用于四极质谱仪以便产生超分辨率质谱的指数式扫描模式的制作方法
【专利摘要】本发明介绍了一种用于质谱仪设备的新型扫描方法，以便通过简单的时间偏移、而不是时间膨胀将来自各离子的分量信号(“峰”)关联至由一个希望的均匀离子群体产生的一个甚至是任意的参考信号。如在此介绍的这样一种方法和系统是按一种新型方式通过相对于时间而指数式扫描一个四极质量过滤器上的RF和DC电压、而同时维持该RF和DC处于相对彼此恒定的比例来实现的。在这样一种新型工作模式中，随时间而变的离子强度是一种固定峰形响应与具有离散质荷比的潜在(未知的)分布(质谱)的卷积。因此，可以通过去卷积来重新构建质量分布，从而产生具有增强的灵敏度和质量分辨力的质谱。
【专利说明】用于四极质谱仪以便产生超分辨率质谱的指数式扫描模式
[0001]发明背景发明领域
[0002]本发明涉及质谱法领域。更具体地说，本发明涉及一种为四极质谱仪提供一种改进的运行模式的质谱仪系统和方法，该系统和方法包括相对于时间来指数式扫描RF和DC施加的场，而同时维持RF与DC处于相对彼此恒定的比例。在此新型运行模式中，随时间而变的离子强度是一种固定峰形响应与具有离散质荷比的潜在(未知的)分布(质谱)的卷积。因此，可以通过去卷积来重新构建质量分布，从而产生具有增强的灵敏度和质量分辨能力的质谱。
[0003]相关技术讨论
[0004]四极杆在常规上被描述为低分辨率的仪器。常规四极质谱仪的理论和操作在大量文字书籍中(例如道森(Dawson)P.H.(1976)，四极质谱仪及其应用(Quadrupole MassSpectrometry and Its Applications),爱思唯尔(Elsevier),阿姆斯特丹)并且在大量专利(如授予保罗(Paul)等人的、在1954年12月21日提交、并在1960年6月7日颁发的美国专利号2，939，952,标题为“分离不同比荷的带电颗粒的设备(Apparatus For SeparatingCharged Particles Of Different Specific Charges)”)中都进行了描述。
[0005]作为一个质量过滤器，这类仪器通过经由施加的、能够作为时间的一个函数而线性渐变的RF和DC电势来设定稳定性极限而运行，以使得具有特定范围的质荷比的离子在整个装置中具有稳定的轨迹。具体来说，通过对所配置的圆柱形的、但更经常双曲线形的电极杆对按本领域的技术人员已知的一种方式来施加固定的和/或渐变的AC和DC电压，设定了所希望的电场以便稳定预定离子在X和y方向的运动。其结果是，在X轴上施加的电场稳定了较重离子的轨迹，而较轻的离子具有不稳定的轨迹。相比之下，在y轴上的电场稳定了较轻离子的轨迹，而较重的离子具有不稳定的轨迹。在两个轴上的电场组合起来决定了特定四极质量过滤器提取所希望的质量数据的带通质量过滤行为。在检测到这种数据时，经常利用一种或多种去卷积软件算法来过滤所得的四极质谱数据，以便改进质量分辨率。
[0006]典型地，四极质谱系统采用单一检测器来记录作为时间的函数而到达四极杆群组的离开截面处的离子。通过单调地在时间上改变质量稳定性极限，离子的质荷比可以(大致)由其到达检测器的时间确定。在一个常规的四极质谱仪中，由到达时间来估算质荷比的不确定度对应于质量稳定性极限之间的宽度。这种不确定度可以通过收窄这些质量稳定性极限而减小，即通过将四极杆作为窄带滤波器运行。在这种模式下，四极杆的质量分辨能力增强了，因为在“稳定”质量窄带之外的离子撞击到杆中而不是穿过到达检测器。然而，这个改进的质量分辨能力是以灵敏度为代价的。特别是当稳定性极限窄时，即使“稳定的”质量也仅仅在边际处是稳定的，并且因此这些中仅有相对小的分数到达了检测器。
[0007]关于针对解决四极质量过滤器的分辨能力的改进、而同时提高灵敏度的一个系统的背景信息被描述在授予斯科恩(Schoen)等人的、标题为“具有增强的灵敏度和质量分辨能力的四极质谱仪(AQUADRUP0LE MASS SPECTROMETER WITH ENHANCED SENSITIVITY ANDMASS RESOLVING POWER) ”的美国序号12/716，138中，其披露内容是通过引用以其全部内容
