CN112368572A - 离子化分子的结构分析 - Google Patents
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Abstract
一种离子迁移谱方法，包括：提供样品；由所述样品生成分子离子；根据所述分子离子的迁移特性分离所述分子离子；使经过分离的分子离子中的至少一些分子离子在碎裂区中碎裂，以形成亚分子碎片离子；根据所述碎片离子的迁移特性分离所述碎片离子中的至少一些碎片离子；其中分离所述分子离子、使所述经过分离的分子离子中的至少一些分子离子碎裂、以及分离所述碎片离子中的至少一些碎片离子中的每个步骤在至少50mbar的压力下执行；检测经过分离的碎片离子中的至少一些碎片离子；以及基于所述分子离子的迁移特性和/或至少一个经检测的碎片离子的迁移特性识别至少一个分子离子。还有一种分析分子结构的方法，包括：使离子在压力为10mbar或更高的气体中热碎裂以产生热碎片离子，其中气体温度被控制为高于300℃，之后分析至少一个碎片离子的质量和/或迁移特性。
Description
技术领域
本发明涉及离子化分子的结构分析，具体地涉及利用离子迁移谱和/或质谱。
背景技术
离子迁移谱(IMS)和质谱(MS)技术实现了离子化分子的结构分析。
已知的离子迁移谱仪通常包括其中在恒定或时变(例如，振荡)电场和/或流动气体的影响下，使离子漂流通过漂流空间，并且在检测到经过分离的离子之前，在时间和/或空间上进行分离的设备。可以在检测之前，对经过分离的离子进行进一步处理，例如，经受碎裂和/或进一步的离子分离。
已经提出了离子迁移谱仪的各种构造。一种类型的IMS设备包括充满缓冲气体的漂流管或单元，在所述充满缓冲气体的漂流管或池中，离子脉冲在由沿例如专利US5162649、US6992284和US6479815中公开的谱仪的长度轴向间隔开的一系列环形电极产生的轴向DC电位中分离。离子在不同时间到达漂流管的出口，这取决于其离子迁移率。另一类型的IMS设备包括漂流管，在所述漂流管中，施加行进DC波以选择例如US5789745中公开的某种迁移率的离子。缓冲气体通常被布置成沿与离子行进的方向相反的方向流动。
尽管此些类型的IMS可以使用离子脉冲，但其它类型的IMS使用连续离子束。已知一种类型的被称为场非对称离子迁移谱(FAIMS)的IMS，其中连续离子束而非离子脉冲在非对称振荡电场中基于离子迁移率相对于电场的非线性而分离，例如US5420424、US6690004、WO00/08454中公开的。
被称为差分迁移分析仪(DMA)的IMS设备也采用连续离子束，所述连续离子束在交叉的(即，横向)DC电场和气体流动中在空间上分离，例如US5869831和US6787763中所公开的。DMA已实现了高达110的分辨力(例如M.Amo-Gonzalez和S Perez,“分辨力为110的平面差分迁移分析仪(DMA)”,《分析化学(Analytical Chemistry)》2018)。IMS的另一种类型是横向调制IMS，其中对连续离子束进行过滤，以允许仅在传递通过轴向DC场和垂直RF场的组合后严格沿轴线返回的那些离子穿过，例如US8378297、US2016/0133451中所公开的。IMS的仍另一类型是俘获离子迁移谱(TIMS)。与如在漂流管中驱动离子通过静止气体相反，TIMS使离子在移动气体柱中保持静止(如Mark E.Ridgeway、Markus Lubeck、Jan Jordens、Mattias Mann、Melvin A.Park,“俘获离子迁移谱：简短回顾(Trapped ion mobilityspectrometry:A short review)”,《国际质谱杂志(International Journal of MassSpectrometry)》425(2018)22–35中所描述的)。
离子迁移谱仪可以作为用于离子分离的装置而独立操作，或者其可以与其它离子分离装置在所谓的混合IMS仪器中组合使用。混合IMS仪器的实例包含基于液相色谱IMS(LC-IMS)或气相色谱IMS(GC-IMS)的仪器。
许多离子迁移谱仪可在大气压下操作，如在US5162649中所公开的；并且可以在紧凑系统中提供高达150的分辨率，如Wu等人,《分析化学》1998,70,4929-4938中所描述的。
尽管大多数离子迁移谱仪都在大气压下操作，但使其适应于真空的趋势一直在增长，特别是当其与质谱(MS)串联使用，例如在混合IMS-MS仪器中时。这是由在低压下使用射频(RF)电场能够提供更好的离子限制所驱动的，如在US6914241、US6630662中所公开的。IMS-MS配置是强大分析工具，其采用质谱以用于进一步分离和/或识别离子迁移谱中的峰。可以将多于两种分离技术与IMS组合，例如LC-IMS-MS和GC-IMS-MS。
质谱具有能够通过使用激活方法从分子离子形成结构相关的碎片离子来推导关于分子离子的结构信息。碎片离子是分子离子内的键强度的特征。通常，激活通过将离子在低压下加速到气体填充的RF多极(通常为仅RF)进行的。质心碰撞能量可以达到许多eV。然后根据由分析物形成的特征碎片的强度识别所关注的分析物或分子离子并且任选地对其进行定量。
与现实矩阵中通常典型的样品复杂度相比，IMS的选择性低。在许多应用中，通常在IMS之后利用电喷雾离子化对样品进行分析。已发现IMS的选择性与如“快速离子迁移谱和高分辨率TOF MS(Fast ion mobility spectrometry and High resolution TOF MS)”,B.Kozlov、V.Makarov、I.Kurnin、A.Verenchikov,《ASMS摘要(ASMS abstract)》,2014中描述的以及“对行进波离子迁移率质谱仪的大型碰撞横截面剖析(Large-Scale CollisionCross-Section Profiling on a Traveling Wave Ion Mobility Mass Spectrometer)”,Christopher B.Lietz、Qing Yu、Lingjun Li,《美国质谱学会杂志(J.Am.Soc.MassSpectrom.)》(2014)25,2009–2019中进一步展示的精确质量MS不完全正交。
类似于串联MS-MS，已经进行了几种尝试以通过在大气压下布置离子碎裂来增强IMS的选择性。在大气压下实现类似质量的碎裂的尝试相比于低压(真空)通常不是很成功，并且遇到了各种困难。
如V.Berkout等人,《国际质谱学杂志(Int.J.Mass Spectrom)》,325-327(2012),p113以及US8188423中所描述的，由负电晕放电产生的自由电子和自由基导致由电喷雾离子(ESI)源产生并通过差分迁移率(FAIMS)与溶剂和空气分离的肽离子的类似ECD或ETD的碎裂。与ECD/ETD碎片一起，碰撞活化解离(CAD)类型的碎片可以根据气体温度形成。将高达且大于300℃的气体温度与电晕放电组合使用。此碎裂方法似乎对离子流动中的杂质高度敏感。描述了对真空下的碎片的质谱分析。
如B.D.Robb在《分析化学》2014，86(9),第4439-4446页中所描述的，由UV灯产生的自由电子会产生某种量的类似ECD或ETD的碎裂。值得注意的是，将ESI离子和溶剂直接注入到反应器中。然而，UV灯不能单独产生碎裂，而是与也被称为碰撞诱导解离(CID)的源内CAD以及Q-TOF质谱仪的碰撞池中的补充活化组合使用，这质疑了方法的机制和效用。
US6797943描述了一种可以使用以下几种碎裂方法来分解离子的离子迁移率装置：如使用紫外线(UV)灯或真空UV灯、电子或离子束、放射性源、放电等。所述装置被设计成用于分析生物武器威胁(例如病毒或细菌)的蛋白质，并且因此产生了分析物的多种电荷状态。出于上述原因，提出的碎裂方法的效率和鲁棒性令人怀疑。通常，需要相对大量的能量以确保碎裂发生。此外，离子积聚在储槽中，在进入离子迁移率漂流室之前，离子在所述储槽中暴露于离子修饰能量中。此布置的问题在于，所有分子离子都同时经受碎裂，从而使分析非常困难。
US9678039和US7932489描述了一种与热能一起施加射频(RF)电场以获得子离子的离子迁移谱仪。给出了很少关于这些子离子的细节，并且根据RF电极在沿漂流管的半路的定位，似乎装置旨在通过仅改进进入离子的去溶剂化或去簇化，即将其从溶剂、水或任何其它基质的附接的分子释放来修饰离子或使离子碎裂。
在US8242442中描述了离子迁移率漂流时间的结构选择性偏移，其中目的是分离重叠的化合物。还在US2010/0108877中公开了通过离子-分子相互作用施加此偏移的另外的方式。在US2009/0039248中提出了通过强电场进行的离子修饰，但是所述修饰似乎主要涉及聚簇/去簇化过程并且不能产生对结构相关的碎片的碎裂。
因此，需要在离子迁移谱和质谱方面进行改进。在这种背景下，完成了本发明。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种离子迁移谱方法，包括：
提供样品；
由所述样品生成分子离子；
根据所述分子离子的迁移特性分离所述分子离子；
使经过分离的分子离子中的至少一些分子离子在碎裂区中碎裂，以形成亚分子碎片离子；
根据所述碎片离子的迁移特性分离所述碎片离子中的至少一些碎片离子；
其中分离所述分子离子、使所述经过分离的分子离子中的至少一些分子离子碎裂、以及分离所述碎片离子中的至少一些碎片离子中的每个级在至少50mbar的压力下执行；
检测经过分离的碎片离子中的至少一些碎片离子；以及
基于至少一个分子离子的迁移特性和/或至少一个经检测的碎片离子的迁移特性识别所述至少一个分子离子。优选地，所述分子离子使用其经检测的碎片离子中的至少两个碎片离子(例如，两个、三个、四个或更多个碎片离子)的迁移特性识别。另外，在一些实施例中，也可以使用碎片离子强度的一个或多个比率来识别所述至少一个分子离子。
在某些实施例中，本发明提供了一种根据权利要求1或权利要求2所述的离子迁移谱方法。
根据本发明的另一方面，提供了一种离子迁移谱仪，所述离子迁移谱仪包括：
离子源，用于接收样品并由所述样品生成分子离子；
第一离子迁移分离器，用于根据所述分子离子的迁移特性分离所述分子离子；
碎裂区，用于使所述经过分离的分子离子中的至少一些分子离子碎裂，以形成亚分子碎片离子；
第二离子迁移分离器，用于根据所述碎片离子的迁移特性分离所述碎片离子中的至少一些碎片离子；
其中所述第一离子迁移分离器、所述碎裂区和所述第二离子迁移分离器在使用中适于被保持在至少50mbar的压力下；以及
检测器，用于检测经过分离的碎片离子中的至少一些碎片离子。
所述设备可以进一步包括数据处理系统，所述数据处理系统用于从所述检测器接收表示经检测的分子离子和/或碎片离子的所述离子迁移率的数据以及处理所述数据。因此可以获取所述碎片离子的离子迁移谱(碎片IMS谱)。通过处理所述数据，所述数据处理系统因此可以基于分子离子的离子迁移率和/或其经检测的碎片离子中的至少一个、优选地至少两个、甚至更优选地三个到六个的所述离子迁移率识别分子离子。通过将所述所获取的碎片IMS谱与已针对所关注的多种分析物(分子)创建的碎片(例如碎片IMS谱或MS谱)库进行参考/比较，可以实现识别的另外的置信度。所述识别分子离子的方法通常意指所述方法为涉及检测已知分析物(分子离子)的目标分析之一，所述已知分析物已经在文库或数据库中进行了表征并且存储在文库或数据库中。所述文库或数据库可以本地保持在例如数据处理系统上或远程保持在如基于云的存储装置或远程服务器上。
所述样品通常包括多种不同分子(即，不同分子物种)，所述多种不同分子在离子源中引起多种不同分子离子，所述分子离子可以根据其离子迁移率在第一级中随后进行分离。术语分子离子在本文中是指样品的离子化的但未碎裂的分子，其在本文中并且在所述领域中还可以被称为母体离子或前体离子。由分子离子的碎裂等引起的碎片离子为分子离子的更小的亚基，即亚分子碎片。优选地至少两个亚分子碎片离子是针对分子离子的物种检测的并且用于识别所述分子离子。分子离子可以衍生自含有不同分子的样品。分子可以选自实例的以下非详尽列表中：生物聚合物、肽、多肽、蛋白质、蛋白复合物、氨基酸、碳水化合物、糖、脂肪酸、脂质、维生素、激素、多糖、磷酸化肽、磷酸化蛋白质、糖肽、糖蛋白、寡核苷酸、寡核苷、聚糖、DNA、DNA片段、cDNA、cDNA片段、RNA、RNA片段、mRNA、mRNA片段、tRNA、tRNA片段、单克隆抗体、多克隆抗体、核糖核酸酶、酶、代谢物、抗生素、杀虫剂、挥发性有机化合物(VOC)、药物和/或类固醇。所述样品可以包括至少2个、5个、10个、20个、50个、100个、500个、1000个或5000个不同分子。
本发明的此方面的方法因此包括串联IMS方法。(即，IMS-IMS或IMS2)。分子离子和/或碎片离子的离子迁移率分离通常由电场和/或气体流场之一或组合引起。在此，根据所述分子离子的迁移特性分离分子离子和/或根据所述碎片离子的迁移特性分离所述碎片离子中的至少一些碎片离子包含使用离子的迁移率或离子的修饰的分离离子的任何方法或装置。因此，其基于通过替代或除了离子质量或质/荷比之外的离子的物理特性和/或化学特性分离离子。在一些实施例中，分离可以包括使用经过组合的离子迁移率和质量特性。在一些实施例中，可以使用连接到一种类型的离子但不连接到另一种类型的离子的修饰物，即掺杂剂，并且因此最初相同迁移率的离子在修饰之后通过不同迁移率可以变得易于分离。在一些实施例中，离子的分离可以由交叉的电场和气体流场的组合引起。在一些实施例中，根据所述分子离子的迁移特性分离所述分子离子和/或根据所述碎片离子的迁移特性分离所述碎片离子中的至少一些碎片离子可以通过使用以下之一来执行：在缓冲气体填充的漂流管中使用沿所述漂流管的轴向DC电位进行的离子迁移率分离；在缓冲气体填充的漂流管中使用沿所述漂流管的行进DC波进行的离子迁移率分离(例如使用经过组合的迁移率和质量特性)；如场非对称离子迁移谱(FAIMS)中的差分迁移率；-交叉流动差分迁移率分析(DMA)；横向调制离子迁移谱；以及俘获离子迁移谱(TIMS)。因此，对离子迁移率分离的引用意指通常根据离子的迁移特性的分离。
