JP5890782B2 - 携帯用質量分析のための装置および方法 - Google Patents
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Description
本発明は、質量分析の分野に関し、具体的には、小分子被分析物、または高分子量あるいは質量対電荷(m/z)比を伴う被分析物を含むサンプルを使用する、質量分析を含む、携帯用器具を伴う質量分析に関する。
本発明の理解を促進するために、いくつかの用語が以下で定義される。本明細書で定義されていない用語は、本発明に関する分野の当業者によって一般的に理解されるような意味を有する。「1つの」および「その」等の用語は、単数の実体のみを指すことを目的とせず、その具体的実施例が例証に使用されてもよい、一般分類を含む。本明細書の用語は、本発明の具体的実施形態を説明するために使用されるが、それらの使用法は、請求項での概説を除いて、本発明の範囲を定めない。
装置は、携帯用であり、少なくとも1つのイオン化被分析物源と、質量分析器と、周波数走査サブシステムと、少なくとも1つの検出器とを備える。装置は、随意で、真空ポンプを備える。少なくとも1つのイオン化被分析物源は、少なくとも1つの検出器によって検出することができるように、周波数走査サブシステムが、そのm/z比に従ってイオン化被分析物を分別するように制御することができる、質量分析器に、サンプルから取得されたイオン化被分析物を提供することができる。検出器は、分別された被分析物と相互作用することによってデータを取得することができる。例えば、装置内に含まれるコンピュータ、または装置からデータを受信する外部コンピュータによって、検出器によって取得されたデータから質量スペクトルを生成することができる。いくつかの実施形態では、装置は、種々の種類の被分析物、例えば、小分子、ナノ粒子、微粒子、高分子、高分子アセンブリ、胞子、ウイルス、細胞、および/または細胞小器官等の細胞構成要素の質量スペクトルを取得するように構成することができる。
装置は、イオン化状態において、気相で被分析物を質量分析器に提供する、イオン化被分析物源を備える。いくつかの実施形態では、イオン源は、最初に固体または液体形態で提供される被分析物を蒸発させるように構成することができる。被分析物は、例えば、多原子イオンの場合等に、最初に帯電させることができる。いくつかの実施形態では、イオン源は、正電荷または負電荷を持つ程度を増大させること等によって、最初に中性荷電状態である被分析物をイオン化するように、および/または被分析物のイオン化状態を変化させるように構成される。他の実施形態では、イオン源は、蒸発および/またはイオン化に加えて、例えば、ガスまたは液体クロマトグラフを備えるイオン源等の被分析物を分別し、精製し、または分画することができる。
装置は、質量分析器を備える。質量分析器は、種々の種類のイオントラップ質量分析器から選択することができる。
装置は、イオントラップの中で振動電場を生成することができる、生成することが可能である、および/または生成するように構成される、周波数走査サブシステムを備え、電場は、段階的に、または掃引的に、走査中に経時的に変化する周波数を有する。
装置は、少なくとも1つの検出器、例えば、直接電荷検出器、電荷増幅検出器、または光散乱検出器を備える。
本発明の装置は、質量分析器の内部が大気に対する低減空気圧下、または周囲大気圧で操作することができ、(随意で、減圧において)質量分析器の中に存在するガスは、例えば、空気、窒素、ヘリウム、アルゴン、六フッ化硫黄、ネオン、およびキセノンから選択することができる。減圧は、少なくとも1つの真空ポンプによって提供することができる。いくつかの実施形態では、ダイヤフラムポンプまたはスクロールポンプ等の第1のポンプは、ターボ分子ポンプ等の第2のポンプと連結される。いくつかの実施形態では、スクロールポンプまたはダイヤフラムポンプ等の単一の真空ポンプが使用される。いくつかの実施形態では、装置は、希ガスまたは不活性ガスの供給なしで動作する。いくつかの実施形態では、装置は、真空ポンプを備えないか、または少なくとも1つの真空ポンプを備え、真空ポンプ使用が低減または排除される、少なくとも1つの低電力モードで動作することができる。少なくとも1つの低電力モードでは、少なくとも1つの真空ポンプは、少なくとも1つのポンプの全出力動作によって生成される真空に対して圧力の中間低減を提供するように、より低い速度で操作することができる。装置が1つより多くの真空ポンプを備える場合、ポンプのうちの少なくとも1つが全能力未満で操作される少なくとも1つの低出力モードで、装置が動作することが可能であり得る。
