JP6152403B2 - 感度および質量分解能が増強された多重極型質量分析方法 - Google Patents
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Description
通常、多極質量フィルタ(例えば、四重極質量フィルタ)は連続イオンビーム上で動作するが、パルスイオンビームも使用することができ、走査機能およびデータ取得アルゴリズムに適切な修正を施してそのような不連続信号を適正に統合する。長軸に対して4回対称性を有するよう配置された平行ロッド構成上に電位を動的に印加することによって、機器内に四重極電場を生成する。対称軸とはz軸を指す。慣例により、4本のロッドは、一対のxロッドおよび一対のyロッドとして記載される。いかなる瞬間にも、2本のxロッドは互いに同じ電位を有し、2本のyロッドも同様である。yロッド上の電位は、xロッドとは逆にする。z軸での一定の電位に対して、ロッドのそれぞれのセットの電位は、一定のDCオフセットに、素早く振動する(約1MHzの典型的な周波数で)RF成分を加えたものとして表現することができる。
理想的な四重極内のイオンの軌道は、マシュー方程式によってモデル化される。マシュー方程式は、ロッドが有限長および有限離間距離を有する実際の状況とは違って、半径方向と軸方向の両方に無限に広がる電場について説明する。マシュー方程式の解は、当業者に知られている通り、有界と非有界に分類することができる。有界解は、有限半径のシリンダの外に決して出ないような軌道に相当し、この場合、半径はイオンの初期条件に依存する。通常、有界解は、四重極を通してイオンを検出器まで運ぶ軌道と同じと考えられる。有限ロッドの場合、有界軌道を有する一部のイオンは、通過して検出器に到達するよりもむしろロッドに衝突する、すなわち、限界半径は四重極オリフィスの半径を超える。逆に、わずかに非有界軌道を有する一部のイオンは、四重極を通過して検出器に到達する、すなわち、イオンは半径方向に無限に広がる機会を得る前に検出器に到達する。これらの欠点にもかかわらず、マシュー方程式は、本発明に使用されるものなどの有限四重極におけるイオンの挙動の理解において依然として非常に有用である。
上記で論じられるように、RFおよびDC振幅が時間に線形にランプされると、各イオンのa、q値は各々、上記図2Aに示されるように、時間に線形に増加する。具体的には、四重極長を横断する際、イオンは、この条件が変化する間にいくつものRFサイクルを経験し、結果として、そのようなイオンは印加電圧のランプの間、ベータの変化を経験する。それに応じて、一定の期間後のイオンの出口位置は、他の上述の因子に加えて、ランプ速度の関数として変化する。その上、従来の選択的な質量フィルタの動作では、ユニット質量分解能でのフィルタ窓はかなり収縮し、高質量カットオフと低質量カットオフは不鮮明になるため、ピーク形状はランプ速度によって悪影響を受ける。特定の所望の質量の選択的な走査を提供することを希望する際(例えば、ユニット質量分解能)、従来の四重極システムのユーザは、彼または彼女のシステムを選択されたa:qパラメータを用いて構成し、次いで、既定の離散速度で走査して(例えば、約500(AMU/秒)の走査速度)信号を検出する場合が多い。
図4は、時間・位置測定型イオン検出器システムの基本的で非限定的な有益な例示的な実施形態を示し、概して参照番号400で指定され、本発明の方法を用いて使用することができる。図4に示されるように、例えば、少なくとも約1mmのビーム直径を有する入射イオンI(付随の矢印を用いて方向で示される)は、マイクロチャネルプレート(MCP)402のアセンブリによって受取される。そのようなアセンブリ(例えば、パルス計数に対して(通常、当業者に知られているような5ナノ秒未満のパルス)は、互いに隣接するMCP(シェブロン型またはV−積層型)または三重(Z−積層型)MCPの対を含み得、個々のプレートは、最大約107またはそれ以上の電子を生成するプレートの組合せを用いて、適切な帯域幅要件(例えば、約1MHzから最大約100MHzまでで)での動作を可能にするための十分な利得および分解能を有する。