在以下描述的优选实施例中，IMS中的任何级或优选地两个级中的离子迁移率分离可以由交叉的电场和气体流场的组合引起。因此，分离所述分子离子和/或分离所述碎片离子中的至少一些碎片离子可以由交叉的电场和气体流场的组合引起。因此，所述第一离子迁移分离器和/或所述第二离子迁移分离器可以包括交叉的电场和气体流场。
优选地根据分子离子的离子迁移率分离分子离子、使所述经过分离的分子离子中的至少一些分子离子碎裂、以及分离碎片离子中的每个级在至少100mbar、更优选地至少250mbar、甚至更优选地至少500mbar的压力下以及最优选地大气压(其可以为大约1000mbar)下执行。因此，第一离子迁移分离器、碎裂区和第二离子迁移分离器优选地在使用中适于被保持在至少100mbar、更优选地至少250mbar、甚至更优选地至少500mbar的压力下以及最优选地大气压(其可以为大约1000mbar)下。
离子迁移率分离(IMS)的第一级包括分子离子的分离。第一级IMS可以包括分子离子基于其离子迁移率在时间和/空间上的分离。
IMS的第一级可以包括将分子离子的脉冲(例如使用离子门的脉冲或门控)引入到缓冲气体填充的漂流管中，通过漂流管输送分子离子，其中所述离子脉冲使用沿漂流管的例如由沿例如专利US5162649、US6992284和US6479815中公开的谱仪的长度轴向间隔开的一系列环形电极产生的轴向DC电位梯度分离。离子在不同时间到达漂流管的出口，这取决于其离子迁移率。第一级IMS可以包括漂流管，在所述漂流管中，施加行进DC波以选择例如US5789745中公开的某种迁移率的分子离子。缓冲气体通常被布置成在这些类型的IMS中沿与离子行进的方向相反的方向流动。尽管此些类型的第一级IMS可以使用离子脉冲，但其它类型的第一级IMS使用连续离子束。然后可以基于离子的离子迁移率在空间上分离离子。
适用于分离分子离子的第一级的一种类型的IMS为场非对称离子迁移谱(FAIMS)，其中连续分子离子束在基于离子迁移率非线性的相对于例如US5420424、US6690004、WO00/08454中公开的电场的非对称振荡电场中分离。
适用于IMS的第一级的优选类型的IMS为分离连续分子离子束的差分迁移分析仪(DMA)，其中分子离子在例如US5869831和US6787763中公开的交叉的(即，横向)DC电场和气体流动中在空间上分离。
另一种类型的IMS的第一级为过滤连续分子离子束以允许在传递通过例如US8378297、US2016/0133451中公开的轴向DC场和垂直RF场的组合后仅严格沿轴线返回的那些离子的横向调制IMS。
IMS的第二级，即碎片离子放分离可以使用上文针对第一级公开的任何类型的IMS。正如第一级IMS，适用于第二级的IMS的优选类型为差分迁移分析仪(DMA)或在空间上分离离子的其它IMS。
因此，在一些实施例中，根据其离子迁移率分离分子离子和/或分离碎片离子中的至少一些碎片离子中的每一者通过使用以下项中的一项来执行：在缓冲气体填充的漂流管中使用沿所述漂流管的轴向DC电位进行的离子迁移率分离；在缓冲气体填充的漂流管中使用沿所述漂流管的行进DC波进行的离子迁移率分离；场非对称离子迁移谱(FAIMS)；差分迁移率分析(DMA)；横向调制离子迁移谱。
可以提供气体循环环路，例如其中在第一级IMS中提供气体流场的气体流动可以循环到第二级IMS以提供第二级IMS的气体流场，并且然后例如在闭合环路中，循环回到第一级IMS以在第一级IMS中提供气体流场等。因此，优选地设置用于使气体在第一离子迁移分离器与第二离子迁移分离器之间连续循环的闭合气体循环环路。可以在环路中设置压缩机，以使气体循环。这在双DMA设计(IMS的每个级都使用DMA)的情况下工作良好。因此，在闭合环路中循环的气体可以用于根据分子离子的离子迁移率分离分子离子以及根据碎片离子的离子迁移率分离碎片离子中的至少一些碎片离子两者。
根据本发明的离子迁移谱仪可以作为用于离子分离的装置而独立操作，或者其可以与其它分离装置在混合IMS仪器中组合使用。在一些实施例中，如液相色谱或气相色谱等样品分离装置可以定位在本发明的离子迁移谱仪上游并且连接到其离子源。因此，可以在对样品进行离子化以产生分子离子之前，基于LC或GC分离样品。混合IMS仪器的实例因此可以包含基于液相色谱IMS(LC-IMS)或气相色谱IMS(GC-IMS)的混合IMS仪器，更具体地其中IMS为根据本发明的各方面的串联IMS：例如LC-IMS-IMS或GC-IMS-IMS。优选步骤包括在生成分子离子之前，使用液相色谱或气相色谱分离所述样品。
碎裂级优选地为大气压碎裂。碎片离子优选地在由电场和/或气体流场输送分子离子通过碎裂区时产生。优选地，碎裂为热碎裂。因此，碎裂区优选地为热碎裂区以及尤其是热大气压碎裂(TAPF)区。更优选地，碎裂为加热的气体或热气体中的热碎裂，其中气体温度T为至少200℃、300℃、400℃或500℃，例如高达1000℃，优选地400-700℃或更优选地500-700℃。因此，碎裂区包括处于前述温度的加热的气体和热气体。因此，在本发明的方法中，使经过分离的分子离子中的至少一些分子离子碎裂包括由电场和/或气体流场输送分子离子通过碎裂区，其中碎裂区包括温度为至少200℃、300℃、400℃或500℃，优选地400-700℃或更优选地500-700℃的气体。在气体温度在碎裂区中不均匀的情况下，气体温度是指离子作为集合在其行进通过气体时所经历，由此提供有效碎裂温度的平均气体温度，所述平均气体温度对用于空间间隔的离子流动的非均匀空间温度轮廓之上的碎裂有效性进行平均。碎裂区的温度因此由其中的气体温度表示。在实验的基础上，已经发现了优选条件，其中碎裂在至少500℃的温度下并且在气体中的离子的相互作用时间为至少1毫秒(ms)，优选地至少2毫秒的情况下发生。气体温度可以由例如定位在碎裂区内部的气体中或定位在碎裂区的上游和下游(在气体流动感测中)的一个或多个热电偶测量。在一些实施例中，加热的气体可以提供用于任选地在与电场的组合中输送分子离子和/或碎片离子通过碎裂区的气体流场。在一些实施例中，加热的气体可以提供基本上横向于电场的交叉的(横向)气体流场，其中使用电场输送分子离子和/或碎片离子通过碎裂区。碎裂区可以定位在由第一离子迁移分离器和第二离子迁移分离器分离并且定位在第一离子迁移分离器与第二离子迁移分离器之间的碎裂室内，所述第一离子迁移分离器与第二离子迁移分离器可以定位在不同室内。可替代地，碎裂区可以作为第一离子迁移分离器和第二离子迁移分离器中的一个或两个位于同一室内。
进一步优选地，碎裂是在碎裂区中不存在任何另外的(即试剂)带电粒种(例如电子或试剂离子，特别是与分子离子具有相反极性的离子)或电磁辐射的情况下的热碎裂。因此，优选地，碎裂区含有仅一种极性(碎裂的分子离子的极性)的离子，这例如与ETD池不同。分子离子通常具有彼此相同的极性(即，所有分子离子为正离子或所有分子离子为负离子)。碎裂区优选地含有仅所述一种极性的离子。因此，碎裂不包括例如ETD。碎裂因此优选地通过仅热碎裂发生。
本文中的另外的带电粒种或试剂带电粒种意指衍生自除了样品之外的源的电子或离子，例如，使用电晕放电或辉光放电由试剂气体(例如，氩气)衍生的试剂离子。因此，与如使用电晕放电或UV光辐射的大气压碎裂等大气压碎裂的现有方法相比，本发明优选地提供其中分子离子不与任何试剂带电粒种或电磁辐射(光子)相互作用的碎裂级。
本发明可以产生与将通过碰撞诱导解离(CID)获得的碎片离子类似的碎片离子，例如产生：肽的b-碎片和y-片段，以及任选地a-片段。然而，尽管常规CID通常在大气压下以及甚至在高于50mbar时无效，但是本发明可以通过使分子离子与加热的气体单独相互作用而在大气压下产生类似的碎片。本发明使用热能单独令人惊讶地工作良好。本发明甚至可以使某些分子离子有效碎裂，使得CID即使在较低压力下也不能够有效碎裂。本发明的热碎裂可以为一定范围的分子离子质量和电荷提供有效碎裂(在一些实施例中很大程度上不依赖于这些因素)。在CID中的碰撞能量通常为数十eV的情况下，分子离子与加热的气体的碰撞通常在不大于ev的十分之几的能量下发生。因此，典型地，分子离子与加热的气体的碰撞在<1eV、优选地<0.7eV以及更优选地<0.5eV的能量下发生。
分子离子在碎裂区中的驻留时间(例如分子离子在加热的气体中的驻留时间或相互作用时间)优选地在0.1-10毫秒(ms)、特别地0.1-5毫秒(ms)、更优选地0.3-5毫秒、0.5毫秒-5毫秒或1毫秒-5毫秒或1毫秒-3毫秒的范围内。驻留时间优选得应为至少为0.1-1毫秒(例如至少0.1毫秒、至少0.5毫秒或至少1毫秒)，这对于m/z在400-700的范围内的离子尤其如此。驻留时间优选地应为至多5毫秒(或更高，例如至多10毫秒)或至多3毫秒，特别地0.1-3毫秒或至多2毫秒，特别地0.1-2毫秒。期望大约0.1-5毫秒或0.1-3毫秒(如约1毫秒)的短驻留时间，以提高方法的灵敏度。在相对较高压力(例如大气压)下，离子电荷密度由于空间电荷自膨胀而与驻留时间成反比。此外，电喷雾气雾剂在室温下在约1毫秒内蒸发，并且在迁移率装置内，通常驻留时间在1毫秒以下。因此，期望在碎裂区中0.1-5毫秒或0.1-3毫秒的短驻留时间，以维持离子信号。在比现有技术中所采用的短的这些较短驻留时间内，必须使用更高温度来实现热碎裂。可以如下对阿伦尼乌斯公式(Arrhenius equation)进行重新布置，将碎裂区中的驻留时间τ(tau)与碎裂温度T，即加热的气体的温度(用于实现50％碎裂的温度)、碎裂的分子焓ΔH和振动周期τ0连接：
τ＝τ0*exp(-ΔH/kT)
其重新布置为
-T*ln(τ)＝-T*ln(τ0)+ΔH/k
优选地，以上公式的左侧T*ln(1/τ)高于3200，其中T的单位以开尔文(K)计算，并且τ以秒计。任选地，T*ln(1/τ)低于7600。更优选地T*ln(1/τ)高于4000，或高于5000，或高于6000。例如，对于800K的碎裂温度T和1毫秒的驻留时间τ，T*ln(1/τ)为800*ln(1/0.001)＝5526。
平均而言，碎裂速率可能每15℃加倍。特别优选的是在加热的气体中的驻留时间为至少0.1毫秒、至少0.5毫秒或至少1毫秒，至多3毫秒或至多5毫秒。在使用加热的气体射流使离子碎裂的情况下，在碎裂区中的驻留时间可以小于离子传递通过含有加热的气体的加热的通道、管或毛细管的驻留时间。
在一些实施例中，本发明可以包括依序(例如，其中离子迁移分离器在时间上分离碎片离子，或者其中离子迁移分离器在空间上分离碎片离子并且碎片离子被依序扫描到检测器中)或并行(例如，其中碎片离子在空间上分离)检测来自给定的分子离子或每个分子离子的多于一个的碎片离子。
对于并行检测，例如，检测器可以包括阵列检测器，所述阵列检测器包括在一维(1D)或二维(2D)阵列中空间上分离的多个单独检测器。例如，第二离子迁移分离器可以是差分迁移分析仪(DMA)或者通常基于离子的离子迁移率在空间上分离连续离子束的IMS(例如，分离连续离子束的IMS，其中离子在交叉(即横向)的DC电场和气体流动中在空间上分离)，使得沿1D或2D阵列检测器并行检测两个或更多个碎片离子。以此方式，可以执行并行反应监测(PRM)或多反应监测(MRM)。
在另一优选类型的实施例中，设置了单个检测器(即单通道检测器)，并且例如通过使用作为差分迁移分析仪(DMA)的第二离子迁移分离器，或通常基于碎片离子的离子迁移而在空间上分离连续碎片离子束的IMS(例如，分离连续离子束的IMS，其中离子在交叉(即横向)的DC电场和气体流动中在空间上分离)，并且扫描或步进所述分离器的电场，所述碎片离子被依序扫描到检测器中。因此，检测器可以包括单个检测器，并且第二离子迁移分离器包括基于碎片离子的离子迁移而在空间上分离连续碎片离子束的、具有电场的离子迁移分离器，所述电场可以被扫描，以用于将碎片离子依序扫描到单个检测器中。
此外，在一些实施例中，除了检测如先前所描述的多于一个的碎片离子之外或替代检测多于一个的碎片离子，可以使由第一离子迁移分离器分离的多于一个的分子离子被依序(例如，其中离子迁移分离器在时间上分离分子离子，或者其中离子迁移分离器在空间上分离分子离子并且分子离子被依序扫描到碎裂区中)或并行(例如，其中分子离子在空间上分离)碎裂。因此，分子离子可以被依序或并行分离和碎裂。
出于并行碎裂的目的，例如，碎裂区可以包括碎裂通道的阵列(两个或更多个通道)。可以存在碎裂通道的一维(1D)或二维(2D)阵列。碎裂通道的阵列可以包括多个单独通道，每个单独通道与一个或多个相邻通道由一个或多个壁分离。例如，第一离子迁移分离器可以是差分迁移分析仪(DMA)或者通常基于分子离子的离子迁移率在空间上分离连续分子离子束的IMS(例如，分离连续离子束的IMS，其中离子在交叉(即横向)的DC电场和气体流动中在空间上分离)，使得两个或更多个分子离子在单独碎裂通道的阵列中并行碎裂。碎裂通道的阵列因此并行接收经过分离的分子离子。
