CN109937465B - 质谱分析 - Google Patents

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Abstract

一种进行质谱分析的方法，包括：使用静电或电动离子阱来容纳多个离子，每个离子具有质荷比，离子具有第一多个质荷比，每个离子沿着具有半径的静电或电动离子阱内的路径；并且对于第二多个质荷比中的每一个：依赖于质荷比，以质荷比依赖性方式调整离子半径；以半径依赖的方式碎裂由此调整的离子；并测定离子的质谱。

Description

质谱分析
本发明涉及进行质谱分析的方法和质谱仪器。
二维质谱分析(2D MS)是一种将样品中的前体与碎片离子相关联而不需要事先进行离子分离的技术。2D MS首先由
Figure BDA0002056072960000011
等人在1987(P.Pfaendler,G.Bodenhausen,J.Rapin,R.Houriet,T./>
Figure BDA0002056072960000012
Two-dimensional Fourier transform ion cyclotronresonance mass spectrometry.Chem.Phys.Lett.1987,138,195；P.Pfaendler,G.Bodenhausen,J.Rapin,M.E.Walser,T./>
Figure BDA0002056072960000013
Broad-band two-dimensionalFourier transform ion cyclotron resonance.J.Am.Chem.Soc.1988,110,5625；M.Bensimon,G.Zhao,T./>
Figure BDA0002056072960000014
A method to generate phase continuity in two-dimensional Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry.Chem.Phys.Lett.1989,157,97)针对傅里叶变换离子回旋共振质谱仪(FT-ICR MS)(M.B.Comisarow,A.G.Marshall.Fourier transform ion cyclotron resonance spectroscopy.Chem.Phys.Lett.1974,25,282)提出的。用于2D MS的脉冲序列受到NOESY NMR光谱(A.Kumar,R.R.Ernst,K.Wuethrich.A two-dimensional nuclear Overhauserenhancement(2D NOE)experiment for the elucidation of complete proton-protoncross-relaxation networks in biological macromolecules.Biochem.Biophys.Res.Commun.1980,95,1)和Marshall等人进行的相位反转实验两者启发。使用由规则递增延迟分开的两个相同的激发脉冲，离子回旋半径根据他们的回旋频率(即，质荷比)在半径依赖的碎裂法的碎裂期之前进行调整(S.Guan,P.R.Jones.A theory for two-dimensionalFourier-transform ion cyclotron resonance mass spectrometry.J.Chem.Phys.1989,91,5291)。所得的2D质谱示出了来自样品的所有离子的碎裂规律，其使得能够容易地提取碎片离子扫描、前体离子扫描和中性损失线，以及在一些情况下的电子捕获线(M.A.vanAgthoven,M.-A.Delsuc,G.Bodenhausen,C.Rolando.Towards analytically useful two-dimensional Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry.Anal.Bioanal.Chem.2013,405,51)。由于2D质谱示出了来自样品的所有离子的碎片规律而不需要离子分离，因此，该技术可以说是真正全面的且可以用于复杂样品的分析。
自2010年以来，由于用于数据处理和存储的计算能力的提高，FT-ICR仪器上的2DMS已经发展成为完善的分析技术，使用红外多光子解离(IRMPD)和电子捕获解离(ECD)作为碎裂方法(M.A.van Agthoven,M.-A.Delsuc,C.Rolando.Two-dimensional FT-ICR/MSwith IRMPD as fragmentation mode.Int.J.Mass Spectrom.2011,306,196；M.A.vanAgthoven,L.Chiron,M.-A.Coutouly,M.-A.Delsuc,C.Rolando.Two-Dimensional ECD FT-ICR Mass Spectrometry of Peptides and Glycopeptides.Anal.Chem.2012,84,5589；M.A.van Agthoven,L.Chiron,M.-A.Coutouly,A.A.Sehgal,P.Pelupessy,M.-A.Delsuc,C.Rolando.Optimization of the discrete pulse sequence for two-dimensional FT-ICR mass spectrometry using infrared multiphoton dissociation.Int.J.of MassSpectrom.2014,370,114)。