CN111276385B - 质谱仪的离子激发检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种质谱仪的离子激发检测方法，包括如下步骤：将待检测离子和信号离子传输至离子阱，对离子阱施加第一外电场从而将待检测离子和信号离子囚禁在离子阱中；对离子阱施加用于激发待检测离子的第二外电场，待测离子和信号离子的库伦相互作用导致信号离子被抛出，待检测离子保留在离子阱内；信号离子作为待测离子的替身离子被抛出离子阱，离子检测器捕获信号离子并依据第二外电场的激发频率获得待检测离子的质荷比。根据本发明实施例的质谱仪的离子激发检测方法开创了一种全新的离子质荷比检测方法，为质谱仪广泛检测各类生物分子、小分子代谢物和非共价作用离子提供了条件。

Description

质谱仪的离子激发检测方法

技术领域

本发明涉及质谱仪技术领域，更具体地，涉及一种质谱仪的离子激发检测方法。

背景技术

质谱仪是利用电磁场分析样品离子质荷比(m/z)的工具。质谱仪的核心部件是质量分析器，主要包括四级杆分析器(Quadrupole Analysers)、离子阱分析器(Ion TrapAnalysers)、轨道阱分析器(Orbitrap Analysers)、飞行时间分析器(TOF Analysers)、傅里叶变换离子回旋共振分析器(FTICR Analysers)等多种类型。

不同的质量分析器采用不同的分析方法获取样品离子的质荷比信息。例如，离子阱分析器将不同质荷比的离子依次抛出离子阱，从而获取其质荷比信息；飞行时间分析器根据离子的飞行时间获取其质荷比；傅里叶变换离子回旋共振分析器根据离子的运动频率进行傅里叶变换获取其质荷比。

针对离子阱分析器，常用的质谱分析(离子抛出)方法包括边界抛出法(BoundaryEjection)和共振抛出法(Resonant Ejection)。离子阱分析器采用直流电场和射频(RF)交流电场囚禁离子，分别通过马修参数a和q进行表征；只有特定的a，q电压值才能用于离子囚禁，这样的a，q电压值构成稳定区。边界抛出法通过扫描RF电压，即q值，不同质荷比的离子会依次到达稳定区的边界，通常在q＝0.908的情况，离子会变得不稳定抛出离子阱。共振抛出法采用附加的交流电压(AC)，当AC的频率和离子的运动频率匹配，会产生共振效率导致离子抛出离子阱，共振抛出法通常需要采用较高的交流电压才能激发待测离子抛出离子阱。

上述边界抛出法和共振抛出法具有如下不足之处：1.需要将待测离子自身抛出获取其质荷比信息，会损伤待测离子，在后续质谱分析中待测离子无法继续使用；2.质谱检测器对于生物大分子检测效率低；3.边界抛出法和共振抛出法的待测离子需要抛出离子阱，待测离子获得的能量较高，离子中非共价相互作用因此会遭到破坏，难于用于非共价相互作用的检测。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。

为此，本发明提出一种质谱仪的离子激发检测方法，该方法的质谱分辨率高；离子激发能量低，可适用于生物大分子和非共价相互作用离子的检测。

本发明实施例的质谱仪的离子激发检测方法，包括如下步骤：将待检测离子和信号离子传输至离子阱，对所述离子阱施加第一外电场从而将待检测离子和信号离子囚禁在所述离子阱中；对所述离子阱施加用于激发待检测离子的第二外电场，待测离子和信号离子的库伦相互作用导致信号离子被抛出，待检测离子保留在所述离子阱内；信号离子作为待测离子的替身离子被抛出所述离子阱，离子检测器捕获信号离子并依据第二外电场的激发频率获得待检测离子的质荷比。

根据本发明实施例的质谱仪的离子激发检测方法，相比于边界抛出法和共振抛出法而言，利用信号离子替代待检测离子抛出离子阱，离子检测器捕获信号离子而获得待检测离子的质荷比，开创了一种全新的离子质荷比检测方法，为质谱仪广泛检测各类生物分子、小分子代谢物和非共价作用离子提供了条件。

另外，根据本发明实施例的质谱仪的离子激发检测方法，还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述第一外电场包括第一直流(DC)电场和射频(RF)交流电场，在所述离子阱处于预设定的第一直流(DC)电场的电压值a，射频(RF)交流电场的电压值q的情况，利用射频(RF)调制待检测离子和信号离子，使得待检测离子处于势阱较深的稳定区，信号离子处于势阱较浅的稳定区边界。