结合在此。
[0008]一般来说，美国序号12/716，138中所披露的系统利用一种在采集之后处理数据(图像流，即Qstream?)以便产生所希望的高灵敏度和高分辨率质谱的检测方案和方法。美国序号12/716，138中所描述的实施例之后的主要理念是可以测量由离子的任何一个均匀群体所产生的一组图像，以便形成一个“参考信号”。然后，在任意离子的混合物中，可以作为多个单独组分的叠合记载所观察到的信号，这些信号是所测量的参考信号的缩放形式。缩放是垂直的以解决丰度差异，并且是水平的以解决质荷比差异。当质量范围和质量稳定性极限是一个小分数的离子质量时，可以通过一个偏移来近似参考信号的膨胀。在其中分量信号是参考信号的偏移后的复制物的情况下，所观察到的数据可以被建模为质谱(包括在离散质量位置处的缩放的冲击信号)与参考信号之间的卷积。在此特殊情况下，可以通过快速去卷积来重新构建质谱。在分量信号实际上是通过膨胀而不是偏移来进行相关联的情况下，去卷积提供一种近似解决方案，其准确度反映出用时间偏移来代替时间膨胀有效的程度。因为近似的准确度随着质量稳定性极限的宽度而下降，因此需要相对窄的极限，这限制了工作周期(duty cycle)并且因此限制了灵敏度。因为近似的准确度随着与给定的参考信号相关联的质量范围的宽度而下降，因此有必要采用理想地将以规则的质量间隔分开的多个参考信号。所采集的、覆盖一个大质量范围的数据可以被分割成以参考信号为中心的多个小“块”。对于充分小的块来说，施加去卷积将提供各块的准确结果。质谱可以从这些块的分析“缝合(stitched)”在一起而成。这种“分块”运行模式涉及在计算和分析中的附加的复杂性，并且仅给出一个适度准确的、但欠佳的结果。
[0009]因此，在质谱法领域中有需要提供一种可以采集数据的系统和方法，该数据是所希望的质谱与一个固定的响应函数(即，参考信号)的卷积。即，来自相异的离子的群体的分量信号是通过简单的时间偏移、而不是时间膨胀来与所采集的参考信号进行相关联。如在此所引入的这类实施例是按一种新型方式、通过在一个四极质量过滤器上相对于时间指数式扫描RF和DC并且以一个恒定的RF/DC比例来实现的。结果是提供了在高灵敏度谱下的高质量分辨能力，该高灵敏度谱明显区别于由常规四极质谱方法和系统所产生的谱。
[0010]发明概沭
[0011]本发明的一个第一方面是针对一种质谱仪器，该质谱仪器包括以下部件:1) 一个四极杆，被配置成使得指数式渐变的振荡(RF)和直流(DC)电压可以施加至该装置的一组电极，其中该(RF)和(DC)电压是相对于时间以指数式来进行施加，并且在渐变进程中，被维持在相对彼此恒定的比例，因此使得该四极杆向它的远端选择性地传输在由所施加电压的幅值所决定的质荷比值(m/z)范围内的一个丰度的离子；2) —个检测器，被配置在该四极杆的该远端的邻近处，以便在所施加的指数式渐变的振荡和直流(DC)电压的进程中采集一系列的该丰度的离子；以及3) —个处理器，被联接到该检测器上并且被配置来使所采集的该系列的该丰度的离子经受作为所施加的指数式RF和/或DC场的函数的去卷积，以便提供一个质谱。
[0012]本发明的另一方面提供一种去卷积质谱法，该方法包括:通过一个四极杆来测量代表单一离子种类的一个测量的或预期的时间分布和/或时间和空间分布的一个参考信号，与此同时将随时间而变化的RF和DC电压施加至该四极杆；对该四极杆施加一个指数式渐变的振荡(RF)电压和一个指数式渐变的直流(DC)电压，其中在渐变进程中所述RF和DC电压被维持在相对彼此恒定的比例，以便向该四极杆的远端选择性地传输有待在由所施加的RF和DC电压的幅值所决定的质荷比值(m/z)范围内测量的一个丰度的离子；从该四极杆的远端采集该丰度的离子的时间或时间与空间测量值两者；通过将参考信号从所采集的离子测量值去卷积而重新构建一个质谱，因此提供规则的时间间隔的离子丰度的估算值；将其中提供估算值的时间点变换成质荷比，从而形成一个(抽样的)质谱；并且重新构建具有相异的m/z值和由所去卷积的质谱估算的强度一个列表。