已经开发了去噪算法以减少2D质谱中噪声的影响(M.A.vanAgthoven,M.-A.Coutouly,C.Rolando,M.-A.Delsuc.Two-dimensional Fouriertransform ion cyclotron resonance mass spectrometry:reduction ofscintillation noise using Cadzow data processing.Rapid Commun.MassSpectrom.2011,25,1609；L.Chiron,M.A.van Agthoven,B.Kieffer,C.Rolando,M.-A.Delsuc.Efficient denoising algorithms for large experimental datasets andtheir applications in Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2014,111,1385.)。2D MS已成功应用于小分子(M.vanAgthoven,M.Barrow,L.Chiron,M.-A.Coutouly,D.Kilgour,C.Wootton,J.Wei,A.Soulby,M.-A.Delsuc,C.Rolando,P.O’ Connor.Differentiating Fragmentation Pathways ofCholesterol by Two-Dimensional Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance MassSpectrometry.J.Am.Soc.Mass Spectrom.2015,26,2105)以及自下而上(H.J.Simon,M.A.van Agthoven,P.Y.Lam,F.Floris,L.Chiron,M.A.Delsuc,C.Rolando,M.P.Barrow,P.B.O'Connor.Uncoiling collagen:a multidimensional mass spectrometrystudy.Analyst 2016,141,157；M.A.van Agthoven,C.A.Wootton,L.Chiron,M.-A.Coutouly,A.Soulby,J.Wei,M.P.Barrow,M.-A.Delsuc,C.Rolando,P.B.O'Connor.Two-Dimensional Mass Spectrometry for Proteomics,a Comparative Study withCytochrome c.Anal.Chem.(Washington,DC,U.S.)2016,88,4409)和自上而下(F.Floris,M.van Agthoven,L.Chiron,A.J.Soulby,C.A.Wootton,Y.P.Y.Lam,M.P.Barrow,M.-A.Delsuc,P.B.O’Connor.2D FT-ICR MS of Calmodulin:A Top-Down and Bottom-UpApproach.Journal of The American Society for Mass Spectrometry 2016,27,1531)的蛋白质组学分析。
1993年，Ross等人提出了FT-ICR质谱仪上2D MS的替代脉冲序列(C.W.Ross,III,S.Guan,P.B.Grosshans,T.L.Ricca,A.G.Marshall.Two-dimensional Fourier transformion cyclotron resonance mass spectrometry/mass spectrometry with stored-waveform ion radius modulation.J.Am.Chem.Soc.1993,115,7854)。这种脉冲序列利用激发后离子的回旋半径与激发振幅和激发长度的乘积成比例的事实，而不使用脉冲之间的延迟(M.V.Gorshkov,E.N.Nikolaev.Optimal cyclotron radius for high resolutionFT-ICR spectrometry.Int.J.Mass Spectrom.Ion Processes 1993,125,1)。使用存储波形逆傅里叶变换技术(SWIFT)(A.G.Marshall,T.C.L.Wang,L.Chen,T.L.Ricca.Newexcitation and detection techniques in Fourier transform ion cyclotronresonance mass spectrometry.ACS Symp.Ser.1987,359,21)，产生了具有根据激发频率调整的振幅的激发脉冲。将这些激发脉冲应用于ICR室中的前体离子，根据他们的回旋频率调整他们的回旋半径并且因此在半径依赖的碎裂之后调整了他们的碎片丰度。这种称为存储波形离子半径调整的技术应用于氨基酸二聚体和三聚体的分析(G.van der Rest,A.G.Marshall.Noise analysis for 2D tandem Fourier transform ion cyclotronresonance mass spectrometry.Int.J.Mass Spectrom.2001,210/211,101)以及聚合物和药物产品的分析(C.W.Ross,W.J.Simonsick,Jr.,D.J.Aaserud.Application of StoredWaveform Ion Modulation 2D-FTICR MS/MS to the Analysis of ComplexMixtures.Anal.Chem.2002,74,4625)。然而，由于SWIFT在大多数市售FT-ICR仪器上不可用的事实，因此用于2D FT-ICR MS的原始脉冲序列比SWIM更容易使用。
