施例的强度与漂移时间(以毫秒为单位)的干扰IMMS模式谱图。图2B示出了强度与漂移时间(以毫秒为单位)的重建干扰IMMS模式图，且图2C示出了当以600μs的门控脉冲宽度操作时，强度与漂移时间(以毫秒为单位)的正常信号平均脉冲模式图。虽然TXA离子不代表所有离子，但它们确实提供了覆盖各种迁移率的离子组，以说明本实施例的工作原理。

应注意，图2C示出了当在正常的信号平均脉冲模式下操作时，T3A、T4A和T5A是三个主要峰值，而其他TXA离子表现出低得多的强度。对于T10A和T12A，仅使用相同的采集时间来获得迹线电平信号。总的来说，图2A-2C示出了正常信号平均脉冲模式之间的占空比差异的影响，如图2C所示，以及图2A所示的本发明公开的干扰模式对观察到的峰值分布的影响。具体地，在干扰模式下，如图2A所示，在整个漂移期间，在质谱仪中稳定地检测离子，除了通过将离子门短暂地置于闭合模式中以短暂地扰乱离子流而产生的离子间隙。

尽管所有分析物离子在其特征迁移率下都显示出离子间隙，但干扰模式的原始二维光谱完全不同于正常脉冲模式的原始二维光谱(数据未显示)。然而，可以某种方式重建对m/z提取的迁移率数据的仔细检查，以产生与正常脉冲模式操作类似的频谱。

如图2B所示，通过从原始数据中减去每个离子的平均响应强度来重建这些数据。下面将详细说明重建方法。值的注意的是，在正常脉冲模式下，3TXA离子、T8A、T10A和T12A的强度分布分别按X10、X10和X20进行缩放，以获得视觉清晰度。图2B和图2C之间的粗略比较表明，正常脉冲操作模式(图2C)和干扰操作模式(例如，图2B)之间的信噪比(SNR)不同。

然而，迁移域中的SNR之间的折衷必须与在所得m/z谱中发现的信号保真度相平衡。在正常脉冲操作模式中，迁移率峰值从基线作为正信号出现，而在干扰模式中，从离子源产生的信号中的负干扰对应于迁移率。然而，干扰离子迁移质谱的一个好处是产生的质谱更接近目标离子种类的理论分布。同位素谱和常见目标离子的相对丰度是许多应用的重要分析指标，比如，定量同位素标记实验、放射性测年和分子鉴定。

图3A和图3B比较了正常脉冲模式下和干扰操作模式下各种TXA离子与各种门控脉冲宽度的同位素比。特别地，图3A和图3B示出了将使用各种门控脉冲宽度(例如，GPW 120＝120μsec的门控脉冲宽度)的正常脉冲模式(例如，图3A)与本实施例的干扰模式(例如，图3B)之间的同位素比进行比较。使用IMSviewer 2.0e生成理论同位素分布，其中每个TXA离子的半峰全宽最大值(fwhm)为150ppm。理论同位素分布包括单同位素峰和三个主要同位素峰，并使用相关性来比较理论质量峰。图3A因此示出了干扰模式的比较，而下条形图集(例如，图3B)是从正常模式数据导出的。

由于在干扰模式下有更多离子可用于统计计算，因此[M+1]+、[M+2]+和[M+3]+之间的同位素比更接近理论方法确定的比例。然而，正常脉冲模式操作的结果很大程度上取决于门控脉冲宽度。对于较短脉冲(比如，120μs)，所研究的所有八种离子显示出与理论结果的不希望的20-92％偏差。尽管延长的门控脉冲宽度改善了这种性能，但随后降低了分辨能力。

干扰离子迁移质谱的信噪比与分辨能力。

为了研究信噪比，在正常模式和干扰模式之间比较各个质量选择的离子迁移谱。由于电喷雾离子化源的波动，所以干扰模式光谱的基线比正常脉冲模式的基线噪声更大，其中大部分基线噪声由高频信号来支配。因此，采用使用快速傅立叶变换(FFT)的低通滤波方法来重建干扰模式的频谱。

因此，图4示出了包括操作模式的步骤。特别地，图4示出了干扰离子迁移质谱的数据处理工作流程。这些步骤包括：步骤(1)：进行原始数据402的快速傅里叶变换；步骤(2)：将低通滤波器应用于频域；步骤(3)：FFT反变换以得到去噪谱；以及步骤(4)：反相光谱以获得规则的离子迁移谱410。