在另一优选类型的实施例中，设置了单个碎裂通道，并且例如通过使用作为差分迁移分析仪(DMA)的第一离子迁移分离器，或通常基于分子离子的离子迁移而在空间上分离连续分子离子束的IMS(例如，分离连续离子束的IMS，其中离子在交叉(即横向)的DC电场和气体流动中在空间上分离)，并且扫描或步进所述分离器的电场，所述分子离子被依序扫描到碎裂通道中。因此，碎裂区可以包括单个碎裂通道，并且第一离子迁移分离器包括基于分子离子的离子迁移而在空间上分离连续分子离子束的、具有电场的离子迁移分离器，所述电场可以被扫描，以用于将分子离子依序扫描到单个碎裂通道中。
在一些实施例中，多于一个的分子离子在空间上沿第一分离方向(x)被分离，并且多于一个的碎片离子在空间上沿第二分离方向(y)被分离，其中第一方向和第二方向不同，优选地基本上彼此正交。例如，第一离子迁移分离器可以是差分迁移分析仪(DMA)或基于分子离子的离子迁移率在空间上分离连续分子离子束、沿第一分离方向(x)分离分子离子的其它IMS，并且第二离子迁移分离器可以是差分迁移分析仪(DMA)或基于离子的离子迁移率在空间上分离连续离子束、沿第二分离方向(y)、优选地垂直于x分离碎片离子的其它IMS。可以在如检测器的其中单独检测器沿x方向和y方向延伸的2D阵列等实施例中设置检测器。在一些实施例中，分子离子沿第一分离方向(x)被并行分离和碎裂，并且来自每个分子离子的多于一个的碎片离子沿第二分离方向(y)被并行分离和检测，其中所述检测器包括如上所述的二维阵列检测器。
通常，对于经过分离的分子离子，所述分子离子中的一些而非全部碎裂。通常，未碎裂的分子离子和碎片离子通过离子迁移率分离的第二级(第二离子迁移分离器)传输并检测。因此，经检测的碎片离子迁移谱(通常在处理来自数据处理装置中的检测器的数据之后存储和/或输出)通常包括针对未碎裂的分子离子和一个或多个碎片离子(优选地两个或更多个碎片离子)的峰。
在一些优选实施例中，本发明进一步包括在以串联IMS模式(IMS2)操作之前或之后，以单个IMS模式(IMS1)操作。在单个IMS模式(IMS1)下，在一定时间段内，分子离子不被碎裂而是仅例如作为分子离子通过如所描述的离子迁移率分离的第一和/或第二级被分离，并且被检测。出于此目的，在一定时间段内，分子离子绕过碎裂区，或优选地被输送通过如下碎裂区，即，所述碎裂区的状态针对一时间段被调整以使得所述状态不允许碎裂。
对于绕过的实施例，谱仪可以包括位于碎裂区的上游和下游的可操作以引导分子离子以遵循绕过碎裂区的路径的离子光学器件。分子离子在绕过碎裂区的路径的上游和下游分别由离子迁移率分离的第一级和/或第二级分离。位于碎裂区的下游的另外的离子光学器件可以允许遵循旁路路径的离子通过第二离子迁移分离器或避开第二离子迁移分离器被引导到检测器。在分子离子由IMS的第一级分离但未被碎裂的情况下，其可以在第二离子迁移分离器中进一步经受IMS的第二级，以进一步增加其分离度，或者其可以在基本上在第一级之后不进行进一步的离子迁移率分离的情况下进行检测。
对于其中分子离子传输通过碎裂区，其中条件不允许碎裂的一些实施例，可以调节碎裂中的气体条件，尤其是气体温度，使得其不允许碎裂。这优选地以脉冲方式执行。这可以以多种方式实现。例如，加热的气体可以以脉冲形式施加到碎裂区中，其中当碎裂区中存在加热的气体的脉冲时碎裂发生，并且在加热的气体的脉冲之间碎裂不发生。在另一个实例中，可以将较冷的气体(相比于加热的气体)脉冲与加热的气体在碎裂区中混合，以便于充分降低脉冲期间的气体温度，使得碎裂不会发生。可以通过用于对一种或多种气体流进行脉冲的一个或多个脉冲阀来提供热碎裂的脉冲切换。例如，一个或多个脉冲阀可以提供热气体脉冲，或者一个或多个脉冲阀可以提供冷气体脉冲以提供冷气体流和热气体流的脉冲混合。以此方式使用的脉冲阀可以能够例如快速地，如以数十ms(例如10-100毫秒)的时间尺度在碎裂温度与非碎裂温度之间切换温度。
因此，可以根据需要开启或关闭碎裂。在上面的实施例中，其中碎裂区包括碎裂通道的阵列，碎裂可以在一个或多个通道中开启，而其在一个或多个其它通道中关闭。在一些实施例中，碎裂可以替代地针对所有碎裂通道一起开启或针对所有通道一起关闭，例如，在其中通道具有共同的气体流动的实施例中。在其中分子离子通过第一级IMS在时间上分离的一些实施例中，碎裂可以针对仅所选分子离子，即不是所有分子离子开启。以此方式，在样品已经受色谱分离的情况下，碎裂区条件可以随时间推移而变化，以基于所选分子离子的离子迁移率和/或基于其色谱保留时间使所选分子离子碎裂。
可以通过执行所谓的热扫描来提供进一步的分析维度，也就是：随碎裂区中的气体温度的变化来检测碎片离子。以此方式，可以控制用于加热的装置或加热器以改变气体的温度，以便在检测碎片离子的同时扫描气体的温度。以此方式，对分子离子和碎片离子的所描述的分析可以在多个不同碎裂区气体温度下并且在针对温度所记录和/或绘制的碎裂的程度下执行。碎裂的程度可以测量并表示为例如特定(或多于一个)碎片离子强度，或总碎片离子强度(所有碎片离子强度的总和)或一个或多个碎片离子强度与分子离子强度的比率。不同分子离子不仅产生不同的碎裂方式(即特性结构相关的碎片离子)，而且碎裂的程度也可以示出与用于热碎裂的气体温度的特性相关性。以此方式，可以确定分子离子的碎裂对温度的曲线。这可以用于帮助识别分子离子，优选地在与分子离子和/或碎片离子的离子迁移率一起使用时。
在一些实施例中，本发明实现了对快速或超快速过程的监测(例如，移动实验室应用、机载剖析、技术控制、机场安全、排气优化、在危险制造过程中监测空气等)。在一些此类实施例中，根据本发明的IMS-IMS谱仪可以被配置成选择目标样品分子的在例如第一级IMS中(例如，如所描述的并行)的一个多个具体分子离子，并且选择和检测针对每个所选分子离子的一个或多个(优选地两个或更多个)特性碎片离子。因此，本发明有效地变为被调谐成具体离子检测通道的2D传感器。
在一些实施例中，可以看出，方法可以包括分子离子在高于50mbar的气体压力下的离子迁移率分离，所述离子迁移率分离包括：(优选地通过电场和任选地气体流动)从样品中生成分子离子的流动(优选地，连续流动)，根据离子的离子迁移率在电场和/或气体流场中分离离子，使经过分离的离子中的至少一些离子碎裂以产生碎片离子，分离碎片离子中的至少一些碎片离子以及检测碎片离子，例如以产生碎片离子谱，其中：碎片离子是在高于50mbar的气体压力下通过电场和/或气体流场输送分子离子通过气体填充的碎裂区时产生的；碎片离子在高于50mbar的气体压力下，根据其离子迁移率在电场和/或气体流场中分离；并且其中至少一种分子离子是基于其离子迁移率和至少两个特性碎片离子的离子迁移率识别的。任选地，可以使用碎片离子强度的比率来识别至少一个分子离子。如上所述，碎裂优选地在没有另外的离子化步骤的情况下(即，没有另外的带电粒种或电磁辐射的情况下)实施。碎裂可以在温度高于200℃或高于300℃或高于400℃的加热的气体的流动中执行。
在一些实施例中，分子离子可以通过将其碎片离子IMS谱(例如，碎片离子强度，优选地包括分子(母体)离子的强度的比率，即碎片离子与分子离子的比率)与先前创建的碎片离子IMS谱库进行比较来识别。例如，特定碎片离子和分子离子的碎片离子强度的比率是分子离子的特性。此实例被示出在图9和10中并且在下文进一步描述。碎片强度对各个碎片的碎裂温度的对数图中的基本上平行的曲线意指其比率在宽范围的温度下保持基本恒定。碎片的分子特异性集合以及碎片离子对分子离子的单独强度比率是例如根据串联质谱众所周知的。因此，碎片离子强度的比率是化合物(分子离子)的特性。根据目标化合物的用于获得特性碎片的充足强度的特性温度通常在约30-50％的亲本离子存活率(70-50％碎裂)下发生。
由于IMS的通常有限的选择性，因此经检测的且处理的碎片的数量优选地应为至少两个(更优选地三个或更多)，并且更优选的是并行检测多个碎片(例如，使用如图1中示出的系统)。方法的先前开发可以确定可靠识别分子离子所需的片段的最小数量。
此识别方法的优选特征因此包含以下中的一个或多个：IMS分离的第二级处的并行(即多通道)IMS；分析多个通道(碎片)的一个或多个强度比率，优选地两个通道的至少一个比率以及优选地至少两个比率；检测可靠识别所需的多个通道(基于样品和基质复杂性)，更优选检测多于两个碎片离子通道(甚至更优选地并行检测)。可以针对每种应用开发特定标准，使得有时包含假阳性(用于昂贵的准确分析之前的快速筛查)是可接受的，而有时在充足数量的通道中检测正确信号是必须的。
在此类实施例中，可以在校准物的帮助下调节碎裂条件，以提供用于与文库中包含的谱中的至少一个匹配的碎片谱。例如，出于目标分析的目的，可以分析在文库中具有碎片谱以及在第一碎裂条件下获得的其碎片谱的已知样品(校准物)。在校准物的碎片谱在某种温度设定下充分紧密匹配文库中的校准物的碎片谱之前，可以调节碎裂条件(例如，碎裂区的温度和/或区中的离子驻留时间)。可替代地，可以在第一校准实验中基于分子离子的碎裂程度来校准碎片离子比率。因此，使用校准物作为一种类型的分子温度计，以建立正确的温度和/或用于碎裂的其它条件。也可以使用分子离子碎裂的程度作为此校准物或分子温度计。如图9所见，碎片离子比率随温度的变化远比碎裂程度慢。实际上，与分子离子的碎裂曲线相比，碎片离子的曲线在宽温度范围内几乎保持平行。这意味着离子碎裂的程度可以充当温度校准物或温度计。此方面允许调节碎裂温度，以优化方法对目标化合物的敏感性，这在可以通过例如混合热气体射流和冷气体射流实现对反应器温度的快速调节的情况下尤其如此。尽管方法优选地包括对至少两个碎片的分析，但是可以预期的是，较大数量的碎片将用于提高选择性并解决离子迁移分离器的有限分离功率。下文描述的图1呈现了用于并行检测多个碎片的设备的实例。在目标分析中，可以在现有校准实验中，例如在分析方法的开发期间，并且在解决任何特性矩阵的复杂性的情况下确定所需数量的经检测的碎片。在并行检测多个碎片离子的情况下，分析方法优选地形成一个或多个检测标准，选择如在初步筛选的情况下假阳性识别是否可接受，或者如在用于法庭诉讼的证据分析的情况下其是否不可接收，使得必须检测所有特性碎片。
用于检测离子(分子离子和/或碎片离子)的检测器可以包括微通道板(MCP)，例如单MCP或双MCP，如人字形对MCP或离散倍增极电子倍增器。检测器可以包括用于将离子或电子转化成光子和光子检测器，如光倍增器管的闪烁器(其中光子包最终被转化回到电子包以用于检测)。在一些实施例中，检测器可以包括微通道板或电子倍增器，随后是闪烁器和光子检测器。可以使用本领域已知的其它离子检测器。
所述设备可以进一步包括数据处理系统，所述数据处理系统用于从所述检测器接收表示经检测的分子离子和/或碎片离子的所述离子迁移率的数据以及处理所述数据。通过处理数据，由此可以产生经检测的离子的谱(碎片离子谱)，并且所述谱可以任选地存储和/或输出。通过处理所述数据，数据处理系统因此可以基于分子离子的离子迁移率和/或其经检测的碎片离子中的至少一个、优选地至少两个的离子迁移率识别分子离子。数据处理装置可以执行碎片离子谱与碎片或碎片离子谱库的比较，以识别如下所述的分子离子。数据处理装置可以包括仪器接口，所述仪器接口被适配成向谱仪以及任选地如液相色谱或气相色谱等可操作地连接到谱仪(如关于其离子源)的分离装置发送命令或操作谱仪和任选地分离装置。如所述的，数据处理系统被配置成例如经由仪器接口而从检测器接收所测量的数据。所述数据处理装置可以包括用于以数据集形式存储数据的存储单元。数据处理装置与谱仪和/或色谱之间的连接可以由导线或玻璃纤维建立或通过无线通信无线建立。优选地，数据处理装置进一步包括视觉化装置(具体地，显示器和/或打印机)和互动装置(具体地，键盘和/或鼠标)，使得用户可查看并键入信息。当数据处理装置包括视觉化装置和互动装置时，谱仪的操作优选经地由图形用户界面(GUI)控制。数据处理装置可以被实现为个人计算机或以分布式形式实现，其中多个处理装置通过有线网络或无线网络互连，使得处理器单元可以含有多个处理器。处理器优选地在面向目标的编程语言，如C#或C++中实施；可以使用如.Net等框架。存储单元被适配成存储测量的数据集，并且优选地包括以电荷形式保存信息的存储器装置，如随机存取存储器，和/或以磁结构域的形式保存信息的存储器装置，如硬驱动。
现在将描述本发明的另外的方面。本文描述的热碎裂级可以用于离子迁移率分离的方法以及除了本文所述的实施例的离子迁移谱仪中，所述热碎裂级包括在至少0.01或0.1或1或10或50mbar的压力下以及优选地大气压下的加热的气体，其中气体温度T为至少(优选地高于)200℃、300℃或400℃或500℃，并且其中碎裂是在不存在试剂带电粒种(电子或试剂离子，尤其是相反极性的离子)或电磁辐射的情况下发生的。此外或可替代地，碎裂级可以与质量分析的一个或多个级组合，即基于质荷比的离子的分离。
因此，在本发明的另外的方面，提供了一种谱方法，例如离子迁移率分离或质谱，所述方法包括：
使用离子源优选地在以下压力下生成分子离子：0.01mbar或更高、或0.1mbar或更高、或1mbar或更高、或10mbar或更高、优选地50mbar或更高，尤其是大气压；
将分子离子中的至少一些分子离子引入到碎裂区中，在所述碎裂区中温度高于200℃(或优选地高于300℃或高于400℃或高于500℃)，并且所述碎裂区中填充有处于以下压力的气体：0.01mbar或更高，或0.1mbar或更高，或1mbar或更高，或10mbar或更高，优选地50mbar或更高；
使所述分子离子中的至少一些分子离子在所述碎裂区中碎裂，以形成亚分子碎片离子；
分离所述碎片离子；以及
检测经过分离的碎片离子。分子离子通常具有彼此相同的极性(即，所有分子离子为正离子或所有分子离子为负离子)。碎裂区优选地含有仅一种极性的离子，即分子离子的极性。因此，碎裂不包括例如ETD。碎裂优选地通过仅热碎裂发生。