[0013]因此，本发明提供一种新型的RF和/或DC指数式渐变的运行方法和对应的设备/系统，该方法和设备/系统通过计算作为时间的函数和/或作为时间和在一个四极杆出口的截面中的位置的函数的离子强度分布，使得使用者能够以近似约为一个RF周期的一个时间分辨率来采集综合质量数据。其应用包括但不严格局限于:石油分析、药物分析、磷酸肽分析、DNA和蛋白测序等，这些在此前是不能用四极系统来探询的。在此所述的运行方法以极少的附加的硬件成本或复杂性增强了质谱仪的性能。可替代地，可以放宽对制造公差的要求，以便减小总成本，而同时提高稳健性并且维持系统系能。
[0014]附图简要说明
[0015]图1不出了马修(Mathieu)稳定性图,其中一条扫描线代表了较窄的质量稳定性极限，还有一条“被减小的”扫描线，其中已经将DC/RF之比减小以便提供更宽的质量稳定性极限和增强的离子传输。
[0016]图2示出了可以用本发明的方法运行的三节质谱仪系统的有益的示例性构型。
[0017]图3A示出了所施加的RF电压幅值的作为质量的函数的指数式扫描。
[0018]图3B示出了所施加的RF电压幅值的作为时间的函数的指数式扫描。
[0019]详细说明
[0020]在本发明的说明书中，除非含蓄或明确地理解或另外陈述，应理解一个以单数出现的词语涵盖它的相对应的复数，并且以复数出现的词语涵盖它的相对应的单数。另外，除非含蓄或明确地理解或另外陈述，应理解在此描述的任何给定的部件或实施例、该部件的任何列出的可能的候选或替代物可总体上被单独使用或者彼此组合使用。此外，应理解如在此示出的图不一定是按照比例绘制的，其中这些元件中的一些可能仅仅是为了本发明的清晰而绘制出。并且，参考数字在各图中可能重复，以示出多个对应的或类似的元件。另外，除非含蓄或明确地理解或另外陈述，应理解这样的候选或替代物的任何列表仅仅是说明性的，并不是限制的。此外，除非另外指示，否则在说明书和权利要求中使用的表示组成部分、组成成分、反应条件等等的数量的数字应被理解为是由术语“大约”修饰的。
[0021]因此，除非相反地指示，否则在本说明书和所附权利要求书中阐述的数值参数是近似值，可取决于试图通过在此呈现的主题获得的所需要的特性而不同。至少，并且不是试图对本申请的原则或对等物以及对权利要求的范围进行限制，应当至少根据报告的有效位数的数字并且通过应用寻常的舍入技术来解释每个数值参数。尽管阐述在此呈现的主题的广泛范围的数值范围和参数是近似值，但是在具体实例中阐述的数值是尽可能准确地报告的。然而，任何数值本质上就包含了必然由它们相应的测试测量中所发现的标准偏差引起的某些误差。
[0022]糖体说明[0023]常识认为四极质谱仪令人希望地是线性扫描(即RF幅值是时间的线性函数)，而扇形磁场质谱仪经常是指数式扫描。在本申请中，RF和DC场的作为时间的函数的指数式扫描被要求作为基于四极杆的质谱仪的一种有益运行模式，这些质谱仪如但不限于常规四极质量过滤器、四极离子阱、以及QStream?，即当前正开发的一种离子成像超分辨四极质谱仪，如在标题为“具有增强的灵敏度和质量分辨能力的四极质谱仪”的前述申请美国序号12/716，138中所类似地描述，其披露内容是通过引用以其全部内容结合在此。
[0024]如本领域的技术人员所已知，马修方程描述了离子的运动，并且因此描述了基于四极杆的质谱仪的运行。马修方程的解认为离子在四极杆中的轨迹由无量纲马修a和q参数、即当离子进入四极杆时的初始RF相位、以及离子的初始位置和速度决定。这类解经常被归类为有界的和无界的。有界的解对应于从不留下具有有限的半径的一个柱面的轨迹。典型地，有界的解等于沿着四极杆的长度携带离子到达检测器的轨迹。因为场是由具有有限长度和有限的经轴分离(transaxial separation)的多个杆产生，因此离子的理论稳定度和实际传输并不精确相关。例如，具有有界轨迹的一些离子撞击这些杆而不是穿过其中到达检测器，即，边界半径超过了四极杆孔的半径。相反，具有在边际处无界轨迹的一些离子穿过四极杆到达检测器，即，该离子在它的轨迹有机会在径向上向外扩展至无限远之前就到达了检测器。