尽管2D MS在FT-ICR仪器上示出了良好的结果，但是其发展受到了FT-ICR仪器购买和维护昂贵这一事实的阻碍。此外，由于FT-ICR质谱仪的占空比，每个2D MS实验可能消耗30分钟或者更多。因此，开发可以应用于其他质谱仪的2D质谱分析技术对于开发复杂样品的数据独立性结构分析是重要的。
线性离子阱(LIT)是流行的离子操纵装置(J.C.Schwartz,M.W.Senko,J.E.P.Syka.A two-dimensional quadrupole ion trap massspectrometer.J.Am.Soc.Mass Spectrom.2002,13,659)。他们的尺寸允许比四极离子阱更大的离子群(R.E.March.An introduction to quadrupole ion trap massspectrometry.Journal of Mass Spectrometry 1997,32,351)。使用LIT很好地建立了共振的质量选择性径向激发(B.A.Collings,W.R.Stott,F.A.Londry.Resonant excitationin a low-pressure linear ion trap.Journal of the American Society for MassSpectrometry 2003,14,622；D.J.Douglas,N.V.Konenkov.Mass selectivity of dipolarresonant excitation in a linear quadrupole ion trap.Rapid Communications inMass Spectrometry 2014,28,430)。
根据本发明的第一方面，提供了一种进行质谱分析的方法，包括：
·使用静电或电动离子阱来容纳多个离子，每个离子都具有质荷比，具有第一多个质荷比的离子，每个离子沿着具有半径的静电或电动离子阱内的路径；以及
·对于第二多个质荷比中的每个：
ο依赖于(根据)质荷比，以质荷比依赖的方式调整离子的半径；
ο以半径依赖的方式碎裂由此调整的离子；以及
ο测定离子的质谱。
因此，我们提供了二维(2D)质谱分析(MS)在静电或电动离子阱中的应用；对来自所有扫描的质谱的校验提供了关于与前体的质荷比关联的碎片质荷比(一维)的信息(由于质荷比取决于控制哪些离子被碎裂的半径调整)。除了别的以外，本发明人已经意识到，在静电或电动离子阱中执行2D MS比如前所述已经在傅立叶变换离子回旋共振质谱仪(FTICR MS)中进行的那样实现它更快。事实上，如果质谱可以足够快地进行，则可以在液相质谱(LC)或气相质谱(GC)时间尺度上进行分析。此外，静电或电动离子阱需要的真空条件比FT ICR MS更不严格，并且，因此更耐受大气(或其他非分析物)气体的存在。
通常，静电或电动离子阱将包括线性离子阱(LIT)。或者，静电或电动离子阱可以包括四极离子阱、三维离子阱或其离子具有一致震荡频率的离子阱。
半径的调整可以包括调整施加至离子的电场。在一种实施方式中，激发脉冲可以由延迟分开来施加，通过延迟提供了质荷比依赖性。然而，在优选的实施方式中，可以提供在频率上调整的调整激发脉冲。这通常是这样：使得提供与具有质荷比的离子的振荡频率的共振。这样的调整激发脉冲可以包括存储波形逆傅里叶转换(SWIFT)或存储波形离子半径调整(SWIM)脉冲。该后一实施方式不要求离子作为整体是同调性的。事实上，SWIM的优点是与原始2D FT-ICR脉冲序列不同，径向调整不要求离子云是同调性的。事实上，SWIM的优点是，与原始的2D FT-ICR脉冲序列不同，径向调整不需要离子云是同调性的。如果离子物质密度与碎裂区域之间的重叠可以使用SWIM调整，则可以根据他们的前体的共振频率调整碎片离子丰度，这然后使得2D质谱分析在静电或电动离子阱中更容易。
这样，碎裂离子的步骤可以包括碎裂穿过碎裂区域的离子。半径的调整可以将离子半径调整至碎裂区域之内和/或之外。通常，碎裂区域将处于较低的半径，通常包括零半径。
碎裂离子的步骤可以包括基于激光的(包括将激光束施加至离子，通常在碎裂区域中)、基于电子的(包括将电子束施加到离子，通常在碎裂区域中)或基于碰撞的(包括使用气体分子碰撞离子，通常在碎裂区域中)碎裂方法。
质谱可以通过任何方便的手段测定。在一种实施方式中，质谱可以使用飞行时间(TOF)质谱仪来测定。虽然不如其他MS装置精确和分辨率高，但是它很快。已经发现TOF MS应用于本发明方法是特别有利的，因为本发明方法和TOF MS的操作速度一起协同工作。然而，可以使用其他质谱分析方法，诸如傅里叶转换离子回旋共振(FT ICR)、线性离子阱(LIT)、轨道阱质谱仪、三重四极杆(QQQ)质谱仪或其他类似方法。
第二多个质荷比可以与第一多个质荷比相同或者是其子集或超集。通常，第二多个质荷比将会包括质荷比范围，通常通过连续范围离散地间隔。
根据本发明的第二方面，提供了质谱仪器，包括静电或电动离子阱和用于静电或电动离子阱的控制电路，静电或电动离子阱包括电极，电极包括至少两个轴向捕获电极、多个径向捕获电极和至少一个激发电极，在其中，控制电路布置成使得：
·向每个激发电极施加电压，以便在使用中容纳由电极限定空间内的多个离子，每个离子沿着具有半径的静电或电动离子阱内的路径；以及
·依赖于(根据)离子的质荷比调整离子的半径；