いくつかの実施形態では、器具は、マイクロプロセッサ、ディスプレイ、インターフェース、バス、およびメモリ等の種々の要素を含む、内蔵コンピュータを備える。メモリは、揮発性(例えば、RAM)および不揮発性メモリ(例えば、ROM、ハードドライブ、NVRAM、または可撤性記憶媒体)を備えることができる。直接電荷検出器および/または電荷増幅検出器から取得される信号は、メモリにエンコードまたはインストールすることができるソフトウェアを使用して分析することができる。インターフェースは、例えば、ヒューマンインターフェースデバイス、例えば、キーボードまたはキーパッド、タッチパッド、タッチスクリーン、またはトラックボール、マウス、ジョイスティック、または外部キーボードあるいはタッチスクリーン等のヒューマンインターフェースデバイス用の端末またはポート、ならびに上記のデバイスのうちのいずれかの無線バージョン用の伝送機、受信機、および送受信機を含むことができる。いくつかの実施形態では、インターフェース構成要素は、ヒューマンインターフェースデバイス、外部メモリ、コンピュータ、電源、および同等物に接続することができる、多目的インターフェース、例えば、USBポート、シリアルポート、SCSIポート、パラレルポート、IEEE1394ポート、または同等物である。
いくつかの実施形態では、本発明の装置は、100、90、80、70、60、50、45、40、35、30、25、20、15、10、7、5、または4kg未満の総重量を有する。
いくつかの実施形態では、器具の電力消費は、500、400、300、200W、または150W未満、例えば、約150Wまたは約100Wである。いくつかの実施形態では、器具は、例えば、発電機から、または自動車のバッテリ、携帯用電子機器に好適なバッテリ(例えば、ラップトップコンピュータで一般的に使用されているもの等のリチウムイオンバッテリ)を含む、再充電可能であり得る、1つまたは複数の内部または外部バッテリからのDC電力、または変圧器あるいは壁コンセントを伴う発電機から等のAC電力等の電源を使用する。電源は、携帯用非バッテリ電源、例えば、太陽電池から等の太陽熱電力、燃料電池からの電力、または人力デバイス、例えば、手動クランクまたはフットペダルが装着された発電機からの電力であり得る。
いくつかの実施形態では、装置は、被分析物電荷と質量対電荷比(m/z比)とを同時に測定するように構成される。いくつかの実施形態では、被分析物電荷測定値は、個々の電荷が知られているイオン群の正味電荷の測定値であり(例えば、個々のイオンは、−1、+1、−2、+2、−3、+3等から選択される同じ電荷を有する)、この測定値は、イオン種の数量を取得するために使用することができる。いくつかのそのような実施形態では、被分析物は、2000、1500、1000、750、500、400、300、または200Da未満の分子量を伴う小分子である。
いくつかの実施形態では、装置は、移動式である。移動性は、以下の組み合わせを含む、モータおよび車輪、トレッド、ホバーファン、ヘリコプターの羽、プロペラ、翼等のうちの少なくとも1つの存在によって、与えることができる。装置は、加えて、装置の移動が遠隔制御されることを可能にする、受信機を備えることができる。装置は、加えて、センサ、例えば、カメラ、マイクロホン、グローバルポジショニングシステム(GPS)、温度計、高度計、気圧計、光センサ等と、その位置および/または周辺に関する情報が無線で伝送されることを可能にする伝送機とを備えることができる。装置は、加えて、例えば、起伏の多い地形上で、指定された地理的な場所に向かって、および/または温度、圧力、高さ、アルベド、または同等物の指定のパラメータに合致する場所に向かって、装置が自律的にナビゲートすることを可能にする、人工知能システムを備えることができる。装置は、加えて、その周辺からサンプルを取得し、それを少なくとも1つのイオン化被分析物源に提供する、サンプリングシステムを備えることができる。いくつかの実施形態では、サンプリングシステムは、例えば、サンプルを粉砕する、精製する、溶解させる、または蒸発させることによって、それをイオン化被分析物源に提供する前に処理する。