可选实施例中，所述待检测离子处于势阱较深的稳定区中心。

可选实施例中，所述第二外电场为交流(AC)电场。

进一步可选实施例中，所述交流(AC)电场的电压值小于所述射频交流电场的电压值。

进一步可选实施例中，所述交流(AC)电场的电压值为所述射频(RF)交流电场的电压值1/1000000-1/1000。

在本发明的一些实施例中，所述待检测离子可以为小分子代谢物、生物大分子、非共价作用离子的其中之一。

在本发明的一些实施例中，所述信号离子可以为小分子代谢物和生物大分子。

在本发明的一些实施例中，该离子激发检测方法运用于离子阱质谱仪，其中，所述离子阱可以为二维离子阱和三维离子阱。

在本发明的一些实施例中，所述信号离子的质荷比小于所述待检测离子的质荷比。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一些实施例的离子激发检测方法的流程图；

图2是根据本发明一些实施例的离子激发检测方法中所使用的离子阱质谱仪的结构示意图；

图3是实施例1中采用CI法获得的质谱图；

图4是实施例1中采用边界法获得的对照质谱图；

图5是实施例2中采用边界法获得的对照质谱图；

图6是实施例2中采用CI法获得的质谱图。

附图标记：

离子阱(1,2)；大气压接口3；不锈钢管(31，33)；脉冲阀32；橡皮连接管34；门电极(4,5,6)；离子检测器7；真空腔8；

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

根据本发明实施例的质谱仪的离子激发检测方法，包括如下步骤：将待检测离子和信号离子传输至离子阱，对离子阱施加第一外电场从而将待检测离子和信号离子囚禁在离子阱中。对离子阱施加用于激发待检测离子的第二外电场，待测离子和信号离子的库伦相互作用导致信号离子被抛出，待检测离子保留在离子阱内。信号离子作为待测离子的替身离子被抛出离子阱，离子检测器捕获信号离子并依据第二外电场的激发频率获得待检测离子的质荷比。

为了方便描述，对于质谱仪采用上述方法来检测离子质荷比方法称为CI抛出法。其中，边界抛出法采用的扫描RF电压激发待测离子到达势阱稳定边界区，并最终被抛出离子阱，离子检测器捕获待测离子并依据RF电压的激发频率获得待测离子的质荷比。共振抛出法采用附加的交流电压(AC)，当AC的频率和离子的运动频率匹配，会产生共振效率导致离子抛出离子阱，共振抛出法通常需要采用较高的交流电压才能激发待测离子抛出离子阱。CI抛出法与边界抛出法和共振抛出法的不同之处在于抛出离子阱是信号离子，通过信号离子作为替身离子抛出，从而获取待检测离子的质荷比。

可以理解的是，由于被抛出的是信号离子，这样，待检测离子可以无损地保留在离子阱中，以后续的质谱分析做准备。

其中，待检测离子可以为小分子代谢物，例如，糖、脂类和氨基酸等，或者非共价作用离子，例如，蛋白质或配体。信号离子可以为小分子代谢物，例如，糖、脂类和氨基酸等，或者生物大分子，例如，蛋白质及其复合物等。

简言之，根据本发明实施例的质谱仪的离子激发检测方法，相比于边界抛出法和共振抛出法而言，利用信号离子替代待检测离子抛出离子阱，离子检测器捕获信号离子而获得待检测离子的质荷比，开创了一种全新的离子激发检测方法，为质谱仪广泛检测各类生物分子、小分子代谢物和非共价作用离子提供了条件。

在一些示例中，信号离子的质荷比小于待测离子的质荷比，这样，信号离子和待检测离子处于稳定区的q值将有所不同，例如，q值在0.2-0.8情况，待测离子处于稳定区，在q值为0.87的情况，信号离子处于稳定区，当对离子阱施加使得待测离子处于稳定区的q值时，信号离子将处于稳定区的边界，这样，信号离子在较小的库伦作用力就可以被抛出离子阱，实现利用信号离子来获得待测离子的质荷比。当然，可以理解的是，上述仅是示意性，信号离子的质荷比也可以大于或等于待测离子的质荷比。

可选实施例中，第一外电场包括第一直流(DC)电场和射频(RF)交流电场，在离子阱处于预设定的第一直流(DC)电场的电压值a，射频(RF)交流电场的电压值q的情况，利用射频(RF)调制待检测离子和信号离子，使得待检测离子处于势阱较深的稳定区，信号离子处于势阱较浅的稳定区边界。这样，在待检测离子和信号离子接受同等激发能量情况，待检测离子无法从离子阱抛出，信号离子可以从离子阱被抛出，从而实现利用信号离子获取待检测离子质荷比的目的。