仪器还包括布置成以半径依赖的方式碎裂由此调整的离子的碎裂装置；以及布置成测定离子质谱的质量测定装置。
因此，我们提供了二维(2D)质谱分析(MS)在静电或电动离子阱中的应用；对来自一系列扫描的质谱的校验(其中质荷比依赖的调整选择性地调整不同质荷比的离子)将提供关于与前体质荷比关联的碎片质荷比(一维)的信息(由于质荷比取决于控制哪些离子碎裂的半径调整)。除了别的以外，本发明人已经意识到，在静电或电动离子阱中执行2D MS比如前所述已经在傅立叶变换离子回旋共振质谱仪(FT ICR MS)中进行的那样实现它更快。事实上，如果质谱可以足够快地进行，则可以在液相质谱(LC)或气相质谱(GC)时间尺度上进行分析。此外，静电或电动离子阱需要比FT ICR MS更低(更小)的真空，并且，因此更耐受大气(或其他非分析物)气体的存在。
通常，静电或电动离子阱将包括线性离子阱(LIT)。或者，静电或电动离子阱可以包括四极离子阱、三维离子阱或其离子具有一致震荡频率的离子阱。
半径的调整可以包括使用每个激发电极调整施加至离子的电场。在一种实施方式中，控制电路布置成向每个激发电极施加激发脉冲，激发脉冲由延迟分开来施加，通过延迟提供了质荷比依赖性。然而，在优选实施方式中，控制电路将布置成向每个激发电极施加在频率上调整的调整激发脉冲。这通常是这样：使得提供与具有特定质荷比的离子的振荡频率的共振。这样，调整激发脉冲可以包括存储波形离子半径调整(SWIM)脉冲。该后一实施方式不要求离子作为整体是同调性的。
控制电路可以布置成使得半径的调整包括优先地将具有特定质荷比的离子的半径改变成具有不同半径的路径，或者优先地将不具有特定质荷比的离子的半径改变成具有不同半径的路径。这样，碎裂装置可以优先地碎裂具有或者不具有特定质荷比的离子。
这样，碎裂装置可以布置成碎裂穿过碎裂区域的离子。控制电路可以布置成使得调整半径以便将离子转移至碎裂区域中和/或碎裂区域外。通常，碎裂区域将处于较低的半径，通常包括零半径。
碎裂装置可以包括激光器(布置成向离子施加激光束，通常在碎裂区域中)、电子源(布置成向离子施加电子束，通常在碎裂区域中)或碰撞源(布置成使气体分子与离子碰撞，通常在碎裂区域中)。
质量测定装置可以是任何方便的设备。在一种实施方式中，它可以包括飞行时间(TOF)质谱仪，离子在碎裂之后转移至该质谱仪。它很快，虽然不如其他MS装置精确。已经发现TOF MS应用于本发明方法是特别有利的，因为本发明方法和TOF MS的操作速度一起协同工作。然而，可以使用其他质量测定装置，诸如傅里叶转换离子回旋共振(FT ICR)质谱仪、线性离子阱(LIT)质谱仪、轨道阱质谱仪、三重四极杆(QQQ)质谱仪或其他质谱仪。
现在仅以示例的方式，参考附图的描述，描述本发明的实施方式，其中：
图1a至图1d示出了根据本发明第一实施方式的质谱仪器的截面；
图2示出了施加至图1中的仪器的各种信号的相对时间；
图3示出了施加到图1中仪器的电极的激发信号；
图4示出了施加到图1中仪器的电极的每个脉冲的峰值振幅；
图5示出了使用图1中仪器进行的各种模拟结束时的离子计数；
图6示出了从图1中仪器获得的模拟二维质谱；以及
图7a至图7c示出了根据本发明第二实施方式的质谱仪器的截面。
在本发明第一实施方式中，我们描述了质谱仪器，其证明了线性离子阱(LIT)的2D质谱分析的可行性，使用SIMION离子轨迹计算研究。
使用SIMION 8.0(Scientific Instrument Services,Ringoes,New Jersey,USA)在具有以下尺寸的离子光学平台上进行了所有模拟：x＝16mm、y＝16mm、z＝83mm。线性离子阱(LIT)建立于在y＝0平面周围具有镜像对称的单电位阵列中，并且类似于由Schwartz等人(J.C.Schwartz,M.W.Senko,J.E.P.Syka.A two-dimensional quadrupole ion trapmass spectrometer.J.Am.Soc.Mass Spectrom.2002,13,659)构建的离子阱。电位阵列包括11个精度为10栅单位/mm的电极，并且具有10-5的改良的收敛极限。
图1示出了包括LIT的离子光学平台。图1a示出了两个端盖1用于轴向容纳离子，以及三个四极杆2、3(两个匹配的外四极杆2和一个中心四极杆3)用于径向容纳离子。图1b示出了端盖电极1：它们的厚度为2mm，并且它们的开口具有3mm的半径。它们与外四极杆2被2mm的间隙5隔开。图1c和图1d示出了形成四极杆2、3的四极杆2a-2d、3a-3d成形为围绕轴8的内半径为4mm的双曲线。外四极杆2的长度为12mm。中心四极杆3的长度为37mm。四极杆2、3被1mm的间隙6彼此隔开。轴向上的激光器7提供了容纳于阱中的离子的半径依赖碎裂。在这种情况下施加到四极杆上的电压在端盖1上为+10.0VDC，在外四极杆2a-2d上为+5.0VDC，在中心四极杆3a-3d上为+/-100.0VRF。等电位线为：-100.0V、-75.0V、-50.0V、-25.0V、-10.0V、0.0V、+2.5V、5.0V和10.0V。
虽然本文没有直接模拟，但是LIT的内容物可以转移到另一个质谱仪10以在如下所述的各个激发和碎裂后测定质谱。
图2示出了用于模拟离子轨迹的实验时间。用于生成实验条件的工作台程序是使用Lua 5.1.1(Rio de Janeiro,RJ,Brazil)编程编写的。在各个离子轨迹模拟的前10μs期间(初始化阶段)，LIT中部半径为0.2mm的区域中离子化是随机的。在整个离子轨迹模拟中，连续捕获电压在端盖电极上为+10.0V并且在外四极杆上为+5.0V。具有振幅300.0Vpp并且频率1.1MHz的射频电压施加到所有的三个四极杆。