简言之，如图4中的步骤(1)所示，进行傅里叶变换频谱分析以获得信号和噪声频率分布。接下来，通过将较高频率分量驱动为零来去除高频分量。在我们的实验条件下，可去除高于150Hz的任何频率而不会在逆傅里叶变换之后扭曲峰形状或峰值位置。在反变换之后，数据被反相以产生更常用于查看离子迁移率数据的数据表示图。应注意，本发明的程序将T7A的信噪比从15.2提高到51.7。然而，尽管这些信号有益于说明改善的信噪比，但应注意，当使用如本发明所公开的重建信号处理技术时，本发明中的实施例已被示出总体上将信噪比从1.1提高到1000000倍。本发明的技术还涉及提高分辨能力。然而，在实施本发明的程序时，离子电流约为0.5nA，这导致较低的电荷密度。因此，配置的较高离子电流将提供较高的电荷密度，并很可能将分辨能力提高到较高的期望水平。

图5A、图5B、图5C和图5D示出了传统的正常脉冲操作模式和所公开的干扰操作模式下的分辨能力的相似性。具体而言，图5A、图5B、图5C和图5D示出了四个四烷基铵谱，包括T5A(参见图5A)、T7A(参见图5B)、T10A(参见图5C)、和T12A(参见图5D)。在正常脉冲模式下T10A(参见图5C)的分辨率为94，而相关干扰模式显示92的分辨率。在相同条件下，干扰IMMS模式和正常脉冲模式显示出几乎相同的分辨率。在T12A下也观察到在正常模式和干扰IMMS模式下的这种类似的分辨能力(参见图5D)，对于正常模式和本发明公开的PIMMS模式，分别具有98和96的分辨率。对于T5A(参见图5A)和T7A(参见图5B)，正常模式下的分辨率为87和91，而PIMMS模式下的分辨率为85和93。因此，虽然存在类似分辨率的指示，但必须注意的是，所有峰的电荷强度之间的差异没有强到足以以改变分辨率。然而，PIMMS的分离效率保持在理论预测最大值的5％以内。为了说明这一点，图5E中示出了使用PIMMS的莱克多巴胺非对映异构体分辨率(Ractopamine diastereoisomers)的强度与漂移时间(以毫秒为单位)的有益实例。

离子鉴别效应

不同离子的传输效率受到电离、离子门控、漂移场、离子迁移质谱接口和离子光学的影响。传统的Bradbury-Nielsen离子门通过向可中和离子的漂移场来施加垂直电场以调制来自离子源的离子束。如上所述，当离子门关闭时，离子在门控导线上被中和并被破坏，因此，在两个方向上垂直于网格线的平面形成离子耗尽区。

理论上，不同的漂移电压需要不同的最佳门控电压，不同的离子也需要它们自己的最佳门控电压。然而，对于复杂样品，具有不同迁移率的离子通常在漂移管中被分离，并出于实际原因仅施加单个门控电压。为了防止离子门泄漏，施加的门控电压必须足够强以同时停止所有离子。不幸的是，施加到不同离子的这种单门控电压将在相同条件下导致不同的传输效率。为了探究使用干扰离子模式对传输进行离子门控的影响，将正常脉冲模式和干扰模式下使用不同门控脉冲宽度的不同离子的离子强度与开放或仅质量模式下的这些进行比较。在仅质量模式下，离子门在整个采样周期内连续处于打开配置，从而消除了离子门对离子传输效率的影响。

图6A、图6B和图6C示出了门控周期中的传输效率差异，以提供四烷基铵的质谱强度在仅质量、正常脉冲模式和干扰操作模式之间的比较。为了说明本发明的目的，图6B中正常脉冲模式和图6C中干扰模式均具有600μs的门控脉冲。因此，在图6B中的正常脉冲模式下，低质量离子具有更高的传输效率，而较重的离子表现出较低的离子传输效率。这种差异效应导致较大分子出现严重离子损耗，从而转化为这些物种的检测下限。如果我们将仅质量模式下的TXA离子的强度定义为各种离子的传输效率的参考，则可比较干扰模式和正常脉冲模式下的各种TXA离子传输效率。对于8个TXA，以下等式2)用于基于最终离子强度来计算离子鉴别效应：

其中TEi％是所选离子的相对离子传输效率，ITiA是正常脉冲模式或干扰模式下所选离子的强度，且ITiA(M)是仅质量模式下所选离子的强度。为了与干扰模式进行比较，将正常模式下的TE％乘以占空比的时间差。