因此，在本发明的仍另外的方面，提供了一种谱仪，例如离子迁移谱仪或质谱仪，所述谱仪包括：
离子源，用于优选地在以下压力下生成分子离子：0.01mbar或更高、或0.1mbar或更高、或1mbar或更高、或10mbar或更高、优选地50mbar或更高，尤其是大气压；
碎裂区，用于优选地在不存在与分子离子极性相反的离子的情况下接收分子离子中的至少一些分子离子，在所述碎裂区中温度高于200℃(或优选地高于300℃或高于400℃或高于500℃)，并且所述碎裂区中填充有处于以下压力的气体：0.01mbar或更高，或0.1mbar或更高，或1mbar或更高，或10mbar或更高，优选地50mbar或更高，用于使分子离子中的至少一些分子离子在碎裂区中碎裂，以形成亚分子碎片离子；以及
离子迁移分离器或质量分析仪，用于分离所述碎片离子并检测经过分离的碎片离子。
在又另外的方面，提供了一种分析分子结构的方法，包括：在压力为10mbar或更高的气体中使离子热碎裂以产生热碎片离子，其中气体温度被控制为至少200℃，之后分析至少一个碎片离子的质量和/或迁移特性。优选地，此方法包括通过以下进行的分子识别的步骤：将至少一个碎片离子的一个或多个所获取的质谱和/或迁移谱与热碎片的质谱和/或迁移谱库进行比较，并在所获取的谱与谱库之间找到最接近的匹配。优选地，通过使离子流动通过气体，所述离子被热碎裂，并且流动中的离子与气体相互作用达1到10毫秒的时间。
本发明的先前描述的方面的特征任选地适用于本发明的另外的方面。例如，样品、离子源、分子离子的离子迁移率分离的第一级、碎裂区、碎裂条件、碎片离子的离子迁移率分离的第二级、检测器和/或数据处理装置的所描述的特征独立地适用于本发明的另外的方面。
可替代地，本发明的另外的方面可以与使用代替碎片离子的离子迁移率分离或除了碎片离子的离子迁移分离之外的质量分析仪分离碎片离子组合。因此，在一些实施例中，分离碎片离子并且检测经过分离的碎片离子通过离子迁移分离器或质量分析仪执行，即分离基于离子迁移特性或离子的质荷比。质量分析仪可以确定离子的质荷比。因此，分离碎片离子的级可以通过IMS或质谱(MS)，即通过离子迁移分离器或质量分析仪执行。此外，在本发明的另外的方面，分子离子可以在基于IMS或MS的碎裂之前，即通过位于离子源与碎裂区之间的离子迁移分离器或质量选择器(如四重质量过滤器或其它已知的质量选择器或质量过滤器)分离。因此，在一些实施例中，分子离子在使分子离子中的至少一些分子离子在碎裂区中碎裂之前，由离子迁移分离器或质量选择器(离子源的下游)分离。一个优选实施例包括IMS-热碎裂-MS，即其中分子离子在使分子离子中的至少一些分子离子碎裂之前，通过离子迁移分离器分离，并且其中分离碎片离子并检测经过分离的碎片离子通过质量分析仪执行。
MS分析的一个或多个级通常在1mbar或更低的压力下执行。对于某些类型的MS分析，需要低得多的压力(例如10-3mbar或更少，例如10-4mbar或更少，例如10-5mbar或更少，例如10-6mbar或更少，例如10-7mbar或更少，例如10-8mbar或更少)，包含针对一些MS分析技术的超高真空(UHV)(例如10-9 mbar或更少)。因此，在此类实施例中，压力降低的一个或多个级(真空泵送室)可以将碎裂区和质量分析仪分离。质量分析仪可以由例如一个或多个涡轮分子泵泵送。基于离子的质荷比分离离子的质量分析仪可以包括以下类型的质量分析仪中的一个或多个：离子阱、RF离子阱、静电离子阱、静电轨道阱(如OrbitrapTM质量分析仪)、傅里叶变换(FTMS)分析仪、傅里叶变换离子回旋共振(FT-ICR)分析仪、飞行时间(TOF)分析仪、线性TOF、正交加速TOF(OA-TOF)、反射TOF、多重反射TOF(MR-TOF)、四极质量过滤器或磁式扇形质量分析仪。优选地，质量分析仪能够具有高分辨率和/或准确质量(HR-AM)。例如，能够具有>25,000或>50,000或>100,000或>200,000的分辨力以及<10ppm或<5ppm或<2ppm的质量准确性的质量分析仪。优选地，质谱仪包括能够在一次获取或扫描中测量所关注的所有m/z的质量分析仪。优选质谱仪包括静电离子阱、静电轨道阱或FT-ICR或TOF，如单反射或多重反射(MR)-TOF(优选地MR-TOF)。对于此质量分析仪常规的离子检测器可以用于检测由质量分析仪分离的离子。
本发明的另外方面优选地包括基于分子离子的离子迁移率或质荷比和/或其经检测的碎片离子中的至少一个、优选地至少两个、尤其三个到六个的离子迁移率或质荷比来识别分子离子。优选实施例包括基于分子离子的离子迁移率和/或其经检测的碎片离子中的至少一个、优选地至少两个的离子迁移率来识别分子离子。另一个优选实施例包括基于分子离子的离子迁移率和其经检测的碎片离子中的至少一个、优选地至少两个的质荷比来识别分子离子。仍另一个优选实施例包括基于分子离子的质荷比和其经检测的碎片离子中的至少一个、优选地至少两个的质荷比来识别分子离子。
针对较高分析特异性的一些优选实施例包含在其间具有热大气压碎裂(TAPF)的串联IMS(其中每个IMS级包括以下之一：门控IMS、FAIMS或DMA)或其间具有TAPF的混合IMS-MS，优选地，其中IMS包括以下之一：FAIMS、门控IMS或DMA。在一个此实施例中，FAIMS-TAPF前端可以用于MS仪器。优选实施例具有IMS-热碎裂-MS以及尤其LC-IMS-热碎裂-MS的混合配置，所述混合配制对于通过碎片文库的化合物识别特别有用。通常，MS的使用对于通过碎片文库进行的化合物识别特别有用。
在另一类型的实施例中，碎裂区(TAPF)可以在离子源本身，例如在离子源的界面处，例如在电喷雾离子(EI)源中通过延伸EI源的喷嘴并加热喷嘴的最靠近其下游端的部分以提供针对TAPF的温度来设置。因此，碎裂区设置在EI源的喷嘴内。
在一些实施例中，热碎裂区可以布置在仅RF离子导向器(RFIG)内。毫秒时间尺度(例如0.1-5毫秒)的加热时间将足以用于在RFIG高于100mbar的气体压力下的碎裂(提供数千次离子与气体碰撞)。在一些实施例中，如果离子被轴向(即，沿RFIG的长轴线)俘获，持续10毫秒或更大、或20毫秒或更大、或50毫秒或更大，例如，10-100毫秒或大于10毫秒到100ms的驻留时间，则热碎裂区可以以0.1-100、0.1-10、1-10或1-100mbar布置在RFIG内。此时间尺度在出于分析目的将离子喷射到静电捕获质量分析仪(如Orbitrap质量分析仪)之前，可以与RFIG中的捕获离子兼容。
在又另外的方面，本发明可以提供一种质谱方法，包括：
使用离子源优选地在以下压力下生成分子离子：0.01mbar或更高、或0.1mbar或更高、或1mbar或更高、或10mbar或更高、优选地50mbar或更高，尤其是大气压；
将分子离子中的至少一些分子离子引入到布置在仅RF离子导向器内并在RFIG中轴向捕获离子的碎裂区中，其中碎裂区中的温度高于200℃(或优选地高于300℃或高于400℃或高于500℃)并且所述碎裂区中填充有压力为0.1-100或0.1-10或1-100mbar或优选地1-10mbar的气体；
使所述分子离子中的至少一些分子离子在所述碎裂区中碎裂，以形成亚分子碎片离子；
将离子从仅RF离子导向器喷射到质量分析仪；以及
使用质量分析仪记录分子离子和/或碎片离子的质谱。
因此，本发明还提供了一种质谱仪，所述质谱仪包括：
离子源，用于优选地在以下压力下生成分子离子：0.01mbar或更高、或0.1mbar或更高、或1mbar或更高、或10mbar或更高、优选地50mbar或更高，尤其是大气压；
碎裂区，被布置在仅RF离子导向器内，用于接收分子离子中的至少一些分子离子并且将离子轴向捕获在其中，其中碎裂区中的温度高于200℃(或优选地高于300℃或高于400℃或高于500℃)，并且所述碎裂区中填充有压力为0.1-100或0.1-10或1-100mbar、优选地1-10mbar的气体，用于使分子离子中的至少一些分子离子在碎裂区中碎裂，以形成亚分子碎片离子；
质量分析仪，所述质量分析仪用于接收从仅RF离子导向器喷射的离子以及记录分子离子和/或碎片离子的质谱。
增加的驻留时间可以实现碎裂温度的降低(以实现给定的碎裂程度)。从红外光解离(IR PD)研究中可以了解作用(参见P.D.Schnier、W.D.Price、E.F.Strittmatter和E.R.Williams,“通过黑体红外辐射解离测量的亮氨酸脑啡肽(M+H)+和(2M+X)+离子(X＝H、Li、Na、K和Rb)的解离能学和机制(Dissociation Energetics and Mechanisms ofLeucine Enkephalin(M+H)+and(2M+X)+Ions(X＝H,Li,Na,K,and Rb)Measured byBlackbody Infrared Radiative Dissociation)”,《美国质谱学会志(J Am Soc MassSpectrom)》1997,8,771-780；以及W.D.Price和E.R.Williams,“黑体辐射对肽离子的激活：快速能量交换极限中导致解离动力学的因素(Activation of Peptide Ions byBlackbody Radiation:Factors That Lead to Dissociation Kinetics in the RapidEnergy Exchange Limit)”,《物理化学期刊A(J Phys Chem A.)》1997年11月20日；101(47):8844–8852。
通常，离子在大气压或高压力(处于或高于50mbar)下通过加热气体单独进行的碎裂根据现有技术不显而易见。例如，热毛细管和加热的界面组件已广泛用于电喷雾离子源中，以用于软性和非破坏性离子转移，这不鼓励使用加热气体以进行离子碎裂。与本发明相比，这可以通过气体流动与毛细管之间的短相互作用时间以及不足够高的温度来解释。
根据本发明的实施例，通过将基于离子化样品分子的离子迁移率对离子化样品分子的选择与对其结构相关的碎片(亚分子碎片)的集合、优选地两个或更多个此类碎片的集合的离子迁移率的测量组合可以获得尤其在大气压下对分析和更好的检测限制的更高的特异性。后者可以优选地通过非离子化碎裂方法，最优选地通过在热气体的流中的热碎裂获得。本发明的实施例实现了创建多反应监测(MRM)或所选反应监测(SRM)方法，以及灵活选择碎片以用于更好地分析与基质组合物无关的样品。
本发明基于串联离子迁移率分离的方案，所述方案实现了在高于50mbar的高压下以及尤其大气压下对离子迁移率分离(IMS)的增加的选择性。本发明通过离子迁移率分离的两个级提供了增加的选择性。IMS的第一级的使用大大简化了在IMS的第二级中获得的碎片离子迁移谱的解释。在第二级IMS中经检测的碎片离子可以更可靠地分配给在第一级中分离的特定母体分子离子。
一些优选实施例包含其间具有热大气压碎裂以用于更高的分析特异性的串联IMS(其中每个IMS级包括以下之一：FAIMS、门控IMS或DMA)，这潜在地与大气压装置中的MS特异性匹配。例如，对于IMS的各自具有中等分辨率50的两个级，选择性由50×50＝2500的分辨率给出。执行多通道(MRM)的情况下的选择性可以更高。
在优选地范围在300℃(优选地高于300℃)到700℃的气体温度下和在大气压力下，使用在气体中以毫秒时间尺度(例如，0.1-5毫秒)进行的快速离子加热，可以很好地实施本发明。这可以被称为热大气压碎裂(TAPF)。此快速碎裂可与分析质谱(例如LC-MS或GC-MS)的时间尺度兼容。快速碎裂还允许有效离子传输，而不会由空间电荷引起离子云的显著发散。
热气体热碎裂或TAPF的优点包含在包含大气压的相对高压力下产生强CID型碎裂。因此，本发明能够产生高强度的或大量的碎片离子，这与依赖于ECD或ETD类机制的碎裂过程不同。在一些实施例中，本发明可以产生CID型碎片(例如其中对于肽离子而言，大多数碎片离子为a离子、b离子或y离子)，其中小部分(或基本上无)碎片为ECD或ETD型碎片(例如，对于肽离子而言，小部分(或基本上无)碎片为c离子或z离子)。本发明提供了基于化合物的分子离子迁移率以及基于化合物的结构相关的碎片来识别化合物的方法。本发明可与在大气压下操作的离子迁移率分离兼容，例如，不用对离子分离和/或碎裂级施加任何真空。本发明的一些实施例还在至少50mbar的压力下工作。
所述方法的优点在于，其似乎可在仪器之间再现，并且出于此原因，其潜在地允许构建用于例如LC-IMS-IMS和LC-IMS-MS中的可靠化合物识别的数据库。
热碎裂的优选方法也可以与质谱一起使用，即基于其质荷比(m/z)分子离子和/或碎片离子的分离。
由于与不需要高真空泵相关联的较低的成本，因此本发明的实施例可以提供特别用于与LC或GC色谱分离一起使用的低成本分析仪。
附图说明
图1示意性地示出了使用双级DMA的实施例。
图2示意性地示出了使用开放气体射流利用热大气压碎裂的实施例。
图3示意性地示出了在加热的通道中利用热大气压碎裂的实施例。
图4示意性地示出了用于产生加热的气体射流的加热装置。
图5示出了通过添加负电晕放电的产物使肽离子(神经降压素)碎裂而获得的实验数据。
图6示出了神经降压素的热碎裂的实验结果。
图7示出了神经降压素的热碎裂质谱。
图8示出了肽亮氨酸-脑啡肽(Leu-Enk)的热碎裂的质谱。
图9示出了碎片形成随着肽Leu-Enk的温度的动力学。
图10示出了被归一化为其对于肽Leu-Enk的热碎裂的总和的总碎片强度和母体强度的曲线图。