50.0μs之后，将使用SWIFT从外部产生的具有700.00V0p振幅和20-550kHz频率范围的激发脉冲如下所述施加到中心四极杆3的杆3a-3d。每个脉冲的长度设定为380μs。
在激发脉冲结束时，模拟使用激光器7的碎裂期，使用围绕轴8的半径为0.05mm的顶帽碎裂区域。碎裂的概率使用以下等式计算：
Figure BDA0002056072960000101
其中，P是碎裂概率，t是碎裂期期间离子在碎裂区域中消耗的时间，以及T衰减设定为500.0μs。选择该模式是为了模仿基于激光的碎裂方法。碎裂区域的半径和时间衰减两者都是随机选择的，以便获得合理的碎裂效率。在各个离子轨迹模拟期间，只有一种碎裂是允许的。在碎裂期之后，离子轨迹计算设定为结束。实验安排使用128种不同激发脉冲重复了128次。
SWIM脉冲生成
128种存储波形离子半径调整(SWIM)脉冲是在Spyder 2.3.8开发环境(Anaconda,Continuum Analytics,Austin,Texas,USA)中使用python 2.7编程语言生成的，并且以逗号分隔符(csv)文件格式存储以便由SIMION工作台程序调用。图3总结了如Ross等人提出的各个脉冲的生成过程(C.W.Ross,III,S.Guan,P.B.Grosshans,T.L.Ricca,A.G.Marshall.Two-dimensional Fourier transform ion cyclotron resonance massspectrometry/mass spectrometry with stored-waveform ion radiusmodulation.J.Am.Chem.Soc.1993,115,7854；C.W.Ross,W.J.Simonsick,Jr.,D.J.Aaserud.Application of Stored Waveform Ion Modulation 2D-FTICR MS/MS tothe Analysis of Complex Mixtures.Anal.Chem.2002,74,4625)。各个脉冲的频率范围为20-2117.151kHz，但是在20-550kHz频率范围内各个脉冲的振幅非零。频率增量为1Hz。各个脉冲的振幅包络由以下等式确定：
Figure BDA0002056072960000111
其中，M为振幅，f为频率，n为脉冲指数，fmax为脉冲的最大频率(这里为550kHz)以及fmin是脉冲的最小频率(这里为20kHz)。
为了降低时间域脉冲的最大电压，将如Guan等人(S.Guan,R.T.Mclver,Jr.Optimal phase modulation in stored wave form inverse Fourier transformexcitation for Fourier transform mass spectrometry.I.Basicalgorithm.J.Chem.Phys.1990,92,5841)提出的二次相位函数应用于频率域脉冲：
Figure BDA0002056072960000112
/>
其中，
Figure BDA0002056072960000113
是相位，fmax，范围是总频率范围的最大频率(这里为2117.151kHz)以及fmin为最小频率(这里为20kHz)。结合了等式2和等式3得到的函数：
Figure BDA0002056072960000114
使用其逆向快速傅里叶逆转换的实部，被转换为时间域脉冲。
所得的时间域脉冲为1s长，具有0.477μs的时间增量。脉冲的重要部分截断至380μs并且内插以在csv文件中存储之前实现10ns的时间增量。
粒子定义、数据记录和数据处理
在没有库伦排斥的情况下进行离子轨迹计算。对于各个SWIM脉冲，计算了m/z166、m/z 195和m/z 322的100个离子的轨迹。他们的碎片的m/z比率分别为m/z 122、m/z181和m/z 190。所有的m/z是随机选择的。对于各个离子轨迹计算，记录了离子的指数、m/z比率和飞行时间并且在离子飞溅时或在模拟结束时存储在文本文件中。总离子流(TIC)定义为在模拟结束时仍然存在于LIT中的离子的数量。处于模拟的目的，使用python 2.7编程语言，将记录自离子轨迹计算的数据转换成2D质谱，尽管在现实世界实施方式中将使用质谱仪(MS)，通常是飞行时间(TOF)质谱仪。
对于每个m/z比率，沿SWIM指数n以振幅模式计算了离子计数的傅里叶变换。因为n的采样率为1，使得编码频率为0.5的奈奎斯特频率。频率增量为1/64，因为离子计数是在128个数据点上测量的。使用三个前体离子m/z比率和编码频率作为参考点使用二次拟合进行频率-质量转换(E.B.Ledford,Jr.,D.L.Rempel,M.L.Gross.Space charge effects inFourier transform mass spectrometry.II.Mass calibration.Anal.Chem.1984,56,2744)。
模拟结果
四极杆中离子轨迹的频率通过以下等式确定：
Figure BDA0002056072960000121
其中，fr是径向频率，f驱动是施加至四极电极的RF电压的频率，以及βr是用于在径向维度求解Mathieu方程的稳定性参数(0≤βr≤1)。在通常用于质谱分析的稳定性图的区域中，当m/z比率增加时βr稳定性参数降低((R.E.March.An introduction to quadrupoleion trap mass spectrometry.Journal of Mass Spectrometry 1997,32,351)。可以使用共振RF电压以便径向激发或去稳定四极杆中给定m/z比率的离子。径向激发随着RF振幅和激发电压的长度而增加。