いくつかの実施形態では、本発明は、携帯用装置を使用して少なくとも1つの質量スペクトルを取得する方法を提供する。方法は、サンプル、および上記で説明されるような装置を提供するステップと、被分析物が中性である場合にイオン化するために、装置の少なくとも1つのイオン化被分析物源を使用し、それを装置の質量分析器に導入するステップと、そのm/z比に従って被分析物を分別するステップと、そのm/z比に従って分別された被分析物を検出し、それにより、質量スペクトルを取得するステップとを含むことができる。
以下の具体的実施例は、いかなる方法でも残りの開示を制限せず、例証的にすぎないものとして解釈される。さらなる詳述がなくても、当業者であれば、本明細書の説明に基づいて、本発明をその最大限の程度で利用することができると考えられる。
真空チャンバ用の合成ポリ(メチルメタクリレート)を使用して、携帯用質量分析計を構築した。器具は、真空を提供するように、KNFダイヤフラムポンプおよびAlcatelターボ分子ポンプを含んだ。器具の全ての構成要素は、長さ30cm、高さ28cm、および幅25cmのケーシング内に含まれた。器具の全質量は、約16kgであった。この質量分析計は、約500から約200万に及ぶm/z比を測定することができる。装置は、r0=10mmおよびz0=7.07mmの寸法を伴うイオントラップを備えた。器具が鏡3またはLIADプレート5を含まなかったことを除いて、器具の構成要素を示す概略設計が図1に示されている。装置は、壁コンセントを使用して電力供給された。
5フェムトモル、100フェムトモル、または100ピコモルのアンジオテンシンを、携帯用質量分析計のMALDIサンプルプレート上に配置し、2,5−ジヒドロキシン安息酸マトリクスを使用した。20回のレーザパルスを使用して、脱離イオン化を達成し、2ミリトルの内圧を有した四重極イオントラップ質量分析器に被分析物を導入した。これらの量のアンジオテンシンのそれぞれを使用した周波数走査によって取得されたMALDI質量スペクトルは、図4((a)5fモル、(b)100fモル、(c)100pモル)に示されている。各質量スペクトルでは、主要なピークは、プロトン化アンジオテンシンであった。携帯用質量分析計を使用して検出可能なアンジオテンシンの最低数量は、5fモル(図4(a))であった。
インスリン、アンジオテンシン、シトクロムc、およびミオグロビンを用いて、各々、45%メタノール/45%水/10%酢酸中で10−5Mの濃度において、パルスモード大気ESIを別個に行った。エレクトロスプレーイオン化を行うために、KDS−100シリンジポンプとともに、30μmPicoTipエミッタを使用した。100μl Hamiltonシリンジを使用して、サンプルをこの源に導入した。シリンジ流速は60μl/hであり、エミッタ電圧は2.5kVであり、イオン導入時間は5秒であった。二方常時閉鎖ピンチ弁と連結された、127μm内径のステンレス鋼キャピラリ入口を、パルス関数発生器によって制御し、ピンチ弁は、24VDC信号で開いた。1/16インチ内径のシリコン管を使用して、ピンチ弁およびキャピラリを接続した。サンプル導入後、四重極イオントラップ質量分析器の内圧を0.8ミリトルまで低減した。1秒の走査時間で、周波数走査を300から100kHzまで行った。アンジオテンシンおよびインスリンのESI質量スペクトルが、それぞれ、図5A(a)および(b)に示されている。10kD以上までイオントラップによって選択されたサンプル分子量を増加させることによって、質量スペクトルを観察した。シトクロムcおよびミオグロビンのESIスペクトルが、それぞれ、図5B(a)および(b)に示されている。複数の荷電種からのピークが、図5Aおよび5Bで標識化されている。