进一步地，待检测离子处于势阱较深的稳定区中心。由此，可以进一步将待检测离子牢牢囚禁在离子阱中，避免待检测离子从离子阱内逃逸。

进一步可选实施例中，第二外电场为(AC)电场。由此，可以有效激发待检测离子，使得信号离子在库伦作用力下可以被抛出离子阱。

其中，交流(AC)电场的电压值小于射频交流电场的电压值。这样，可以保证待检测离子获得的激发能量较低，不易抛出离子阱。

可选地，交流(AC)电场的电压值为射频(RF)交流电场的电压值1/1000000-1/1000。即激发离子的能量相比于囚禁离子的能量低得多，如此，可以保证待检测离子被稳定地囚禁于离子阱内。

可选地，该离子激发检测方法运用于离子阱质谱仪，其中，离子阱可以为二维离子阱和三维离子阱，其中，二维离子阱可以为线型(Linear)离子阱、矩形(Rectilinear)离子阱等，三维离子阱可以为四极(Quadrupole)离子阱和圆柱(Cylindrical)离子阱等。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，质谱仪的离子激发检测方法包括如下步骤：将待测离子和信号离子传输至离子阱；对离子阱施加第一直流(DC)电场和射频(RF)交流电场从而将待检测离子和信号离子囚禁在离子阱中；利用AC激发待测离子，待测离子和信号离子产生库伦相互作用，信号离子抛出离子阱；离子检测器检测到信号离子，依据AC的激发频率得到待测离子的质荷比。本领域技术人员可以理解的是，在离子被传输至离子阱之前，还可以包括制备待测离子和信号离子的混合样品及将混合样品离子化的过程。

下面描述采用上述离子激发检测方法的具体实施例，以说明CI抛出法的可行性及优势。

实施例1

实验采用四辛基溴化铵(tetra-n-octylammonium bromide,1.5μg/mL,m/z 467)作为信号离子，四癸基溴化铵(tetrakis(decyl)ammonium bromide，2μg/mL,m/z 579)和四正十二烷基碘化铵(tetra-n-dodecylammonium iodide，2μg/mL,m/z 691)作为待测离子，标准品从百灵威公司(中国北京)购买。甲醇和水(50/50,v/v)溶剂用于制备上述信号离子和待测离子的样品溶液，所述溶剂从赛默飞世尔公司(美国)购买。

四辛基溴化铵、四癸基溴化铵、四正十二烷基碘化铵混合溶液利用纳米电喷雾离子源(nanoESI)离子化，离子化电压为1500V，样品离子进入离子阱质谱仪进行CI分析。参照图2所示，实验采用的离子阱质谱仪包括非连续式大气压接口(3)、双线型离子阱(1，2)和离子检测器(7)。非连续式大气压接口(3)包括一个长度为50毫米、内径为0.01英寸的不锈钢管(31)、一个脉冲阀(32)、一个橡皮连接管(34)、一个长度为250毫米、管内径为0.005英寸的不锈钢管(33)构成，通过脉冲阀32的打开时间控制真空腔(8)的气压。双线型离子阱为两个长度51毫米，场半径4毫米的线型离子阱(1、2)沿轴向串级构成。线型离子阱1、2通过1兆赫兹的射频RF电压控制，在压力为0.01-1毫托的气压下工作。

离子化的样品离子通过非连续式大气压接口(3)、线型离子阱1，最后进入线型离子阱2进行CI操作。线型离子阱2的离子数目通过三个门电极(4，5，6)的直流电压控制。线型离子阱2的RF电压可以控制待测离子和信号离子的q值，将信号离子四辛基溴化铵置于q＝0.87，此时的待测离子四癸基溴化铵和四正十二烷基碘化铵分别处于q＝0.7和0.59。

CI分析法采用的AC电压值为30mV，通过频率扫描速度为7500Da/s激发待测离子，如图3所示，信号离子(m/z 467)的抛出可以反应出待测离子(m/z 579，691)的信息。作为对照试验，一旦在CI方法中去掉信号离子，则无法得到待测离子的信号，图3中未加入(m/z467)的情况，质谱图显示为一条直线，证明图3中得到的待测离子的信号确实是由信号离子的抛出产生。