这种效应已被Hilger等人用于线性离子阱中的离子分离(R.T.Hilger,R.E.Santini,C.A.Luongo,B.M.Prentice,S.A.McLuckey.A method for isolating ionsin quadrupole ion traps using an excitation waveform generated by frequencymodulation and mixing.Int.J.Mass Spectrom.2015,377,329)。在该研究中，选择了双曲线用于四极杆。然而，针对线性离子阱开发并且测试了许多不同的电极形状，在共振频率方面具有相似的结果。只要共振频率在碎裂区域的尺寸上稳定，径向调整的质量就不太可能受到影响。
在每个SWIM文件中，离子在频率范围(即m/z比率)上被径向激发；在等式5中定义的频率的基础上由等式2给出了频率依赖性RF振幅。对于给定的m/z比率，根据具有以下编码频率的SWIM文件的指数n调整他们共振频率处的振幅(即激发后离子云的半径)：
Figure BDA0002056072960000131
其中，fe是编码频率，fr是离子轨迹的共振径向频率，fmin是频率范围的最小频率(对应于m/z范围内的最高m/z比率)，并且fmax是频率范围内的最大频率(对应于m/z范围内的最低m/z比率)。
对于可以与IRMPD(S.A.Hofstadler,K.A.Sannes-Lowery,R.H.Griffey.InfraredMultiphoton Dissociation in an External Ion Reservoir.1999,71,2067)、UVPD(R.Cannon Joe,B.Cammarata Michael,A.Robotham Scott,C.Cotham Victoria,B.ShawJared,T.Fellers Ryan,P.Early Bryan,M.Thomas Paul,L.Kelleher Neil,S.BrodbeltJennifer.Ultraviolet photodissociation for characterization of whole proteinson a chromatographic time scale.Anal Chem2014,86,2185)、或ETD(G.C.McAlister,D.Phanstiel,D.M.Good,W.T.Berggren,J.J.Coon.Implementation of Electron-Transfer Dissociation on a Hybrid Linear Ion Trap-Orbitrap Mass Spectrometer.(Washington,DC,U.S.)2007,79,3525)等这样的实施方式一起使用的基于激光或基于电子的碎裂方法，高碎裂效率的区域位于四极杆的中心。当离子云的半径较大(高共振激发)时，离子云与碎裂区域之间的重叠较小，并且可以预期碎裂很少。当离子云半径较小(低共振激发)时，离子云与碎裂区域之间的重叠较高，并且预期碎裂效率较高。
与FT-ICR MS不同，LIT中的离子控制不需要离子云同调性(M.B.1974,25,282)。因此，碰撞激活解离可用于2D LIT MS而不会造成分辨率损失。CAD中的碎裂效率随着离子动能的增加而增加：因此，当离子在高半径处被激发时离子云与碎裂区域之间的重叠较高，并且当离子在低半径处被激发时离子云与碎裂区域之间的重叠较低。
根据这些假说，无论碎裂方法是基于激光的、基于电子的或者CAD，SWIM中的碎片离子丰度以与其前体半径相同的编码频率(在等式6中定义)进行调整。这种效应使2D MS在LIT中成为可能。
图3示出了使用SWIM对离子云半径的编码，其中包括宽带激发的逆傅立叶变换。如果激发波形在所有频率处具有零相位，则逆傅里叶变换产生啁啾脉冲导致高振幅处的短激发(A.G.Marshall,T.C.L.Wang,T.L.Ricca.Tailored excitation for Fouriertransform ion cyclotron mass spectrometry.1985,707,7893)。啁啾脉冲在驱动质量分析仪的RF放大器上施加了高电压振幅(若干个100Vpp)和高频规格。为了分散激发脉冲中各个频率随时间的贡献，并且因此降低RF放大器的性能要求，Guan等人(1990，上文引用)提出了优化用于最佳的振幅降低的SWIFT激发脉冲相位调整的算法。对于宽带激发，最佳相位调整由等式3给出。对于具有不同振幅包络的宽带激发，最佳相位调整取决于包络的形状。对于SWIM，这意味着对于每个指数n最佳相位调整函数是不同的。
在计算机实验中，对电压振幅没有限制，但为了使2D MS实验适应于具体实施方式，两个竞争因素在发挥作用：脉冲的电压振幅和脉冲的长度。一方面，脉冲的电压振幅需要在RF放大器的规格内。另一方面，2D MS在LC时标上的兼容性需要有限的脉冲长度(在本实验中，最低频率为20kHz，这对应于400μs的脉冲长度)。此外，选择独立于SWIM指数n的相位调整函数使得在每次实验之前更快地产生SWIM脉冲。在本研究中，选择了等式3中提出的相位调整函数。图4示出了对于归一化频率区域包络，具有和不具有相位调整的每个脉冲的峰间振幅。对于所有SWIM指数，相位调整的脉冲具有的振幅低于没有相位调整的脉冲。没有相位调整的平均振幅为0.187，并且相位调整的平均振幅为0.111，相当于平均振幅减小为1.68分之1。这几乎减半了用于2D MS原型的RF放大器的所需规格。