在图7示出了相对离子传输效率。特别地，图7示出了正常脉冲操作模式(600μs和800μs的门控脉冲)和干扰操作模式(600μs的门控脉冲)下不同四烷基铵离子的相对离子传输效率，以示出离子门耗尽的影响。横跨x轴的每个数据点均对应于8个四烷基铵离子中的1个。在正常模式下，随着漂移时间从T3A增加到T12A，离子传输效率则迅速下降。例如，T4A产生了相对传输效率为97.2％，而与仅质量模式相比，T5A的相对传输效率为54.64％。对于T6A，TE％降低至31.71％。研究的最重离子T12A的TE％小于1％。主要由于不同离子的门控效率而产生相对传输效率的变化，其中较重的离子穿过门控导线的速度比较小的离子慢。由于较重离子的轴向漂移速度相对较慢，所以这些离子通过“回拉”经受门闭合效应，而较小的更易移动的离子则可最有效地通过离子门。特别是在使用较窄门控脉冲宽度时，这种质量辨别效应导致较重离子的灵敏度较低。

然而，对于干扰离子迁移率质谱法，通过显著延长的门开启周期有效地消除了这种辨别效应，因此，各种离子显示出与T5A至T12A相似的相对传输效率，即从95.2％变化至98.9％。利用这个额外的TE％增益，正常脉冲模式和干扰模式之间的离子强度差异对于较重的离子显示出很大的差异。例如，T10A的离子数增加了约700倍，而占空比增加了约180倍。一个极端示例是干扰模式和正常脉冲模式下T12A之间的强度差增加了约14000倍。正常模式下较长门控脉冲宽度在很大程度上减轻了这种辨别效应(例如，1080μs)；但是，这种操作模式显著降低了分辨率。值得注意的是，选择的最小TXA离子T3A在干扰模式下相对正常模式显示出更高的TE％。这种现象的一个原因可能是轻离子的较高迁移率可能会由于扩散和哥伦布排斥而导致接口处的高离子损耗。因此，尽管正常模式使很少的离子能够通过离子门，但是对于较低的电荷密度，漂移管中的离子损耗小于干扰模式。

因此，与传统的脉冲离子迁移率质谱相比，PIMMS模式利用常规超过99％的占空比，而传统的操作模式通常依赖于<1％的占空比。更重要的是，选择离子类别的信号强度通常会提高2个数量级以上。在某些情况下，对于低迁移率离子，信号强度的增益可能超过3个数量级，因为使用Bradbury Nielsen离子门通过离子门控事件会对这些分量产生不同影响。

应注意，干扰离子迁移率质谱的分辨率与正常模式的分辨率相似，但是在干扰离子迁移质谱实验中有效地消除了由于快速门控行为引起的质量辨别效应。对于干扰操作模式，信号噪声的主要贡献是离子源的稳定性。因此，对于依赖于更稳定的离子源(例如，放射源)的系统，干扰操作模式将是非常有益的。最重要的是，因为在干扰操作模式下实现了这样的高占空比，所以与传统的操作模式相比，本发明的方法通过各种色谱分离技术能够有效地联用大气压力PIMMS系统，同时保持高分辨率和更高的灵敏度的水平，其中，这些色谱分离技术包括气相色谱法、液相色谱法、超临界流体色谱法和电泳仪器法。

在各种实施例中，设置用于分析离子群的干扰离子迁移率质谱仪装置，使得配置在离子迁移谱仪内的漂移管的入口能够接收由多个离子组成的连续气相离子束。此后，配置在漂移管入口外部或入口下游的离子门则在干扰时间范围内干扰了(即，正在干扰)连续气相离子束的流动。通过这样的布置，如上所述，通过其自身的电场布置，连续气相离子束结果和漂移管的配置干扰可使一个或多个干扰由于多个离子的迁移率的差异而分离。质谱仪的入口接收多个离子的至少一部分和一个或多个干扰以及用于记录指示多个离子的原始数据的传感器和电子器件，以使用信号处理技术重建信息。原始数据可包括：所述多个离子的质荷比、由所述一个或多个干扰引起的所示多个离子的强度变化和所述一个或多个干扰的到达时间。离子门是现有技术DT-IMS系统中使用的通用部件；离子门通常用于通过电气地打开和关闭门来在漂移管漂移区入口处允许或停止离子束。在本发明中，离子门指的是通常可用于干扰离子束的部件；干扰可简单地停止连续离子束，或干扰可包括偏转、调制(甚至调制ESI离子源)、中断、斩波离子束等。

应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，关于本发明的各种实施例描述的特征可以任何组合混合和匹配。尽管已经详细说明和描述了不同的所选实施例，但是应当理解，它们是示例性的，且在不脱离本发明的精神和范围的情况下可进行各种替换和变更。