图11示意性地示出了包括气体在第一IMS与第二IMS之间的闭合环路再循环的双IMS的大气压实施例。
图12示意性地示出了包括气体在第一IMS与第二IMS之间的闭合环路再循环的双IMS的减压实施例。
图13示意性地示出了使用经过脉冲的离子源、具有离子门控的第一IMS漂流管、热碎裂和第二IMS漂流管的离子迁移谱仪的实施例。
具体实施方式
为了能够更详细地理解本发明，现将描述各个实施例和实例。
参照图1，示意性地示出了本发明的一个优选实施例。显而易见的是，在此实施例中，提供了对分子离子和其碎片离子的平行分析，其中离子由连续两级差分迁移分析仪(DMA)分离并且由二维(2D)检测器阵列检测。
向离子迁移谱仪1的离子源2中引入了样品(未示出)，在此实施例中为多级离子迁移分析仪。样品含有呈具有一种或多种不同化学结构的分子形式的一种或多种组分。在离子源中由分子形成分子离子。在一些实施例中，样品在被引入到离子源之前，已经经受了液相色谱或气相色谱分离。
由于分子离子是由离子源2(例如，通过电喷雾或大气压化学离子化(APCI)形成为离子喷雾3，或如本领域已知的其它离子源)形成的，因此其横越离子源室5并且由例如电压和/或气体流动朝第一离子迁移分析仪10的入口或采样孔4推动。入口孔4位于屏蔽件8，如板中。这可以是离子源上的电压(如ESI、APCI源的喷雾器上的电压)。优选的是，通过使用加热的(例如200-500℃)去溶剂化气体(例如，以通过由气体流动6示出的帘幕或正交流动形式)改进分子离子的去溶剂化。典型的去溶剂化气体是氮气(优选地为干燥氮气)或干燥空气，并且典型流动速率为10L/min。气体流动可以使离子朝采样孔4移动。
离子优选地与孔的平面，即与屏蔽件8的平面成一定角度进入采样孔4。角度通常小于90度，例如60度或更小、更优选地45度或更小，例如30度或更小。优选的是，主要使用电场而不是气体流场来通过孔对离子进行采样。
第一离子迁移分析仪10为差分迁移分析仪(DMA)。一旦来自离子源2的分子离子通过孔4进入第一离子迁移分析仪10以用于分离，其就会被气体流场V1拾取，所述气体流场的方向由箭头12示出(所述气体流场沿三维轴线x、y、z的轴线x)。在此实施例中，气体流场V1在大气压下并且横向于离子进入DMA的方向。气体V1通常不加热，至少未加热到足以引起分子离子的任何碎裂，例如小于200℃。垂直于气体流场V1提供了电场E1，所述电场的方向由箭头14示出(所述电场沿三维轴线x、y、z的轴线z)。分子离子由此在DMA的漂流空间中根据其在交叉的电场E1和气体流场V1中的离子迁移率而在空间上分离。因此，不同迁移率的离子物种到达碎裂通道16的阵列的不同部分，特定离子迁移率的每种分子离子物种到达其自身的通道。总计，阵列16中存在n个碎裂通道(161、162、…16n)。碎裂通道16的阵列的入口处为具有n个孔的多孔板18，所述孔表示为171、172、…17n。因此，碎裂通道16的阵列中的每个第n个碎裂通道具有其相应的入口孔。在屏蔽件8与阵列16之间(例如，利用施加到屏蔽件8和所述屏蔽件下方的多孔板18的电压)产生了电场E1。在一些实施例中，为了限制电场，可以在每个间隙(漂流空间)的每个侧上使用印刷电路板。在一些实施例中，可以使用例如本领域已知的格栅来使气体流场更均匀。
因此，不同通道在离子迁移率分离的第一级10中，基于其离子迁移率接收不同分子离子。迁移率选择的分辨率由DMA 10中孔17的大小和扩散量确定。碎裂通道16形成碎裂区20。单独通道161、162、…16n设置在单独相邻通道的壁22之间。在示出的实施例中，壁22是平面的。因此，通道也是平面的。壁可以由例如可以加热的材料，如电阻玻璃或陶瓷或SiC制成，和/或壁可以包括电阻器技术等中使用的电阻涂层和油墨。壁可以由加热器(未示出)加热。壁可以由例如电阻加热器、陶瓷加热器或盒式加热器加热。出于此目的，可将加热器放置成与壁接触。在一些替代性实施例中，可以设置多个碎裂通道作为例如相应的管或毛细管，所述相应的管或毛细管可以具有圆形或矩形的横截面轮廓。这些壁也可以由例如可以加热的材料，如电阻玻璃或陶瓷或SiC制成，和/或壁可以包括电阻器技术等中使用的电阻涂层和油墨。
所选分子离子物种中的每一个然后在电场Ef的力下通过其相应的碎裂通道横越碎裂区20，所述电场的方向由箭头26示出(所述气体流场如E1，沿轴线z)，而所选分子离子物种经受通过大气压下和范围在400-700℃的温度下的加热的气体的流动进行的加热。在此实施例中，电场Ef通过碎裂区入口处的多孔板18与碎裂通道16的底部之间的电压差施加，通道16由电阻材料制成以维持电场。在使用电阻通道形成的电场推动离子通过碎裂通道时，可能的是，使每分子物种的离子驻留时间保持固定(这取决于离子迁移率)。电驱动场的此布置对于替代使用z方向上的气体流动Vz以用于通过通道的离子转移是优选的，因为Vz(xy)的泊肃叶(Pouseille)特性可以使驻留时间广泛传播，并且如果边界层不合并并且没有形成轮廓，则流动芯可能不会被壁充分加热。另一个优选的可替代实施例包括在z方向上使用气体流动Vz，尤其是使用毛细管作为碎裂通道，使用气体的预热(如下文进一步描述的)。
图1中示出的实施例中的加热的气体流动由气体流场Vf表示，所述气体流场的流动方向由箭头24示出(所述气体流场沿轴线y)。在碎裂区20中，气体流场Vf相对于电场Ef垂直(或交叉)。此外，碎裂区中的气体流场Vf垂直于第一DMA 10中的气体流场V1。因此，尽管气体流场V1和气体流场Vf两者均在x-y平面中，但是V1在x方向上，而Vf在y方向上。可以通过加热如上所述碎裂通道的壁来提供加热的气体，以加热通道内部的气体流场Vf。作为加热通道的壁的替代方案，通道可以提供有在进入通道之前，已经被单独加热器加热的气体流场Vf。加热的气体流动Vf可以作为加热气体的一个或多个开放或自由射流提供，如多个开放射流(例如，一个开放射流针对一个通道)。加热的开放气体射流的实例在下面的其它实施例中进行了描述。通过加热的通道或管进行的离子转移可方便地与示出的IMS-IMS方案兼容。
在其它实施例中，较低温度可以用于加热的气体流动，例如至少200℃(例如，200-400℃或200-300℃)或至少(优选地高于)300℃(例如300-400℃)。但是优选地温度为至少400℃或至少450℃或至少500℃。温度可以为最高1200℃、或最高1100℃、或最高1000℃、或最高900℃，或最高800℃或最高700℃。对于碎裂更优选的是气体温度为至少(优选地高于)300℃，并且仍更好地为至少(优选地高于)400℃或450℃或500℃。温度可以优选地处于300-900℃、或更优选地400-700℃、特别是400-600℃或500-700℃的范围内。如以下参考图6所描述的，温度选择可以取决于所分析的化合物的类别以及加热驻留时间。
在本发明的各个实施例中，可以使用温度测量装置，例如位于碎裂区中或碎裂区附近的热电偶，直接或间接测量气体温度。在一些实施例中，连接到电源的控制器可以基于由温度测量装置提供给气体加热装置的温度来调节由供应提供给其的电力。以此方式，可以由控制器控制气体温度，例如以维持优选地被优化以用于分子离子的碎裂的目标气体温度。出于此目的，控制器可以包括计算机和/或电子器件。目标气体温度可以被优化，以用于被分析的特定样品(即其分子离子)的碎裂。目标气体温度可以例如根据操作控制器的软件或固件预而被预先确定，或者可以由用户如通过控制器的用户界面输入。
通过碎裂区的渡越时间(即区中的离子驻留时间)可以例如由区的长度、加热的气体的速度和/或输送离子的电场Ef限定。优选地，Ef>E1，以用于改进将离子捕获到通道。通过通道的渡越时间(相当于在加热的气体中的驻留时间)被布置成处于0.1-5毫秒(ms)的范围内。更优选地被布置成处于0.5毫秒-5毫秒或1毫秒-5毫秒的范围内。对于m/z在400-700的范围内的离子，驻留时间优选地应为至少0.1-1毫秒(至少0.1毫秒、至少0.5毫秒或至少1毫秒)。平均而言，每单独化合物每15C的碎裂速率大约加倍。特别优选的是加热的气体中的驻留时间为至少1毫秒。
随着分子离子行进通过碎裂区20中的加热的气体流动，在其相应的碎裂通道中，分子离子中的至少一些分子离子会碎裂，从而产生与分子离子的结构相关的亚分子碎片离子(即其亚基)。当碎片离子形成时，其与任何未碎裂的分子离子一起到达第二离子迁移分析仪30，所述第二离子迁移分析仪与第一离子迁移分析仪10一样，为差分迁移分析仪(DMA)。用于碎裂区中的加热的气体流场Vf的气体可以与用于第一离子迁移分离器10和第二离子迁移分离器30中的气体流场V1和V2中的气体相同或不同。优选地，对于Vf、V1和V2，其为相同的气体。用于流动Vf、V1和V2的一种或多种气体可以选自惰性气体，如氮气或氩气或氦气。氮气是优选的气体。气体优选地被干燥并且任选地被纯化。
第二离子迁移分析仪30基于碎片离子和任何未碎裂的分子离子的离子迁移率在空间上将其分离，并且通过针对每个碎裂通道的单独检测器36的阵列来检测碎片离子和任何未碎裂的分子离子。离子在退出碎裂区的碎裂通道之后进入第二离子迁移分析仪30。如上所述，第二离子迁移分析仪30为DMA，其中离子由气体流场V2拾取，所述气体流场的方向由箭头42示出(所述电场如碎裂区中的气体流场Vf，沿轴线y指向)。在此实施例中，气体流场V2再次处于大气压下。气体V2通常不加热，至少加热到不足以引起离子的任何进一步碎裂，例如小于100℃。垂直于气体流场V2设置有电场E2，所述电场的方向由箭头44示出(所述电场如电场E1和Ef，沿轴线z)，以使离子沿z方向朝检测器36移动通过第二DMA 30。优选地，E2>Ef，以用于改进离子到第二级DMA 30的转移。分子离子和碎片离子由此在第二DMA的漂流空间中根据其在DMA 30中的交叉的电场E2和气体流场V2中的离子迁移率在空间上分离。场强E1、Ef和E2的特定参数以及V1、Vf和V2的气体流动速度等将取决于如本领域已知的所需的分辨力。例如，每个分离通道的典型长度在10-100mm或20-50mm的范围内，气体速度在10-100m/s的范围内，并且场强E1和E2在2×104-1×105V/m的范围内。
此外，第二DMA 30中的气体流场V2垂直于第一DMA 10中的气体流场V1。因此，尽管气体流场V1和气体流场V2两者均在x-y平面中，但是V1在x方向上，而V2在y方向上。气体流场Vf和V2可以是相同的气体流场，即单个气体流场，因此包括沿相同方向流动的相同气体。单个气体流场可以通过碎裂通道的加热的壁在碎裂区内特别加热。
如图所示，例如，在第二DMA 30中，来自第八碎裂通道168的碎片离子变得在y方向上彼此分离(并且与任何分子离子分离)，并由一维阵列的单独检测器321-32m(即定位在所示出的在y方向上的行32中的m个检测器)检测。类似地，在第二DMA 30中，来自第十二碎裂通道1612的碎片离子变得在y方向上彼此分离(并且与任何分子离子分离)，并由一维阵列的检测器(即示出的在y方向上的行34中)检测。存在n行(n个1D阵列的)检测器，对应于n个碎裂通道。因此，提供了n×m个检测器的2D阵列36。在一些实施例中，单独检测器可以被布置成在2D阵列中处于规则间隔的位置处(沿x和/或y)。在一些其它实施例中，单独检测器可以被布置成在2D阵列中不处于规则间隔的位置处而是仅处于具体位置处，例如，单独检测器可以设置在位置处使得仅检测有限数量的分子离子，并且对于每个经检测的分子离子，检测一种或多种碎片离子。后者可能是相比于通用(宽范围)检测器更专用的(分子专用)检测器。
在一个实施例中，检测器阵列包括连接到一个或多个静电计的一组离子收集器。收集器可以被布置成积聚电荷，以通过单个静电计进行顺序读取。为了增强检测器灵敏度，可以在检测器前对离子进行场加速。一个或多个检测器可以包括MCP或电子倍增器，例如其阵列。检测器可以包括光电检测器，如阵列光电倍增器管(PMT)或二极管阵列。在一个实施例中，离子可以被场加速到尖锐尖端以产生光信号，所述光信号被如阵列光电倍增器管(PMT)或二极管阵列等光电检测器读取。在单通道检测的情况下，或者在亚大气压下操作IMS时，后者在由机械泵(例如旋转泵或罗茨泵(roots pump))产生的前真空气体压力下更为实际。即使在降低的产生光子的效率的情况下，利用PMT进行的离子计数也可能比收集器电流测量更为灵敏。
检测器阵列36连接到数据处理装置(未示出)，以用于根据由检测器提供的数据产生碎片的谱。数据处理装置还包括用于操作谱仪1的仪器界面。
尽管图1中的实施例已经被描述为使离子源室5、第一离子迁移分离器10、碎裂区20和第二离子迁移分离器30中的每一个处于大气压下，但是在一些其它实施例中，第一孔或采样孔4可以分离大气压离子源(如ESI或APCI)和前真空级，例如以0.1-100mbar或1-100mbar或0.1-10mbar或1-10mbar。前真空压力可以由机械泵(例如旋转泵或罗茨泵)产生。在此类实施例中，第一离子迁移分离器10、碎裂区20和第二离子迁移分离器30可以被设置为处于前真空压力下。在一些实施例中，在前真空气体压力下的操作可以具有一些优点，如：气体消耗较低并且气体压缩机功率较低；由泵感应气体流动；迁移率分辨率不受损害，其中较低的压力P由相同电压U下的迁移率分离L的线性缩放尺寸(定义迁移率分辨率)依次补偿，这受到L/P乘积的限制；并且制造更大大小的装置可能更容易。