[0025]如果m/z表示离子的质荷比,U表示DC偏置量,并且V表示RF幅值,则马修参数a与U/(m/z)成正比并且马修参数q与V/(m/z)成比例。(q，a)值的平面可以分割成与有界的解和无界的解相对应的相邻区域。q_a平面中的有界的和无界的区域的描绘被称为稳定性图。包含马修方程的有界解的区域被称为稳定性区域。稳定性区域是由与轨迹的X和y分量分别稳定的区域相对应的两个区域的相交部形成的。存在多个稳定性区域，但常规的仪器涉及主要稳定性区域。该主要稳定性区域在该q_a平面的原点处具有一个顶点。其边界单调上升至处于具有近似坐标(0.706,0.237)的点处的一个顶点，并且单调下降而在a轴上在近似0.908的q值处形成第三个顶点。常规上，只考虑该q_a平面的正象限。在这个象限中，稳定性区域类似于一个三角形，它的底是(水平)q轴。
[0026]图1示出了具有特定质荷比的离子的此种示例性马修四极稳定性图。为使离子穿过，它在X和Y维度上必须同时是稳定的。当该四极杆作为一个质量过滤器而运行时，U和V的值被固定。U和V的值可以令人希望地被选择成将一个选定的质量mn靠近该图中的顶点放置，这样使得基本上只有具有质量mn的离子可以传输并检测到。在此情况下，该四极过滤器的质量分辨能力是高的，但是以低传输为代价。对于固定的U和V值，具有不同m/z值的离子映射到该稳定性图中的穿过原点以及一个第二点(q*，a*)(用参考字符2表示)的一条线上。如由图1中的参考字符I表示的、称为运行线的值的集合可以由{(kq*，ka*):k>0}来表示，其中k与m/z成反比。该线的斜率等于2U/V。当U和V以零起始，并且作为时间的函数而增加，而同时维持一个恒定的U/V比时，以上所述的同一运行线还描述了由每一个离子随着时间的推移而横过的(q，a)值的集合。当RF和DC电压作为时间的函数而线性渐变时，U/V比保持恒定(如上所述进行“扫描”)并且每一个离子都沿着该运行线以随着时间的推移恒定、并且与离子的质荷比m/z成反比的一个速率移动。
[0027]因此，使用稳定性图作为指导的仪器可以是“停置的”，即，以固定的U和V运行以靶向特定的所感兴趣的离子(例如在图1的顶点处，如用mn表示)，或者是“扫描的”，从而单调地增加U与V幅值二者以便将整个m/z值范围以相继的时间间隔从低m/z到高m/z带入稳定性区域内。
[0028]为了通过增加到达检测器的离子的丰度来提供增大的灵敏度，如图1中所示，扫描线I’可以被重新配置成具有减小的斜率，如由区域6和8所界定的。因为运行线I’的一个较长节段位于该稳定性区域内，因此四极过滤器允许较宽的质量值范围，从而导致质量分辨能力降低。另外，移动远离顶点通过增加实际到达检测器的“稳定”离子的分数而增大了离子传输。当扫描四极杆时，沿着运行线I’携带离子，在质谱中所观察到的峰不仅因为以上所述的增大的传输而是较高的，而且还因为每一个离子都在稳定性区域内耗费较长的时间分数而是较宽的。应注意当运行线从I移至I’时，到达检测器的总离子数的增加是通过增大的传输与每一个离子在稳定性区域内所耗费的增大的时间的乘积来增加。
[0029]当U和V是时间的严格的线性函数时，离子在稳定性区域内所耗费的时间与它的质荷比(m/z)成正比。这产生宽度也与m/z成正比的质谱峰。因为峰宽与m/z的比是恒定的，因此我们把它称为恒定分辨能力模式。因为运行线是不变的，所以每一个质谱峰的精细结构在一个时间膨胀之后也是不变的。时间膨胀考虑了离子横过同一运行线的不同速度。例如，在使质量轴膨胀2倍之后，在m/z处的峰可以叠合在2m/z处的峰上。然而，在常规实践中，施加RF和DC电压，以便递送恒定的峰宽，而不是恒定的分辨能力。有可能选择U的一个仿射函数，即在时间上线性加上一个恒定的偏置量，和V的在时间上严格线性变化的、递送所希望的恒定峰宽的函数。U的恒定偏置量具有使运行线2U/V的斜率随时间连续变化的作用。结果是，尽管峰宽恒定，在不同m/z处的两个峰并不叠合。任何峰的精细结构将是独特的，因为它横过一个独特的路径来穿过该稳定性区域。