デコンボリューションプロセスは、特定の質量分析器(例えば、四重極)および検出器から取得されたイメージデータの数値変換である。すべての質量分析方法は、質量およびそれらの質量の強度のリストを送達する。方法を判別するのは、それが達成される方法および生成された質量強度リストの特性である。具体的には、質量間で識別する分析器は、質量分解能において常に制限され、その質量分解能は、報告された質量と強度の両方における特異度および正確度を確立する。存在度感受性(すなわち、量的感受性)という用語は、干渉種近くの強度を測定する分析器の能力を説明するために本明細書で使用される。したがって、本発明は、デコンボリューションプロセスを利用して、そのような干渉信号近くの信号強度を本質的に抽出する。
1)質量スペクトルを生成するための、N個の信号をユニットタイムシフト(例えば、テプリッツシステム)によって重ね合わせるという制約下における強度推定段階、および 2)質量リストを生成するための、ゼロから実質的に判別可能な強度を有する上記信号のサブセットの選択段階および後続の信号強度の向上段階。
N個の既知信号の線形重ね合わせをデコンボリュートするための一般的なケースでは、N個の既知信号U1、U2、…UNを有し、各信号はJ成分からなるベクトルであると仮定する。データベクトルのJ成分と各信号ベクトルのJ成分との間には一対一対応が存在する。例えば、n番目の信号ベクトルUn=(Un1、Un2、…UNJ)を考慮すると、Unjは、yjで「測定」された場合のn番目の信号の値を表す。
∂Δ/∂Im(I*)
を置き換える。
このセクションでは、(方程式22)の一般的なケースを解決する複雑性における劇的な低減を提供するように、いくつかの追加の制約が問題に課される。
制約1:いかなる信号対UmおよびUnも、タイムシフトによって重ね合わせることができる。
制約2:隣接する信号UnとUn+1との間のタイムシフトは、[1..N−1]の形式のすべてのnに対して同じである。
最終的に、テプリッツシステムを解いた結果生じる初期推定値を使用する方法について考慮する。データが実際には等しく離間されたN個の信号を実現したものであるとは予想しない。むしろ、データは、任意の値の時間に位置する比較的小さい数の信号(例えば、k<<N)を実現したものであると予想する。このような関係において、N個の強度の大部分がゼロとなると予想する。ゼロとは異なる推定値は、信号の存在を示し得るが、データの雑音、存在する信号の位置における誤差、信号モデルにおける誤差および切り捨ての影響から生じたものでもあり得る。
したがって、本発明は、観測された信号を基準信号の混合物の線形結合として表現するよう設計される。このケースでは、観測された「信号」は、四重極を抜け出るイオンの取得イメージの時系列である。基準信号は、異なるm/z値を有するイオンから観測された信号への寄与物である。線形結合における係数は、質量スペクトルに相当する。
質量分析計の性能を評価するための主要な指標は、感度、質量分解能および走査速度である。前述のように、感度は、干渉種近くのイオン種を検出することができる最も低い存在度を指す。MRPは、M/DM比として定義され、Mは、分析されたm/z値であり、DMは、通常m/z単位のピークの全幅として定義され、最大値の半値で測定される(すなわち、FWHM)。DMの代替の定義は、2つのイオンを異なるものとして特定することができるm/z単位の最小離間距離である。この代替の定義は、エンドユーザに最も有用であるが、決定が難しい場合が多い。
一実施形態として、本発明は、例えば、質量範囲が1000Da以上の質量スペクトル全体が取得されるMS1「全走査」モードで動作することができる。そのような構成では、走査速度を低減して感度および質量分解能(MRP)を増強するか、または、走査速度を増加してスループットを向上することができる。本発明は、比較的高速な走査速度で高MRPを実現するため、従来の方法および機器に勝る本発明によって提供される負荷サイクルの改良にもかかわらず、十分なイオンの収集に要する時間で走査速度を制限することが可能である。