尽管针对多个前体(分子)离子的多个碎片离子的并行检测参考图1进行了描述，并且需要2D检测器，但更简单的设计将涉及仅一个选择(碎裂)通道，其中不同的离子迁移率分子离子通过第一DMA通过改变电场E1和/或气体流场V1(优选地通过改变电场E1，因为其更易于以受控方式改变电场)而被依序引导到所述选择通道。对于在单个碎裂通道中按顺序碎裂的每个分子离子，碎片离子可以彼此分离并由一维(1D)阵列的单独检测器检测。在另一个类似实施例中，仅一个选择(碎裂)通道可以提供有由第一DMA依序引导到所述选择通道的不同离子迁移率分子离子，而单个检测器提供有由第二DMA通过改变电场E2和/或气体流场V2(优选地通过改变电场E2，因为以受控方式改变电场更容易)而被依序引导到所述单个检测器(对于每个分子离子)的不同离子迁移率碎片离子。在另外的类似实施例中，多个(碎裂)通道可以设置有由如图1中示出的第一DMA并行引导到所述多个通道的不同离子迁移率分子离子，并且针对每个碎裂通道(即沿与碎裂相同的方向间隔的检测器的1D阵列)通道设置单个检测器，其中每个分子离子/碎裂通道的不同离子迁移率碎片离子由第二DMA依次引导到针对所述分子离子/通道的检测器。因此，可以使用单独检测通道而不是图1的检测阵列，以用于目标分析。此目标分析仪可能具有一些优势，如由于使用较少的分离通道，气体消耗较低；在较少的检测通道的情况下，操作成本更低；并且可针对效率选择碎裂温度，因为在某些情况下使用单个温度设置可能很难以最高效率使所有物种碎裂。
碎裂区可以包括：加热的气体的开放射流、火焰或加热的通道、管或毛细管。
在一些实施例中，碎裂区可以以例如开放或自由射流的形式设置，例如含有预先加热的气体的一个或多个射流的区域(由此传递样品分子离子通过加热的气体的一个或多个射流(束)。本文中的术语自由气体射流或开放气体射流是指通常从喷嘴或孔投射到碎裂区中的气体流。与周围气体相比，自由气体射流通常具有较高的动量。在气体射流碎裂中，在大气压下，射流中的气体流动速度可以为例如0.5-100m/s或0.5-50m/s或0.5-10m/s，优选地1-10m/s，例如2m/s、3m/s、4m/s、5m/s、6m/s、7m/s、8m/s或9m/s。在亚大气压下，真空泵送可以以几乎声速的速率(例如对于氮气，高达300m/s)或甚至超声速的速率产生气体射流。气体射流也可以被限制在通道中。在此类情况下，通道本身优选地需要进行加热，以实现期望的气体温度以及因此在通道中的碎裂。
在其它实施例中，碎裂区可以以例如加热的通道、加热的管或加热的毛细管的形式设置。其可以例如，以样品离子和气体通过其流动的封闭通道(例如具有采样孔的管状或长槽状封闭通道)或离子和气体传递的毛细管(包含直流加热的毛细管)或离子传递的火焰的形式设置。加热的通道、管或毛细管可以例如从外部加热，从而加热在内部流动的气体。加热的通道、管或毛细管可以包括内部的加热器，例如导线加热器或丝加热器，从而加热在内部流动的气体。通道、管或毛细管可以接收在进入通道、管或毛细管之前，已经被预先加热的气体。
在开放射流中利用热大气压碎裂的实施例的实例在图2中示意性地示出。3kV下的大气压离子喷雾源102朝保持在0-1kV的屏蔽件110喷射正分子离子云108。如氮气等以2L/min的气体流动106帮助输送离子和/或对离子去溶剂化。通过屏蔽件中的孔104对分子离子进行采样。分子离子然后行进通过由从喷嘴130发射的加热的氮气气体的大气压自由射流120提供的碎裂区。与周围气体124相比，自由射流120的动量更高。自由射流被引导成基本上横向于离子行进的方向。热电偶TC1和TC2形式的温度测量装置测量气体温度。气体射流温度为大约565℃，在此温度下，热电偶读数有所不同，可以取平均作为气体温度。通常，碎裂区中的气体温度的分布或范围小于30℃或小于20℃，例如通过主要利用电场进行的离子采样并且通过减少对通过孔104的流动106的相对较冷的气体的采样来实现。气体射流120是由氮气以2L/min通过加热的管132的流动生成的，其中在其离开管之前，气体温度为大约700℃。基于3m/s的平均射流速度，估计的加热时间为约1-2毫秒。毛细管132是电阻加热的石英管。分子离子在加热的自由气体射流中碎裂成亚分子碎片，并且碎片离子然后通过保持在较低电位(50V)下的喷嘴150以2托进入质量分析仪的仅RF转移四极160。在质量分析仪中通过离子的质荷比(M/z)对离子进行分析。已经发现使用开放射流或自由射流可提供非常可再现的离子碎裂。此外，通过使用开放射流进行碎裂可以获得良好的离子传输。
在加热的通道中利用热大气压碎裂的实施例在图3中示意性地示出。图3的实施例与图2的实施例共享许多类似的组件，因此给予了相似的组件相似的附图标记。3kV下的大气压离子喷雾源102朝保持在100-1000V下的管或长槽(表示具有采样孔的管)210喷射正分子离子云108。如氮气等以2L/min的气体流动106在离子朝管210中的入口或采样孔104流动时，帮助输送离子和/或对离子去溶剂化。通过管中的孔104对分子离子进行采样。然后，分子离子在从形成碎裂区的加热的毛细管230发射的加热的氮气气体(0.5-10L/min)的大气压流动220中行进通过管。毛细管230是电阻加热的石英管。当离子进入管时，气体流动被引导成横向于离子行进的方向。热电偶TC1和TC2形式的温度测量装置测量气体温度。离子的加热时间(即离子在气体流动中的驻留时间)可以通过管中的气体流动速率控制。分子离子在加热的气体流动中碎裂成亚分子碎片，并且碎片离子然后通过位于管的退出孔中的喷嘴150以2托进入质量分析仪的仅RF四极160。在质量分析仪中通过离子的质荷比(M/z)对离子进行分析。
图2或图3的实施例的变体优选地可以利用位于离子源与碎裂区的入口之间的离子迁移率分离的级(如图1中示出的第一DMA)实施。在此类实施例中，可以通过第一DMA，即通过改变DMA中的电场和/或气体流场(优选地，通过改变电场)，顺序地引导不同的离子迁移率分子离子。对于每个随后按顺序碎裂的分子离子，可以通过碎片离子的质荷比(M/z)在质量分析仪中对其进行分析。
因此，本发明可以使用多种不同的设计来实施，以提供加热的碎裂区：自由射流、管式或长槽式封闭通道、加热的毛细管，包含直流加热的毛细管，实例包含钽(Ta)或钨(W)毛细管或管，KanthalTM、NicrothalTM(FeCrAl、NiCr合金)或SiC状半导体管。钽、KanthalTM、NicrothalTM是优选的，因为其在较高温度下抗氧化的倾向。另一实施例可以包括直接加热的轧制Ta箔。
邻近碎裂区和/或暴露于加热的气体的表面根据热壁电导率可以由例如抗氧化难熔金属(如钽(Ta)或碳化物(SiC，WC))制成，或由不锈钢或钨(W)制成。气体的加热可以通过气体加热装置提供，如一个或多个电阻加热器、导线加热器、陶瓷加热器、碳化硅(SiC)加热器或盒式加热器或优选地抗氧化并指定用于至少300℃的温度(通过导线绝缘)的其它加热器。一个或多个加热器可以包括位于离子和气体流动通过的区域、通道或管外部以用于通过临近所述区域、通道或管的一个或多个壁加热气体的一个或多个加热器。可替代地或另外，一个或多个加热器可以包括位于离子和气体流动通过的区域、通道或管内部的一个或多个加热器，如所述区域、通道或管中的加热的导线或丝。一个优选的加热布置的实例是位于管或通道(如石英管)周围的电阻式加热器，当管被加热器加热时，气体传递通过管。这些加热器可以容易用于高达700℃的气体温度。在另一个实施例中，气体加热装置加热气体的流动，以提供被引导到碎裂区的加热的气体射流。
用于产生加热的气体射流的加热装置示意性地示出在图4中。石英管330设置有镍铬合金线圈加热器320，所述镍铬合金线圈加热器缠绕在其外表面周围以加热管(322和324处示出到加热器的连接，其供应30V、10A电流)。在管和加热器周围设置两层0.1mm不锈钢屏蔽件342、344。通过到气体源(未示出)的SwagelokTM连接件350向石英管的入口供应气体，如氮气。典型的气体流动速率为3L/min。气体流动被热管330加热并从4mm直径的喷嘴360发射以形成热气体射流。
如背景技术中所描述的，存在多种已知方法使分子在大气压下碎裂。例如，图5示出了获得的关于通过以下使肽离子(电荷状态为+1、+2和+3的神经降压素)碎裂的实验数据：向气体流动添加负电晕放电(n-CD)的产物以使肽离子碎裂，所述肽离子被布置成不去除电喷雾溶剂。在所示出的图中，3+、1+表示分子离子的电荷状态；X7是神经降压素的X7碎片，M0 3+"是M3H3+的氧化物离子，并且M0 2+"是M2H2+的氧化物离子。尺度是对数的。在M3+分子离子峰的相对强度为1x10-3时观察到碎片X7。图5中展示的趋势包含绝对信号强度的下降对由较大n-CD电流或n-CD产物的较快递送诱导的总信号强度的下降。总体而言，如图5中所展示的，主要观察到的n-CD的影响是：(a)使空气杂质离子化，由此形成另外的化学背景；(b)随着较低带电离子的份额增加，肽离子的电荷减少；(c)整体强度显著下降；(d)氧化物离子的形成，最可能是由臭氧产生的，在n-CD中产生的；(e)低强度下碎片的形成。
与n-CD相反，并非采用离子化碎裂方法，本发明利用一种在大气压或更高压真空下进行热离子碎裂，即通过使样品分子与加热的气体相互作用以转移热能而引起的碎裂的新颖方法。本发明提供的热离子碎裂方法可以：(a)仅根据碎裂的分子的结构、气体温度以及任选地分子在加热的气体中的驻留时间来产生大量且可再现离子裂解；(b)不引入另外的化学背景(离子化碎裂方法例如可能会由杂质和背景气体产生高背景的新形成的离子，从而使样品碎片谱的解释复杂化；并且(c)不影响总体信号强度(例如通过电荷减少)。图6和7针对相同样品神经降压素对其进行了展示。图6示出了具有3+、2+和1+电荷状态的所有前体离子(P)的绝对信号强度和所有碎片(Fr)的绝对信号强度对使用热气体射流设置的加热的气体流动的温度。所有尺度都是线性的。在500-600℃时观察到大量碎裂。最佳碎裂温度可以取决于要碎裂的化合物类型，并且任选地取决于离子的驻留时间(较长的驻留时间可以允许较低的温度)。在实验中，对于约50种不同化学类别的测试的化合物而言，驻留时间加倍确实使特性碎裂温度(对于50％的碎裂程度)下降15-20℃。根据IR PD研究，影响是已知的，其中在以分钟为尺度的驻留时间内碎裂在约200-300℃下发生。图7示出了经受热碎裂的神经降压素的质谱，所述质谱类似于在真空中通过碰撞诱导解离(CID)产生的谱。谱由含有结构信息的适用于肽库识别的y离子、b离子、x离子和z离子构成，主要为b离子和y离子。图8、9、10示出了另一肽样品亮氨酸-脑啡肽(Leu-Enk)的热碎裂的结果。图8示出了碎裂的质谱，并且图9示出了碎片形成随温度的动力学。分子离子MH+的降低，特别是超过400℃时，伴随着碎片强度的增加。强度尺度是对数的。分子离子碎裂的程度可以用作校准物或分子温度计。如图9所见，碎片离子比率随温度的变化远比碎裂程度慢。实际上，与分子离子的碎裂曲线相比，碎片离子的曲线在宽温度范围内几乎保持平行。这意味着(分子离子)碎裂的程度可以充当温度校准物或温度计。这可以允许调节碎裂温度(和/或驻留时间)，以优化方法对目标化合物的敏感性，这在可以通过例如混合热气体射流和冷气体射流实现对反应器温度的快速调节的情况下尤其如此。方法中可以使用每母体一个碎片的比率。测量碎裂程度的一种方法是测量至少一个碎片离子和分子离子。另一方法是引入加热的气体作为脉冲，即检测有碎裂和无碎裂的分子离子。图10绘制了总碎片强度和归一化为其总和的母体强度。早期热碎裂开始在气体温度高于250C时出现。显著地，碎裂发生在350℃以上和400℃以上。在一些实施例中，在分析期间可以改变碎裂温度，例如步进，以将碎裂温度调节成对于一种或多种目标化合物而言是最佳的。这可能是不需要的，条件是例如，其为单通道分析。碎裂温度的此变化例如可以通过以特定校准比率混合热气体和冷气体来实现。步进碎裂区温度或驻留时间是一种改进选择性的方法，因为如图10中示出的碎裂程度对温度的曲线取决于化合物。
热碎裂方法会产生强烈的碎片(不同于ECD或ETD)。热气体允许大量碎裂，例如，在一些情况下，90％的碎裂程度(每总信号的总碎片强度)发生于500℃以上。此外，总离子电流在较高温度下仅略有下降，因此加热不会引起离子放电。热气体方法不会产生任何新的背景离子(与离子化碎裂方法相反)。因此，例如在如本文所描述的IMS-IMS系统的设置中，热碎裂可以是在大气压下用于串联识别化合物的有用碎裂方法。
可以使用其它已知碎裂方法，如光子(例如以下中的任何的光子：真空UV、UV、IR或可见光)或电子(例如来自辉光或电晕放电或来自真空管)或介稳原子和分子的辐射，但是优选的是使用非离子化碎裂方法，即仅热能。
在另外的实施例中，为了优选地减少功率和纯化气体(或至少干燥气体)的消耗，将来自离子迁移率分离的第一级(例如DMA)的气体重新用于离子迁移率分离的第二级(例如DMA)，以及优选地用于碎裂区，并且然后通过闭合环路压缩机将其再循环回到第一级。此实施例被示出在图11和12。图11和12类似，但是然而图11示出了大气压(1atm＝1bar)实施例，图12示出了真空实施例(10mbar)。在图11和12中的每个图中，给予了相似的特征相同的附图标记。LC分离向离子源402提供样品分子。分子离子404在电压对离子源的影响下，朝离子迁移率分离的第一级的入口或采样孔406喷射。当离子行进到孔406时，使用帘幕气体(N2)对离子进行去溶剂化。离子迁移率分离的第一级是第一差分迁移分析仪DMA(DMA1)。DMA1在箭头408指示的方向上含有流动气体场(N2)。垂直于气体流场408提供了在箭头409指示的方向上的电场。离子根据其在交叉的气体场和电场中的差分迁移率而在DMA1中分离，并且所选分子离子以加热的毛细管430(例如，钽、钨或其它抗氧化材料或铁(优选地涂覆有钽、钨或其它抗氧化材料)制成的毛细管)的形式进入热碎裂通道的入口孔432。可以通过改变电场409或气体速度408将不同离子迁移率的分子离子扫描到孔432中。孔432借助于沿箭头435的方向从DMA1到加热的毛细管430的气体流动对离子进行采样。毛细管被加热例如以如上所述的将其中的气体加热到400-600℃。其中分子离子碎裂成亚分子碎片离子，所述亚分子碎片离子与任何未碎裂的分子离子一起被加热的气体流动承载到第二DMA(DMA2)形式的第二级离子迁移分析仪中。