图5示出了作为SWIM指数n的函数的每个离子轨迹计算结束时的离子计数：离子总数、前体离子数和碎片离子数。针对三个m/z比率进行了离子轨迹计算：m/z 166、m/z 195和m/z 322。
图5示出了模拟结束时离子总数是使用SWIM文件的指数进行周期性调整的。总离子计数的周期性下降对应于由SWIM脉冲将离子激发到高半径直到它们从LIT中排出。总离子计数的减少与碎片离子数量的减少一致：随着前体离子半径增加，它们的碎裂效率降低，这是因为碎裂区域位于LIT的中心。前体离子数量的行为更复杂：随着激发后前体离子的半径增加，它们的碎裂效率降低，这是因为前体离子在碎裂区域内花费的时间更少。当前体离子半径达到LIT的大小时，前体离子的数量再次减少，这是因为他们在碎裂期之前从LIT中排出。这种行为不取决于m/z比率，因为它对于图3a、图3b和图3c是重复的。然而，较高的半径处总离子计数的下降随着m/z比率的降低而增加，这可能是由于SWIM脉冲的380μs处的截断导致，造成在较低频率下的激发减少，并且因此在较高m/z比率下的激发更少。
调整频率随m/z比率降低：图5a示出了针对m/z 166的前体经历5个循环的离子计数，在图5b中m/z 195的前体经历4个循环，并且在图5c中m/z 322的前体经历2个循环。这些频率对应于等式6中的编码频率。相应的共振频率对于m/z 166为103kHz，对于m/z 195为86kHz，对于m/z 322为53kHz。在所有实验中，对于前体离子和碎片离子，离子计数的频率相同，因此建立了前体离子丰度和碎片离子丰度之间的相关性，以及LIT中2D质谱分析的可能性。
图6示出了使用图5中显示的数据生成的2D质谱。在2D FT-ICR质谱图中，横轴表示在离子轨迹计算结束时测量的m/z比率(即，碎片m/z比率)，并且纵轴表示由频率-质量转换计算的m/z比率(即，前体m/z比率)。图6中的虚线示出了具有(m/z)前体＝(m/z)碎片等式的自相关性，对应于根据它们自身编码频率(即，m/z比率)调整前体离子丰度。
图6示出了自相关线上m/z(195,195)和m/z(322,322)处的两个峰。每个前体离子在其碎片离子线上具有一个峰：对于m/z195为m/z(181,195)，并且对于m/z322为m/z(190,322)。2D质谱在m/z(122,166)处显示一峰，但在m/z(166,166)处的自相关线上没有相应的峰：前体离子的调整是碎片离子调整频率的两倍，因为激发足够强以在最大激发(通过排出)和最小激发(通过碎裂)时引起离子损失。
图6中2D质谱的竖直前体维数的分辨率低：在m/z 200处小于10。沿SWIM指数n增加数据点的数量可能会大大增加前驱体维度中的分辨率，因为2D MS方法在前体维度中是基于FT的。目前，没有迹象表明什么可以限制竖直分辨率超越LIT径向上的数据点数和频率不稳定性。类似地，可以预期2D质谱的前体维度中的信噪比随着沿SWIM指数n的数据点数量而增加，因为2D MS方法在前体维度中是基于FT的。在该实施方式中，与2D FT-ICR MS研究不同，计算数据的傅立叶变换仅在竖直维度上是必要的，这是因为离子的m/z比率由SIMION软件直接测量。在具体实施方式中，数据处理将取决于质量分析仪10的特性。轨道阱和FT-ICR质谱仪都是基于FT，这使得傅立叶变换在两个维度都是必要的，但是飞行时间和四极杆都依赖于计算上更快的飞行时间向m/z比率的转换。
在该实施方式中，LIT已被用作离子操纵装置。LIT也可用作质量分析仪，或者其可通过在碎裂期结束时将离子转移到质量分析仪而与其他质量分析仪耦接。优化离子转移取决于使用哪种质量分析仪。就成本而言，LIT本身或三重四极杆内的LIT是最具吸引力的选择，但在采集时间方面较慢并且具有的分辨率较低。将LIT与轨道阱或FT-ICR质谱仪耦接显著地提高了分辨率，但是同时也提高了仪器的成本。这两种质量分析仪还具有较慢的占空比，这转换为较长的采集时间。为了实现快速采集，TOF分析仪具有相当大的优势，因为它们的占空比较短并且可以将2D MS与在线液相色谱相耦接。
该实施方式示出了在线性离子阱中的二维质谱分析的可行性，在这种情况下，施加SWIM脉冲以调整前体离子云的半径，然后应用半径依赖的碎裂方法。所得到的碎片离子丰度使用与前体离子丰度相同的编码频率调整，或者如果前体的最大激发导致离子排出则使用前体离子丰度的编码频率的一半的编码频率调整。计算离子丰度的傅立叶变换并针对每个m/z比率绘制它们得到了2D质谱，其类似于针对2D FT-ICR MS描述的2D质谱。
因此，线性离子阱中的2D MS可以应用于各种半径依赖的碎裂技术：基于激光的(IRMPD、UVPD)、基于电子的(ETD、PTD)或基于碰撞的(CAD)。可以使用LIT作为离子操作装置和作为质量分析仪两者，但可与其他质量分析仪(如FT-ICR质谱仪、轨道阱或TOF)耦接，以便在实验装置中获得各种所需特性诸如高分辨率或快速的采集时间。特别地，将LIT与具有快速占空比的质量分析器耦接可以使采集时间短于10s，这使得2D MS与LC或GC时间尺度兼容。这样的仪器将产生LC-2D MS实验，在该LC-2D MS实验中消除了对离子分离分析的需求。LC-2D MS将是用于分析复杂样品例如蛋白质组学和石油组学的非常有用的技术，其中MS/MS消除了许多分析物。
在本发明的第二实施方式中，如附图的图7所示，示出了另一种质谱仪器，其证实了线性离子阱中2D质谱分析的可行性。与第一实施方式的那些等效的整数用相应的附图标记加50表示。
在该实施方式中，沿着仪器的长度布置一组四个四极电极52，以提供容纳离子捕获的场。另外一组四个激发电极60a、60b被提供成两对电极，每对60a、60b包括位于四极电极52的相对侧上的两个电极。