Claims (18)

1.一种干扰离子迁移率质谱仪的方法，用于分析离子群，所述方法包括：

将包含多个离子的连续气相离子束引导到配置在离子迁移谱仪内的漂移管的入口中；

在干扰时间范围内干扰所述连续气相离子束的流动，以引起所述连续气相离子束的一个或多个配置的干扰；

将所述漂移管配置为允许一个或多个干扰由于所述多个离子的迁移率的差异而分离；

在质谱仪的入口处接收所述多个离子和所述一个或多个干扰；

记录指示所述质谱仪接收的所述多个离子的原始数据，所述原始数据包括：所述多个离子的每种类型的质荷比、由所述一个或多个干扰引起的所述多个离子的每种类型的强度变化和所述一个或多个干扰的到达时间；以及

重建所述原始数据以获得时域中的所述多个离子的一个或多个质荷，以及一个或多个离子迁移谱。

2.根据权利要求1所述的方法，所述重建步骤包括：

从所述原始数据中减去所述多个离子中每个离子的平均响应的强度。

3.根据权利要求1所述的方法，所述重建步骤包括：

转换所述原始数据；

对转换后的原始数据的频域进行低通滤波；

获得所述频域的去噪频谱；以及

反相所述去噪频谱以获得规则的离子迁移谱。

4.根据权利要求3所述的方法，所述重建步骤能够使信噪比在1.1增加到1000000倍的范围内。

5.根据权利要求1所述的方法，所述干扰步骤包括从大约5μs到10ms的干扰时间范围和25ms到250ms的恒定间隔。

6.根据权利要求5所述的方法，所述干扰时间范围为从144μs到约1200μs。

7.根据权利要求5所述的方法，所述干扰时间提供至少99％的占空比。

8.根据权利要求5所述的方法，所述干扰时间范围还能够使灵敏度从100倍增加到约14000倍。

9.根据权利要求1所述的方法，所述质谱仪是选自以下仪器中的至少一个质量分析仪：四极质量分析仪、二维离子阱、三维离子阱、飞行时间(TOF)分析仪、轨道阱和FT-ICR分析仪。

10.根据权利要求1所述的方法，所述漂移管被配置成在以下条件中的至少一个条件下操作：环境条件和真空压力条件。

11.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括与选自以下仪器中的至少一个仪器耦接：超高效液相色谱仪、高效液相色谱仪、气相色谱仪、超临界流体色谱仪、毛细管电泳仪。

12.一种干扰离子迁移率质谱仪装置，用于分析离子群，所述装置包括：

漂移管，所述漂移管被配置为离子迁移谱仪的一部分，其中所述漂移管还被配置成接收包含多个离子的连续气相离子束；

离子门，所述离子门被配置成在所述漂移管内引起所述连续气相离子束的流动的一个或多个干扰，其中所述漂移管还被配置成允许所述一个或多个干扰由于所述多个离子的迁移率的差异而分离；

质谱仪，所述质谱仪被配置成接收所述多个离子的至少一部分和所述一个或多个干扰；以及

一个或多个传感器和一个或多个电子设备，所述一个或多个传感器和一个或多个电子设备用于记录指示所述质谱仪接收的所述多个离子的原始数据，所述原始数据包括：所述多个离子的每种类型的质荷比、由所述一个或多个干扰引起的时域中的所述多个离子的每种类型的强度变化和所述一个或多个干扰的到达时间。

13.根据权利要求12所述的装置，所述质谱仪是选自以下仪器中的至少一个质量分析仪：四极质量分析仪、二维离子阱、三维离子阱、飞行时间(TOF)、轨道阱和FT-ICR分析仪。

14.根据权利要求12所述的装置，所述漂移管被配置成在以下条件中的至少一个条件下操作：环境条件和真空压力条件。

15.根据权利要求12所述的装置，所述装置包括选自以下仪器中的至少一个仪器：超高效液相色谱仪、高效液相色谱仪、气相色谱仪、超临界流体色谱仪、毛细管电泳仪。

16.根据权利要求12所述的装置，所述离子门在约5μs至10ms的干扰时间范围内以及以25ms至250ms的恒定间隔来干扰所述连续气相离子束的流动。

17.根据权利要求16所述的装置，所述干扰时间范围为从144μs到约1200μs。

18.根据权利要求12所述的装置，所述离子门选自以下部件中的至少一种：Bradbury-Nielsen离子门、Tyndall离子门、离子阱、离子推动器和调制电喷雾离子(ESI)源。

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