实施例2

实验采用细胞色素c的+13价离子作为信号离子，+7-+12价离子作为待测离子。细胞色素c(马心，200μg/mL)标准品从西格玛奥德里奇公司(美国)购买。甲醇和水(25/75,v/v)溶剂和3％的乙酸用于制备上述细胞色素c离子的样品溶液，所述溶剂从赛默飞世尔公司(美国)购买。其中，实验设备和实验方法与实施例1相同。

其中，图5为通过边界法对细胞色素c进行分析获得的质谱图，在图5中可以看到+13信号离子和+7-+12价离子作为待测离子的峰谱图。图6为通过CI法对细胞色素c进行分析获得的质谱图。相比于边界法而言，CI法接收信号强度提高，例如+7价离子，边界抛出时的信噪比<3，即无法检出，而CI法的信噪比为5。

根据本发明上述实施例的质谱仪的离子激发检测方法具有分辨率高的特点。例如，AC电场在7500Da/s的扫描速度下，如图2所示，待检测离子((m/z579)峰谱图的分辨率为0.5Da(FWHM)，然而相同条件下的边界抛出法分辨率2.4Da，如图4所示。当AC电场在750Da/s的扫描速度下，待检测离子峰谱图的分辨率为0.1Da，如图3所示。

根据本发明上述实施例的质谱仪的离子激发检测方法还具有不损伤待检测离子的特点。边界抛出法和共振抛出法需要将待测离子自身抛出获取其质荷比信息；而CI抛出法利用抛出信号离子得到待测离子的质荷比信息，待测离子依然存在离子阱中，可用于后续的质谱分析。

根据本发明上述实施例的质谱仪的离子激发检测方法可以运用于生物大分子的检测，检测效率较高。目前的质谱仪检测器对生物大分子，例如蛋白及其复合物的检测效率较低，CI抛出法可以利用小分子(信号离子)检测生物大分子(待测离子)，可以提高生物大分子的检测效率。

根据本发明上述实施例的质谱仪的离子激发检测方法可以运用于非共价相互作用离子的检测。边界抛出法和共振抛出法的待测离子需要抛出离子阱，离子获得的能量较高，离子中非共价相互作用因此会遭到破坏，难于用于非共价相互作用的检测；而CI抛出法无需抛出待测离子，离子的能量较低，可用于非共价相互作用的检测。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种质谱仪的离子激发检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

将待检测离子和信号离子传输至离子阱，对所述离子阱施加第一外电场从而将待检测离子和信号离子囚禁在所述离子阱中；

对所述离子阱施加用于激发待检测离子的第二外电场，待测离子和信号离子的库伦相互作用导致信号离子被抛出，待检测离子保留在所述离子阱内；

信号离子作为待测离子的替身离子被抛出所述离子阱，离子检测器捕获信号离子并依据第二外电场的激发频率获得待检测离子的质荷比。

2.根据权利要求1所述的质谱仪的离子激发检测方法，其特征在于，所述第一外电场包括第一直流(DC)电场和射频(RF)交流电场，在所述离子阱处于预设定的第一直流(DC)电场的电压值a，射频(RF)交流电场的电压值q的情况，利用射频(RF)调制待检测离子和信号离子，使得待检测离子处于势阱较深的稳定区，信号离子处于势阱较浅的稳定区边界。

3.根据权利要求2所述的质谱仪的离子激发检测方法，其特征在于，所述待检测离子处于势阱较深的稳定区中心。

4.根据权利要求2所述的质谱仪的离子激发检测方法，其特征在于，所述第二外电场为交流(AC)电场。

5.根据权利要求4所述的质谱仪的离子激发检测方法，其特征在于，所述交流(AC)电场的电压值小于所述射频交流电场的电压值。

6.根据权利要求4所述的质谱仪的离子激发检测方法，其特征在于，所述交流(AC)电场的电压值为所述射频(RF)交流电场的电压值1/1000000-1/1000。

7.根据权利要求1所述的质谱仪的离子激发检测方法，其特征在于，所述待检测离子为小分子代谢物、生物大分子、非共价作用离子的其中之一。

8.根据权利要求1所述的质谱仪的离子激发检测方法，其特征在于，所述信号离子为小分子代谢物和/或生物大分子。

9.根据权利要求1所述的质谱仪的离子激发检测方法，其特征在于，该离子激发检测方法运用于离子阱质谱仪，其中，所述离子阱为二维离子阱或三维离子阱。

10.根据权利要求1所述的质谱仪的离子激发检测方法，其特征在于，所述信号离子的质荷比小于所述待检测离子的质荷比。

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