DMA1的漂流空间410与第一气体导管420流体连通，使得气体场408使气体流动通过DMA1的漂流空间410并且进入第一气体导管420。气体流动方向由气体导管420中的箭头指示。然后，气体沿箭头448指示的方向流动到DMA1的漂流空间440中，以在DMA2中提供气体流场。注意，DMA2的气体流场448与DMA1中的气体流场408处于相反方向。垂直于气体流场448提供了在箭头449指示的方向上的电场。离子根据其在交叉的气体场和电场中的差分迁移率而在DMA2中分离，并且所选分子离子进入检测器470的入口孔442，所述检测器可以是简单的离子检测器或质谱仪。在DMA 2中，可以通过改变电场449将不同离子迁移率的碎片离子扫描到离子检测器的孔442中。
DMA2的漂流空间440与第二气体导管422流体连通，使得气体场448使气体流动通过DMA2的漂流空间440并且进入第二气体导管422。第二气体导管422与DMA1的漂流空间410流体连通，使得气体由此再次再循环到DMA1中。第二气体导管422中的密封鼓风机或压缩机450在循环环路中将气体驱动回到DMA1中。
优选地，压缩机450的金属风扇叶片(松鼠轮类型或径向旋转类型，类似于用于工业热气体处理的金属风扇叶片，参见例如www.chuanfan.com/showroom1.html)远离电动机以避免污染烟尘。优选地，使用网和/或灰尘过滤器(如多孔金属，也用作加热装置)452以进行气体流动分层。尽管图11的IMS谱仪在1atm压力下应当更紧凑，但更大尺寸的气体鼓风机可能会使装置体积庞大，并且使成本与图12的10mbar IMS谱仪类似，在这种情况下在10mbar下操作期望提供以下益处：易于构建和更高的参数以及易于实现层流气体流动。
基于循环的DMA分析仪，通过加热的通道或管430进行的离子转移可方便地与示出的IMS-IMS方案兼容。可以针对IMS级之间的气体压力降修改气体流动方案(所述气体压力降可能发生在图11和12中提出的循环气体方案中)，例如其中相比于第一IMS级第二IMS级的压力较低，使得通过连接IMS级的碎裂装置实现了气体流动，由此所述气体流动将分子离子前体采样到碎裂装置430中，并且然后采样到第二级IMS(DMA2)中。
分子识别的总体特异性与第一级IMS(分辨率R1)和第二级IMS(R2)的离子迁移率分辨率的乘积(即R1×R2)成正比。可以在设计中并入进一步的分离级，以在此方面进行进一步改进。选择多个碎片离子(至少2个，但优选地3-6个特征碎片)提高了识别的特异性和置信度两者。
在一些实施例中，可以将碎片离子彼此和/或与其母体分子离子的相对强度，即丰度，用于另外的置信度或对分子识别的确认，例如在三重四极质谱(多重反应监测方法，MRM)或高分辨率质谱(平行反应监测方法，PRM)中已知的。通过将所获取的碎片IMS谱与已针对所关注的多种分析物中的每种分析物创建的碎片(碎片IMS谱或MS谱)库进行参考/比较，可以最佳地实现此类另外的置信度。可以使用从样品获取的碎片与文库中的碎片的充分匹配来识别一个或多个分子。所述文库优选地为如本文所述的已使用同一类型的热碎裂以及优选的IMS分离获取的碎片或碎片谱库。所述文库优选地为如用于获取样品的碎片IMS谱的已使用同一类型的热碎裂以及优选的IMS分离获取的碎片或碎片谱库。所述文库优选地还含有一种或多种校准物的碎片(碎片IMS谱或MS谱)。以此方式，可以使用本发明与至少一种校准物一起对所关注的样品进行分析。校准物可以是外部的(即在与所关注的样品不同的另一实验中运行)或内部的(即与样品相同的混合物的一部分)。校准的主要功能是将使用一种或多种校准物作为所谓的分子温度计，以建立碎裂的最佳有效温度(以及任选地其它条件)，优选地以提供对文库中的一种或多种校准物的相应碎裂)。因此，可以测量K1和K2n(即母体分子离子(K1)和其n个碎片离子(K2n)中的每个碎片离子的离子迁移率，n为1、2…n)，而基质可以改变。方法优选地选择即使在基质存在下也展示出正确的强度比率的那些碎片。热碎裂方法的温度校准(例如，使用如上所述的化学温度计)的高再现性实现了碎片比率的高再现性以及因此相比于碎片离子IMS谱库的置信度。
在一些实施例中，内部校准物也可以用于目标分析中的定量，特别是在其是以所关注的分析物的同位素标记的变体的形式提供的情况下。与质谱相比，利用2H(氘)或13C进行标记需要例如更广泛，以实现更大的质量差异以及因此更大的迁移率差异，以适应与甚至标称质量质谱分辨率(200-2000)相比通常更低水平的离子迁移率分辨率(对于级中的每个级，为30-200)。优选地，在内部校准物中提供至少6-15Da的质量偏移，或者提供化学附着的标签以实现充分的迁移率偏移。在GC或LC分离的情况下，这可能会导致保留时间的显著偏移，在定量期间需要考虑此偏移。
在图13中，示意性地示出了离子迁移谱仪500的另一实施例，其中使用了经过脉冲的离子源。对于经过脉冲的离子源，需要漂流管，优选地线性漂流管。漂流管更为合适，因为其允许通过对所关注的分子离子的一个或多个包进行门控，例如，在与脉冲的适当延迟之后(即在IMS的第一级之后)对离子的一个或多个包进行门控，来选择分子离子的一种或多种物种。出于此目的，提供了经过脉冲的离子门。如果需要，为了提高占空比，可以利用门控脉冲之间的适当延迟来选择多个包。可以通过在较低电场下将离子从此区洗脱出来，并且然后逐步施加较强的、空间不均匀的电场，从而以其大小为代价减小峰的持续时间来降低碎裂区中包的时间展宽。
详细地，图13示出了例如用于实施MALDI源的经过脉冲的激光源502。激光被布置成对在大气压下保持在样品板504上的样品进行辐射并且产生分子离子的脉冲。然后，产生的分子离子的脉冲进入第一缓冲气体填充的离子迁移率漂流管506，在所述漂流管中，离子脉冲的分子离子505基于其在由沿如本领域已知的漂流管的长度轴向间隔开的一系列环形电极508提供的轴向DC电位中的离子迁移率而分离。缓冲气体被布置成沿与离子行进的方向相反的方向流动，但这不是必须的。离子在不同时间到达漂流管的出口，这取决于其离子迁移率。在第一漂流管506的出口处为用于分子离子的门控(即选择)的Buckbee-Mears离子门518。离子门是任选的。在(任选)门控之后，分子离子进入设置在碎裂管522内的碎裂区520。在管中设置有入口孔524，以用于以此方式对分子离子进行采样。将例如400-700℃的热气体布置成沿箭头530所示的方向流动通过管。出于此目的，可以对管进行加热。气体从管的入口523流动到出口525。分子离子在碎裂区中经受热碎裂，并且产生的碎片离子在热气体流动530中沿碎裂管522行进。碎裂区下游的可以被脉冲的离子提取光学器件538通过出口孔528从碎裂区提取离子。碎片离子以及任选地任何未碎裂的分子离子然后进入第二缓冲气体填充的离子迁移率漂流管546，在所述漂流管中，离子基于其在由沿漂流管的长度轴向间隔开的一系列环形电极548提供的轴向DC电位中的离子迁移率而分离。缓冲气体被布置成沿与离子行进的方向相反的方向流动，但再次这不是必须的。最后，由离子检测器550检测经过分离的离子，所述离子检测器连接到数据处理装置560以用于产生碎片的谱。数据处理装置还提供对谱仪500的控制。
尽管已经将图13的实施例描述为大气压系统，但是如上所述，离子迁移率级和碎裂区可以保持处于真空下，例如1mbar或更高，优选地50mbar或更高，在所述情况下，优选地使用射频(RF)场以用于径向离子约束。
在图13所示的实施例的变型中，可以向第一离子迁移率漂流管的一系列环形电极508施加行进DC波，以选择例如US5789745中公开的某种迁移率的分子离子。任选地，可以向第二离子迁移率漂流管的一系列环形电极548施加行进DC波，以选择某种迁移率的碎片离子。
在一些实施例中，其中以连续模式递送样品，碎裂条件(例如气体温度或功率密度)可以随时间推移而改变以便构建可以指示分析物的结构，即分子离子的性质的碎裂曲线(例如碎裂程度对温度)。当与质谱仪界接时，此1维(1D)扫描可以通过质谱仪内的扫描碎裂谱的第2维度进行补充(例如，碰撞诱导解离中的碰撞能量或红外或紫外光解离中的暴露、电子转移解离中的相互作用时间等)。
在一些实施例中，其中样品以时间相关的方式递送(例如，从液体或气体分离，例如LC或GC)，并且需要收集前体(分子离子)和碎片谱两者，可以通过使用经过脉冲的阀将冷气体流和热气体流混合以用于快速温度变化，从而在接通与断开之间有效切换碎裂，或可替代地使用离子光学器件以电操纵离子绕过碎裂区来布置热碎裂的脉冲操作。
在前述实施例中的任何实施例中，离子可以由以下离子源中的任何离子源产生：ESI、APCI、APPI、具有辉光放电的APGC、AP-MALDI、LD、入口离子化、DESI、LAESI、ICP、LA-ICP等等，这些可以与以下分离中的任何分离方法界接：LC、IC、GC、CZE、GCxGC、LC-LC等。多个离子源或离子化喷雾器或通道可以并行使用，并且可以如本领域已知的以机械方式或电子方式进行门控。可以使用如本文所述的任何类型的离子迁移率分离。这些单元的任何组合都可用于创建具有任何组合或数量的分析级的分析仪器。
可以根据本发明实施分析方法的多个优选实施例：
a.在几乎统一的传输和几毫秒的非常高的分析速度(可能需要1-3毫秒来监测超快过程，例如，发动机控制或所选反应监测)下单个化合物的监测。此类实施例优选地包括固定碎裂温度T，并且将离子以固定的第一迁移率K1和第二迁移率K2传递到检测器，其缩写为K1,T,K2。单独目标化合物的出现和强度由此例如根据前面的色谱分离时间(保留时间)检测，或者利用移动实验室监测的空气中的目标化合物的出现和强度可以执行或类似地可以处于技术过程的监测中。
b.利用预先选择的通道进行的以用于通过针对每个特定反应切换K1、T和/或K2进行的超痕量和/或超快分析多反应监测(MRM)。优选地，在MRM的多个通道之间调节碎裂温度。
c.通过使用机械泵对离子进行采样，加速到闪烁器尖端并且然后检测单独离子而增加的灵敏度。双IMS的选择性可以与单个MS相当(例如，分辨率为50×50＝2500)。使用多通道MRM进行检测的选择性或特异性可以更高。
d.离子的并行2D分析，即包括在一个维度上分离分子离子，并在另一个正交方向上分离其碎片(例如，由图1所示的实施例所展示的)。
e.使用热扫描进行的离子的2D分析，其中母体离子在第一IMS1级中通过其迁移率K1分离；与IMS1时间尺度相比，碎裂温度T在时间上以较慢时间尺度变化；并且(全部或大多数)碎片离子的总强度根据K1(迁移率)和T(碎裂温度)进行扫描，从而避免三个参数K1、T和K2的缓慢扫描。为了检测总体碎片强度，第二迁移率过滤器与第一迁移率过滤器是时间链接的。在一种方法中，IMS2仅将其K2小于K1的那些离子传递到检测器(所述方法可用于主要产生1+离子的小分子)。在另一种方法中，IMS2形成槽口，以传递其K2不等于K1的所有离子。此方法更适合于较大的肽和蛋白质，其中多个带电的碎片可能为K2>K1。
f.3D分析：IMS1-Th.Scan-IMS2
g.IMS-Th.Frag-MS.这可以在例如其中图11中示出的系统的检测器470是质谱仪的实施例中实施。
h.IMS-Th.Scan-MS.这也可以在例如其中图11中示出的系统的检测器470是质谱仪的实施例中实施。
(以上Th.Frag是指热碎裂，并且Th.Scan是指在扫描的温度下的热碎裂，即检测碎片随碎裂装置中的温度的变化。通常，与IMS1分离时间相比，碎裂温度变化在较慢时间尺度下进行)
i.跟踪在MS分析(因此提供“3D分析”)的情况下变成具有热轮廓的4D的碎片的M-dM模式，其中M是指碎片质量，并且dM为质量与整数质量的差，即所谓的质量缺陷。例如，对于同源系列(例如聚合物系列)，相同系列的所有化合物将落在一条线上。
另外的优选实施例包含：
j.LC或GC，之后是用于MRM监测的DMA的连续双级。在这些实施例中，可以针对每个分子离子检测多个碎片离子。最优选地，使用单通道检测器实施，其中母体分子离子的离子迁移率(K1)在LC/GC保留时间内映射，并且碎片的离子迁移率(K2)通过步进场强，优选地步进第二DMA的电场强来扫描。
k.LC-IMS-热碎裂-MS，其对于通过碎片库进行化合物识别特别有用。
除非另外声明，否则本文提供的任何和所有实例或示例性语言(“例如(forinstance)”、“如(such as)”、“例如(for example)”和类似语言)的使用仅旨在更好地说明本发明，并且不对本发明的范围构成限制。说明书中的任何语言都不应被解释为指示任何未要求保护的要素为实践本发明所必需的。
如本文所使用(包含在权利要求书中)，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含复数形式，且反之亦然。例如，除非上下文另外指示，否则本文中(包含权利要求书中)的单数形式，如“一个(a)”或“一种(an)”，是指“一个或多个”。
在整个本说明书的描述和权利要求书中，词语“包括(comprise)”、“包含(including)”、“具有(having)”和“含有(contain)”以及所述词语的变化形式(例如“包括(comprising)”和“包括(comprises)”等)意指“包含但不限于”，并且不旨在(并且并不)排除其它组件。