図7は、本明細書に記載される実施形態を使用して記録されたイメージ(例えば、図2B)を提供する際の、上記で詳述されるデコンボリューションプロセスの例示的なシミュレート結果を示す。本発明は、最初に基準信号702を取得または合成によって生成する。その後、プロセスは、記録されたデータによって提供されるような所望の分析物イオンのコンボリュートされた生データ704を取得するよう設計される。そのようなプロセスに対するデータは、三次元パケットまたはボクセル(すなわち、体積画素)で取得され、この場合、2つの次元は、上記の配置された検出器によって収集されたイオンの出口パターンに相当するイメージXおよびYである。第3の次元は、対応する時間であり、含まれるRFの位相と同調される。次いで、プロセスは、基準信号702からシフトされた自己相関ベクトル706を生成し、取得データを適切なチャンクに分割し(量が多過ぎる場合は、データを部分的に切り取る)、そのようなデータにゼロを挿入する。デコンボリューションプロセスの方程式22によって実施される方法の重要な部分は、上記で示されるように、基準信号702とチャンク化された取得生データ704との間のシフトされた相互相関を含み、716で示される相互相関トレースを提供する。その後、いくつかの強度ピーク720がテプリッツ行列の解(例えば、In *=an/Ann)から抽出され、これは、存在するピークの数、正確な相対強度およびそれらが位置するおよその場所を示す。この例では、所望の強度ピーク720は、相対強度1、1/4、1/16および1/64で、ppm単位で定義される質量間隔で等しく離間されたものとして示される。そして、補間されシフトされたクロス積および自己相関ドット積を伴う4×4のバージョンの問題が生成される。その後、強度推定値は、制約付きの形式の問題に精密化され、反復的に精密化され、必要に応じてデータフィルタリング(例えば、ベッセルフィルタリングを使用して)が含まれる。その後、大量のデータセットから生じたいかなるチャンク化データも、再結合させて、元々記録された全スペクトルを提供することができる。
Claims (8)
- 質量分析法によって試料を分析する方法であって、
前記試料からイオン流を生成するステップと、
多重極の導入部に前記イオンを伝達するステップであって、前記多重極は、中央の縦軸ならびに第1および第2の横軸を定義する、ステップと、
前記多重極内で電場を生成するステップであって、前記電場は、様々な質量対電荷値(m/z)を有するイオンのサブセットを前記中央の縦軸に沿って前記多重極の先端部に選択的に伝送させ、前記伝送させたイオンの前記様々なm/zは、前記電場のDC電圧及びRF振幅の内の少なくとも1つのパラメータによって決定される、ステップと、
前記電場の前記DC電圧及び前記RF振幅の内の前記少なくとも1つのパラメータを徐々に変化させるステップと、
前記電場の前記DC電圧及び前記RF振幅の内の前記少なくとも1つのパラメータを変化させる間に、前記多重極の前記先端部に選択的に伝送させたイオンの一連の時間分解されたイオン像を取得するステップであって、各イオン像は、少なくとも1つの横軸上の異なる場所で検知されたイオンの強度に関する情報を含む、ステップと、
マススペクトルを生成するために前記一連のイオン像におけるデータを数学的にデコンボリューションするステップと
を含む、方法。 - 前記多重極は四重極である、請求項1に記載の方法。
- 前記電場を生成する前記ステップは、振動電圧及び直流(DC)電圧を前記四重極の電極に印加するステップを含み、前記電場の前記DC電圧及び前記RF振幅の内の前記少なくとも1つのパラメータを徐々に変化させる前記ステップは、印加された前記振動電圧及び印加された前記DC電圧の少なくとも1つの振幅を変化させるステップを含む、請求項2に記載の方法。
- 一連のイオン像を取得する前記ステップは、二次元検出器を使用して実行され、各イオン像は、前記第1および第2の横軸の異なる場所で検知されたイオンの前記強度に関する情報を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記一連のイオン像におけるデータをデコンボリューションする前記ステップは、基準信号セットを用いてクロス積を演算するステップを含み、各々は、前記多重極の特定の動作状態での単一のイオン種の測定された又は予想された空間分布を表す、請求項1に記載の方法。
- 前記多重極の前記導入部にイオンを伝達する前記ステップは、プロダクトイオンを得るために前記イオンを開裂させるステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記イオンを開裂させる前記ステップは、フラグメンテーションの前にイオンのサブセットを質量選別するステップを含む、請求項6に記載の方法。
- 前記多重極の前記導入部にイオンを伝達する前記ステップは、前記多重極の中心から外した位置において、前記導入部に前記イオンを注入するステップを含む、請求項1に記載の方法。
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