这样，不是将SWIM激发脉冲施加到四极电极52，而是将它们施加到激发电极上。此外，在SWIM逆傅立叶变换之后，不是将激发脉冲仅施加到激发电极的一对60a、60b上，而是可以将时域脉冲的实部施加于一对60a，而将虚部施加于另一对60b。
这给出了与简单地将脉冲施加到一对电极类似的结果，但是振幅为施加到每对电极的振幅的(至少近似的)一半。因此，可以减小峰值振幅。
此外，在该实施方式中，不是具有随径向运动频率线性增加的SWIM频率，而是SWIM频率随着径向运动频率而减小。离子丰度在f奈奎斯特-f处而不是f处调整。
半最大值的全宽与频率无关，这使得质量准确度和质量分辨率随着m/z比率降低，而与频率曲线无关。这可以在附图的图8和图9中看到，这些图示出了具有增加的频率曲线和减少的频率曲线的结果。在这些图中的每个中，图a)示出了对于给定径向运动频率的SWIM频率，图b)示出了对于给定频率下的MS强度，以及图c)示出了所得到的2D质谱。

Claims (21)

1.一种进行二维质谱分析的方法，包括：
·使用静电或电动离子阱来容纳多个离子，每个离子都具有质荷比，具有第一多个质荷比的所述离子，每个离子沿着所述静电或电动离子阱内的路径，其中所述路径具有半径；以及
·对于所述静电或电动离子阱中的第二多个所述质荷比的每个：
ο依赖于质荷比，以质荷比依赖的方式调整所述离子的半径；
ο以半径依赖的方式碎裂由此调整的所述离子；以及
ο测定所述离子的质谱。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述静电或电动离子阱包括线性离子阱(LIT)或四极离子阱或三维离子阱。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述静电或电动离子阱包括其离子具有一致震荡频率的离子阱。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述半径的调整包括调整施加到所述离子的电场。
5.根据权利要求4所述的方法，包括施加由延迟分开的激发脉冲，所述延迟提供所述质荷比依赖性。
6.根据权利要求4所述的方法，包括施加在频率上调整的调整激发脉冲。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述频率是这样：使得提供与具有所述质荷比的离子的振荡频率的共振。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述调整激发脉冲包括存储波形逆傅里叶转换(SWIFT)和存储波形离子半径调整(SWIM)脉冲中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述半径的调整包括优先地将具有所述质荷比的离子的半径改变为具有不同半径的路径，或者优先地将不具有所述质荷比的离子的半径改变为具有不同半径的路径。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，碎裂所述离子的步骤包括碎裂穿过碎裂区域的离子。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述半径的调整将离子半径调整到所述碎裂区域之内和/或之外。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，使用以下仪器的组的至少一种来测定所述质谱：
飞行时间(TOF)质谱仪测定所述质谱；
傅立叶变换离子回旋共振(FTICR)；
线性离子阱(LIT)；以及
轨道阱质谱仪。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用三重四极杆(QQQ)质谱仪测定所述质谱。
14.一种二维质谱仪器，包括静电或电动离子阱和用于所述静电或电动离子阱的控制电路，所述静电或电动离子阱配置成容纳多个离子，每个离子都具有质荷比，具有第一多个质荷比的所述离子，所述静电或电动离子阱包括电极，所述电极包括至少两个轴向捕获电极，多个径向捕获电极和至少一个激发电极，其中，所述控制电路布置成使得：
·向每个激发电极施加电压，以便在使用时容纳由所述电极限定的空间内的多个离子，每个离子沿着所述静电或电动离子阱内的路径，其中所述路径具有半径；以及
·对于所述静电或电动离子阱中的第二多个所述质荷比的每个，依赖于所述离子的质荷比调整所述离子的半径；
所述仪器还包括布置成以半径依赖的方式碎裂由此调整的所述离子的碎裂装置；以及布置成测定所述离子质谱的质量测定装置。
15.根据权利要求14所述的仪器，其中，所述静电或电动离子阱包括线性离子阱(LIT)或四极离子阱或三维离子阱。
16.根据权利要求14所述的仪器，其中，所述静电或电动离子阱包括其离子具有一致震荡频率的离子阱。
17.根据权利要求14所述的仪器，其中，所述控制电路被布置成使得所述半径的调整包括使用每个激发电极调整施加到所述离子的电场。
18.根据权利要求14所述的仪器，其中，所述控制电路被布置成使得所述半径的调制包括优先地将具有特定质荷比的离子的半径改变为具有不同半径的路径，或者优先地将不具有特定质荷比的离子的半径改变为具有不同半径的路径。
19.根据权利要求14所述的仪器，其中，所述碎裂装置布置成碎裂穿过碎裂区域的离子。
20.根据权利要求19所述的仪器，其中，所述控制电路被布置成调整所述半径，以便将离子转移到所述碎裂区域之内或之外。
21.根据权利要求14至20中任一项所述的仪器，其中，所述质量测定装置包括选自包括以下的组的仪器：
飞行时间(TOF)质谱仪；
傅里叶变换离子回旋共振(FTICR)质谱仪；
线性离子阱(LIT)质谱仪；
轨道阱质谱仪；以及
三重四极杆(QQQ)质谱仪。
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