約500Daから約2MDaの分子量を伴うイオンを、サンプルから生成し、実施例1の内蔵型電源を伴う携帯用装置のイオントラップを備えている質量分析器に導入した。特定のm/z比のイオンを、電圧走査によって選択した。150kHz、10Vppの補足ACを用いた共鳴放出(以下参照)で動作する、300から100kHz、800Vpp(ピーク間電圧)の周波数走査を使用することによって取得される、アンジオテンシンの質量スペクトルが、図8に示されている。この質量スペクトルの中の主要なピークは、プロトン化アンジオテンシンであった。
高分子およびより大きい粒子の検出のために周波数走査を使用することができ、小さい有機化合物等の被分析物の高分解能スペクトルのために電圧走査を使用することができる。イオン化サンプル分子は、内蔵型電源を伴う携帯用質量分析計のイオントラップから放出され、2つの出口ポートのうちの1つを通って移動した。電荷を直接測定するように、一方の出口ポートのすぐ外側に電荷検出器を設置した。電子回路および質量分析計設計に応じた固有電子背景を含んだ電荷検出器からのデータは、約200個の電子と同等であった。高電圧でバイアスされた変換ダイノードを、他方の出口ポートの外側に設置した。後に変換ダイノードから放出された二次イオンまたは電子が、電荷増幅デバイスによって検出された。トラップから退出する小さいイオン(m/z<10,000)を検出するために、変換ダイノードを二次電子放出に対してバイアスした。高分子イオン(m/z>10,000)を検出するために、変換ダイノードおよび電荷増幅検出器を、それぞれ、二次イオンの放出および検出に対して設定した。
内蔵型電源を伴う携帯用質量分析計の中の共鳴電子LC回路を使用することによって、電圧走査用の高電圧正弦波を生成した。共鳴周波数は、Lがインダクタンスであり、Cが静電容量である、(L/C)1/2に等しい。μ0が自由空間の透過性であり、Kが長岡係数であり、Nが巻数であり、Aが断面積であり、lがコイルの長さである、μ0KN2Al−1として決定されたインダクタンスを用いて、自家製空気型円筒コイルインダクタを製造した。電圧走査のために、イオントラップ電場振動周波数を固定し、イオントラップの静電容量を決定し、固定周波数で共鳴を生じるようにインダクタンスの計算を可能にした。増幅のための使用を支援するように、インダクタンスの式に従ったパラメータを用いて、円筒コイルを製造した。自家製正弦波増幅器は、二次側高電圧を生成するようにインダクタを通過させられる一次側電圧を生成した。回路の共鳴を使用して、一次側電圧を高いレベルまで引き上げた。空気インダクタは、36mmの直径および50pFの負荷容量を有し、一次側ワイヤは、0.2mmの直径を有し、かつ1回の巻数を有し、二次側ワイヤは、1mmの直径を有し、かつ100回の巻数を有した。電圧は、700kHzで3kVppまで引き上げることができた。電力供給と連結されたパルス発生器を、選択されたイオンを濃縮するように、選択されたm/zを伴うイオンを捕捉するために使用した。引き上げられたトラッピング電圧および固定トラッピング周波数を使用して、アンジオテンシンの四重極イオントラップレーザ脱離質量スペクトル(図10)を取得した。
内蔵型電源を伴う携帯用質量分析計の直接電荷検出器および/または電荷増幅検出器から取得された信号を、分析のために内蔵型コンピュータに投入した。質量スペクトルがコンピュータディスプレイ上に示された。デジタルデータを、さらなる分析のために、コンピュータに、または可撤性USBドライブ上に保存した。
Claims (17)
- 質量分析用の装置であって、
a.少なくとも2つの機構的に異なるイオン化被分析物源と、
b.リング電極および2つの端部キャップ電極を有する少なくとも1つのイオントラップを備え、前記イオン化被分析物源からイオン化被分析物をパルス方式で導入する質量分析器と、
c.周波数走査中の振幅を一定に保ちながら、一連のRF周波数段階におけるRF周波数走査を発生するように構成され、ここに、RF周波数の各段階中、一定のサイクルの数で周波数を維持され、次いで、異なるRF周波数へと階段状になる、少なくとも1つの周波数走査サブシステムと、