本发明还涵盖精确术语、特征、值和范围等，以防这些术语、特征、值和范围等与如约(about)、周围(around)、通常(generally)、基本上(substantially)、基本上(essentially)、至少(at least)等术语结合使用(即“约3”也应涵盖刚好3或“基本上恒定”也应涵盖精确恒定)。
术语“至少一个”应被理解为意指“一个或多个”，并且因此包含包括一个或多个组件的两个实施例。此外，当特征被称为“所述”和“至少一个”时，引用利用“至少一个”来描述特征的独立权利要求的从属权利要求具有相同的含义。
除非另外规定或上下文另外要求，否则本说明书中描述的任何步骤可按任何顺序执行或同时执行。
本说明书中所公开的所有特征可以任何组合来组合，但其中此类特征和/或步骤中的至少一些互斥的组合除外。特别是，本发明的优选特征适用于本发明的所有方面且可以任何组合的形式使用。同样，可以单独使用(不以组合的形式)以非必需组合的形式描述的特征。
Claims (46)
1.一种离子迁移谱方法，包括：
提供样品；
由所述样品生成分子离子；
根据所述分子离子的迁移特性分离所述分子离子；
使经过分离的分子离子中的至少一些分子离子在碎裂区中热碎裂，以形成亚分子碎片离子，其中所述碎裂区包括温度高于300℃的加热的气体，其中所述分子离子在所述碎裂区中的驻留时间的范围为0.1-5毫秒；
根据所述碎片离子的迁移特性分离所述碎片离子中的至少一些碎片离子；
其中分离所述分子离子、使所述经过分离的分子离子中的至少一些分子离子碎裂、以及分离所述碎片离子中的至少一些分子离子中的每个步骤在至少50mbar的压力下执行；
检测经过分离的碎片离子中的至少一些碎片离子；以及
基于至少一个分子离子的迁移特性和/或至少一个经检测的碎片离子的迁移特性识别所述至少一个分子离子。
2.一种离子迁移谱方法，包括：
提供样品；
由所述样品生成分子离子；
根据所述分子离子的迁移特性分离所述分子离子；
使经过分离的分子离子中的至少一些分子离子在碎裂区中碎裂，以形成亚分子碎片离子；
根据所述碎片离子的迁移特性分离所述碎片离子中的至少一些碎片离子；
其中分离所述分子离子、使所述经过分离的分子离子中的至少一些分子离子碎裂、以及分离所述碎片离子中的至少一些分子离子中的每个步骤在至少50mbar的压力下执行；
检测经过分离的碎片离子中的至少一些碎片离子；以及
基于碎片离子密度的一个或多个比率识别至少一个分子离子。
3.根据权利要求1所述的离子迁移谱方法，其中使所述分子离子热碎裂包括由电场和/或气体流场输送所述分子离子通过所述碎裂区。
4.根据权利要求1或3所述的离子迁移谱方法，其中所述加热的气体的温度为至少400℃，优选地400-700℃或500-700℃。
5.根据前述权利要求中任一项所述的离子迁移谱方法，其中T*ln(1/τ)高于3200、或高于4000或高于5000，其中T为以开尔文计的所述加热的气体的温度，并且τ为以秒计的所述分子离子在所述碎裂区中的所述驻留时间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的离子迁移谱方法，其中使所述分子离子热碎裂是在所述碎裂区中不存在任何另外的带电粒种或电磁辐射的情况下执行的。
7.根据前述权利要求中任一项所述的离子迁移谱方法，进一步包括：通过检测来自分子离子的两个或更多个碎片来生成碎片离子迁移谱，以及将所述谱与碎片离子迁移谱库进行比较，以识别所述分子离子。
8.根据前述权利要求中任一项所述的离子迁移谱方法，其中所述分子离子在所述碎裂区中的驻留时间的范围为0.1-1毫秒。
9.根据前述权利要求中任一项所述的离子迁移谱方法，其中分离所述分子离子、使所述经过分离的分子离子中的至少一些分子离子碎裂、以及分离所述碎片离子中的至少一些碎片离子中的每个步骤在大气压下执行。
10.根据前述权利要求中任一项所述的离子迁移谱方法，其中分离所述分子离子和/或分离所述碎片离子中的至少一些碎片离子是由交叉的电场和气体流场的组合引起的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的离子迁移谱方法，其中根据所述分子离子的迁移特性分离所述分子离子和/或根据所述碎片离子的迁移特性分离所述碎片离子中的至少一些碎片离子中的每一者通过使用以下项中的一项来执行：在缓冲气体填充的漂流管中使用沿所述漂流管的轴向DC电位进行的离子迁移分离；在缓冲气体填充的漂流管中使用沿所述漂流管的行进DC波进行的离子迁移分离；场非对称离子迁移谱(FAIMS)；差分迁移分析(DMA)；横向调制离子迁移谱；俘获离子迁移谱(TIMS)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的离子迁移谱方法，其中在闭合环路中循环的气体被用于根据所述分子离子的迁移特性分离所述分子离子、以及根据所述碎片离子的迁移特性分离所述碎片离子中的至少一些碎片离子两者。
13.根据前述权利要求中任一项所述的离子迁移谱方法，进一步包括在生成分子离子之前，使用液相色谱或气相色谱分离所述样品。
14.根据前述权利要求中任一项所述的离子迁移谱方法，其中所述分子离子被依序或并行分离和碎裂。
15.根据权利要求14所述的离子迁移谱方法，其中所述分子离子被并行分离和碎裂，并且所述碎裂区包括碎裂通道的阵列。
16.根据权利要求14所述的离子迁移谱方法，其中所述分子离子被分离，并且被依序扫描到单个碎裂通道中。
17.根据权利要求16所述的离子迁移谱方法，其中通过使用作为差分迁移分析仪(DMA)的离子迁移分离器、或基于分子离子的离子迁移而在空间上分离连续分子离子束的其它离子迁移分离器，并且扫描或步进所述分离器的电场，所述分子离子被依序扫描到单个碎裂通道中。
18.根据前述权利要求中任一项所述的离子迁移谱方法，其中来自给定的分子离子的多于一个的碎片离子被依序或并行检测。
19.根据权利要求18所述的离子迁移谱方法，其中来自给定的分子离子的多于一个的碎片离子被并行检测，并且检测器包括阵列检测器，所述阵列检测器包括多个空间上分离的单独检测器。
20.根据权利要求18所述的离子迁移谱方法，其中所述碎片离子被分离，并且被依序扫描到单个检测器通道中。
21.根据权利要求20所述的离子迁移谱方法，其中通过使用作为差分迁移分析仪(DMA)的离子迁移分离器、或基于碎片离子的离子迁移而在空间上分离连续碎片离子束的其它离子迁移分离器，并且扫描或步进所述分离器的电场，所述碎片离子被依序扫描到单个检测器通道中。
22.根据前述权利要求中任一项所述的离子迁移谱方法，其中多于一个的分子离子在空间上沿第一分离方向(x)被分离，并且多于一个的碎片离子在空间上沿第二分离方向(y)被分离，其中所述第一方向和所述第二方向基本上彼此正交。
23.根据前述权利要求中任一项所述的离子迁移谱方法，其中所述分子离子沿所述第一分离方向(x)被并行分离和碎裂，并且来自每个分子离子的多于一个的碎片离子沿所述第二分离方向(y)被并行分离和检测，其中检测器包括二维阵列检测器。
24.根据前述权利要求中任一项所述的离子迁移谱方法，其中在一时间段内，所述分子离子不被碎裂，而是作为分子离子被分离并且被检测，其中所述分子离子绕过所述碎裂区，或被输送通过如下碎裂区，即，所述碎裂区的状态针对所述一时间段被调整，以使得所述状态不允许碎裂。
25.根据前述权利要求中任一项所述的离子迁移谱方法，进一步包括随所述碎裂区中的气体温度的变化来检测所述碎片离子。
26.根据前述权利要求中任一项所述的离子迁移谱方法，进一步包括在由所述样品生成所述分子离子之前，使用液相色谱或气相色谱分离所述样品。
27.一种离子迁移谱仪，包括：
离子源，用于接收样品并由所述样品生成分子离子；
第一离子迁移分离器，用于根据所述分子离子的迁移特性分离所述分子离子；
碎裂区，用于使经过分离的分子离子中的至少一些分子离子碎裂以形成亚分子碎片离子，其中所述碎裂区包括温度高于300℃的加热的气体，其中所述分子离子被电子流和/或气体流输送通过所述碎裂区，使得所述分子离子在所述碎裂区中的驻留时间的范围为0.1-5毫秒；
第二离子迁移分离器，用于根据所述碎片离子的迁移特性分离所述碎片离子中的至少一些碎片离子；
其中所述第一离子迁移分离器、所述碎裂区和所述第二离子迁移分离器在使用中适于被保持在至少50mbar的压力下；以及
检测器，用于检测经过分离的碎片离子中的至少一些碎片离子。
28.根据权利要求27所述的离子迁移谱仪，其中所述第一离子迁移分离器、所述碎裂区和所述第二离子迁移分离器在使用中适于被保持在大气压下。
29.根据权利要求27或28所述的离子迁移谱仪，进一步包括数据处理系统，所述数据处理系统用于从所述检测器接收表示检测到的碎片离子的离子迁移的数据、并且处理所述数据，以提供所述碎片离子的离子迁移谱。
30.根据权利要求27到29中任一项所述的离子迁移谱仪，其中所述第一离子迁移分离器和/或所述第二离子迁移分离器包括交叉的电场和气体流场。
31.根据权利要求27到30中任一项所述的离子迁移谱仪，进一步包括液相色谱或气相色谱，所述液相或气相色谱位于所述离子源上游并连接到所述离子源。
32.根据权利要求27到31中任一项所述的离子迁移谱仪，进一步包括闭合气体循环环路，所述闭合气体循环环路用于使气体在所述第一离子迁移分离器与所述第二离子迁移分离器之间连续循环。
33.根据权利要求27到32中任一项所述的离子迁移谱仪，其中所述碎裂区包括：加热的气体的开放射流，火焰，或加热的通道、管或毛细管。
34.根据权利要求27到33中任一项所述的离子迁移谱仪，其中所述碎裂区包括单个碎裂通道，并且所述第一离子迁移分离器包括基于分子离子的离子迁移而在空间上分离连续分子离子束的、具有电场的离子迁移分离器，所述电场能够被扫描，以将分子离子依序扫描到所述单个碎裂通道中。
35.根据权利要求27到33中任一项所述的离子迁移谱仪，其中所述第一离子迁移分离器包括基于分子离子的离子迁移而在空间上分离连续分子离子束的离子迁移分离器，并且所述碎裂区包括用于并行接收经过分离的分子离子的碎裂通道的阵列。
36.根据权利要求27到35中任一项所述的离子迁移谱仪，其中所述检测器包括阵列检测器，所述阵列检测器包括多个空间上分离的单独检测器，并且所述第二离子迁移分离器包括基于碎片离子的离子迁移而在空间上分离连续碎片离子束的离子迁移分离器，从而使得两个或更多个碎片离子被所述阵列检测器并行检测。
37.根据权利要求27到35中任一项所述的离子迁移谱仪，其中所述检测器包括单个检测器，并且所述第二离子迁移分离器包括基于碎片离子的离子迁移而在空间上分离连续碎片离子束的、具有电场的离子迁移分离器，所述电场能够被扫描，以将碎片离子依序扫描到所述单个检测器中。
38.根据权利要求27到37中任一项所述的离子迁移谱仪，其中所述第一离子迁移分离器和所述第二离子迁移分离器各自包括交叉的电场和气体流场，其中多于一个的分子离子在空间上沿第一分离方向(x)被分离，并且多于一个的碎片离子在空间上沿第二分离方向(y)被分离，其中所述第一方向和所述第二方向基本上彼此正交。
39.一种谱方法，包括：
使用离子源在以下压力下生成分子离子：0.01mbar或更高，或0.1mbar或更高，或1mbar或更高，或10mbar或更高，优选地50mbar或更高，更优选地大气压；
将所述分子离子中的至少一些分子离子引入到碎裂区中，其中所述碎裂区含有仅一个极性的离子，其中温度高于300℃、或高于400℃或高于500℃，并且所述碎裂区中填充有处于以下压力的气体：0.01mbar或更高，或0.1mbar或更高，或1mbar或更高，或10mbar或更高，优选地50mbar或更高；
使所述分子离子中的至少一些分子离子在所述碎裂区中碎裂，以形成亚分子碎片离子；
分离所述碎片离子；以及
检测经过分离的碎片离子。
40.根据权利要求39所述的谱方法，其中分离所述碎片离子以及检测经过分离的碎片离子由离子迁移分离器或质量分析仪执行。
41.根据权利要求39或40所述的谱方法，其中在使所述分子离子中的至少一些分子离子碎裂之前，所述分子离子被离子迁移分离器或质量选择器分离。
42.一种谱仪，包括：
离子源，用于在50mbar或更高的压力下，优选地大气压下生成分子离子；
碎裂区，用于在不存在与所述分子离子极性相反的离子的情况下接收所述分子离子中的至少一些分子离子，其中温度高于300℃、或高于400℃、或高于500℃，并且所述碎裂区中填充有压力为50mbar或更高的气体，用于使所述分子离子中的至少一些分子离子在所述碎裂区中碎裂以形成亚分子碎片离子；以及
离子迁移分离器或质量分析仪，用于分离所述碎片离子并检测经过分离的碎片离子。
43.根据权利要求42所述的谱仪，进一步包括位于所述离子源与所述碎裂区之间的离子迁移分离器或质量选择器。
44.一种分析分子结构的方法，包括：使离子在压力为10mbar或更高的气体中热碎裂以产生热碎片离子，其中气体温度被控制为高于300℃，之后分析至少一个碎片离子的质量和/或迁移特性。
45.根据权利要求44所述的方法，进一步包括如下进行的分子识别步骤：将所述至少一个碎片离子的所获取的一个或多个质谱和/或迁移谱与热碎片的质谱和/或迁移谱库进行比较，并在所获取的谱与谱库之间找到最接近的匹配。
46.根据权利要求44或45所述的方法，其中通过使所述离子流动通过所述气体，所述离子被热碎裂，并且流动中的离子与所述气体相互作用达0.1毫秒到5毫秒的时间。
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