d.少なくとも1つの電荷検出器および少なくとも1つの電荷増幅検出器と、
を備え、ここに、前記少なくとも1つのイオントラップは、階段状RFトラッピング周波数走査を前記イオントラップに印加することによりRF周波数走査を介して動作するように構成されている、
装置。 - 前記装置は、少なくとも1つの真空ポンプを備えている、請求項1に記載の装置。
- 前記装置は、真空ポンプを備えていない、請求項1に記載の装置。
- 前記少なくとも2つの機構的に異なるイオン化被分析物源は、
a.MALDI源およびLIAD源から選択される第1のイオン化被分析物源と、
b.前記第1のイオン化被分析物源とは機構的に異なる少なくとも1つの付加的なイオン化被分析物源と
を備えている、請求項1に記載の装置。 - 前記少なくとも1つのイオントラップは四重極イオントラップである、請求項1に記載の装置。
- 前記少なくとも2つの異なるイオン化被分析物源は、LIAD源、MALDI源、ESI源、EI源、GDEI源、APCI源、DESI源、DART源、LTP源、UI源、EII源、およびEA源から選択される、請求項1に記載の装置。
- 前記装置は、10から1012のm/z比を有する被分析物の質量スペクトルを取得するように構成されている、請求項1に記載の装置。
- 前記装置は、40kg未満の質量を有している、請求項1に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの電荷検出器は、ファラデープレート、ファラデーカップ、誘導電荷検出器、マイクロチャネルプレート、マイクロスフェアプレート、電子増倍管、チャネルトロン、およびCCDカメラから選択される検出器を備えている、請求項1に記載の装置。
- 前記装置は、被分析物の電荷および被分析物のm/z比を測定するように構成されている、請求項1に記載の装置。
- a.被分析物を含むサンプルを提供するステップと、
b.前記被分析物をイオン化するステップと、
c.前記イオン化された被分析物を、リング電極および2つの端部キャップ電極を有する少なくとも1つのイオントラップを備えている質量分析器にパルス方式で導入するステップと、
d.周波数走査中の振幅を一定に保ちながら、一連のRF周波数段階におけるRF周波数走査を発生するように構成され、ここに、各段階中、一定のサイクルの数で前記RF周波数を維持され、次いで、異なるRF周波数へと階段状になり、かつ、階段状RFトラッピング周波数走査を前記イオントラップに印加する、少なくとも1つの周波数走査サブシステムを動作するステップと、
e.前記周波数走査サブシステムにより供給されたRF周波数走査で前記イオントラップを動作することにより、前記被分析物のm/z比に従って前記被分析物を分別するステップと、
f.少なくとも1つの電荷検出器および少なくとも1つの電荷増幅検出器で、前記被分析物のm/z比に従って分別された被分析物を検出し、それにより、質量スペクトルを取得するステップと
を含む、質量スペクトルを取得する方法。 - 前記ステップ(f)の質量スペクトル内で質量範囲またはm/z比範囲を選択し、第2の質量スペクトルを取得するステップをさらに含み、ここに、前記第2の質量スペクトルは、前記被分析物のm/z比に従って前記被分析物を分別するための電圧走査または周波数走査を採用する、請求項11に記載の装置。
- 前記被分析物のm/z比に従って前記被分析物を分別するステップは、電圧走査を行うステップを含む、請求項11に記載の方法。
- ステップ(b)は、前記被分析物をイオン化するステップまたは被分析物のイオン化状態を変化させるステップを含む、請求項11に記載の方法。
- ステップ(e)の前に、前記被分析物に衝突誘起解離を行うステップをさらに含む、請求項11に記載の方法。
- 前記被分析物を検出するステップは、二次イオンまたは電子を生成し、検出するステップを含む、請求項11に記載の方法。
- 階段状RF共鳴周波数走査を前記端部キャップ電極に印加する、請求項11に記載の方法。
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