[0030]在U.S.序号12/716，138中所述的方法中，即QStream?，采集了一系列的离子图像，其中来自相异的离子组分的每一个信号可以与一个共用的参考信号相关联。这种特性是通过恒定分辨能力运行模式来实现，在该模式中u/ν之比保持恒定。假设通过恒定分辨能力运行模式，具有质荷比m的离子在时刻t置于稳定性区域中的位置(q，a)处。于是，具有质荷比km的离子将在时刻kt置于相同位置(q, a)处。不仅仅离子m在时刻t是稳定的，而且离子km在时刻kt也是稳定的，但实际上，它们离开四极杆的位置在空间上也是相同的，这假定它们以相同的初始条件(即轴向速度、经轴速度、经轴移位)并且以相同的RF相位进入四极杆。因为这种特性是通过离子的统计系综来满足的，因此如由不同质量的离子所形成的、由例如阵列检测器所捕获的图像是通过简单的时间膨胀来进行相关联。即，在具有质荷比m的离子的时间轴被张拉k倍后，由具有质荷比m的离子所产生的图像集合与由具有质荷比km的离子所产生的图像集合相同。
[0031]因此，美国序号12/716，138中总体上描述的重要原理是:有益的是首先测量由离子的任何一个均匀群体所产生的一组图像，以便形成一个“参考信号”。然后，在任意离子的混合物中，可以作为多个单独组分的叠合记录所观察到的信号，这些信号是所测量的参考信号的缩放形式。缩放是垂直的以解决丰度差异，并且是水平的以解决质荷比差异。
[0032]立刻认识到如果不同的分量信号是通过时间偏移、而不是时间膨胀来与任意的参考信号相关联，则所采集的数据可以被解释为参考信号与质荷比的潜在分布(即，质谱)的卷积。因此，潜在的质谱可以通过去卷积来重新构建。去卷积是简单、快速、并且巧妙的，并且因此是令人希望的。然而，首先模拟并且随后在一个原型仪器上进行的初始实验并未提供在某些质量范围上实现所希望的时间偏移特性的运行模式。为了补偿这一点并且还为了经由以上所述的方法提供有用的结果，RF和DC使线性扫描成为必须，但仅在小的质量范围和相对窄的稳定性限度上。例如，可以从质量500-520进行扫描。在这种运行模式中，k在相对于在质量510处的参考信号从0.98到1.02的范围内。使用这类窄的扫描范围，质量轴的膨胀可以基本上忽略，并且所观察到的分量信号(来自混合物中的不同离子)之间的关系可以近似为(纯)时间偏移。
[0033]尽管这种“线性扫描”运行模式提供增大的质量分辨能力和同时增大的灵敏度，但它在操作中有限制，因为它降低了去卷积结果的准确度并且迫使数据由小块“缝合”在一起，以便形成一个完整的质谱。此外，以这种“缝合”在一起的运行模式，多个参考信号经常需要在质量范围上在多个间隔处进行测量，这样使得每一个块仅含有少的时间/质量轴膨胀。幸运的是，有一种新型的替代解决方案，它就是如下文所披露的本专利申请的主题。
[0034]具体说明
[0035]对比之下，本发明经由利用一个四极仪器的在时间上是指数式而不是线性的扫描函数提供一种产生多个分量信号的希望的有益特性，这些信号是通过时间偏移、而没有在任何质量范围上的时间膨胀来进行相关联。在此新型方法中，U (m/z)和V(m/z)与以上针对一种常见运行模式的说明性实例相反，一般被设定为例如U = Cl exp(s*t)并且V =c2exp(s*t),其中s是描述任何离子穿过一个给定值q和a的速度的比的一个常数。
[0036]为了说明一个四极仪器的指数式扫描的这种新型安排，如前所述假设具有质荷比m的一个离子在时刻t置于马修坐标(q*,a*)处。因此,具有质荷比km的一个离子在时刻t+Δ t置于(q*, a*)处,其中exp (s At) = k或等效地At = log(k)/s。从以上方程中应注意的一个关键方面是时间偏移是独立于马修坐标q和a的。因此，来自具有任意质量的一个离子的信号是通过时间偏移携带到参考信号上。这种时间偏移仅仅取决于离子的m/z值与扫描速率之比。为了由一系列的图像形成一个质谱，之后在时域中执行数学去卷积，并且然后通过求幂将时间轴上的值变换为m/z值。
[0037]有待理解的这种运行模式的一个重要方面是去卷积过程产生超分辨率，即区分小于质量稳定性极限的宽度的离子质量、并且没有如美国序号12/716，138中所必需的将数据块“缝合”在一起以便形成所采集的质谱的繁重任务的能力。例如，一个典型四极杆的质量分辨能力被定义为m/Am，其中Am是质量稳定度极限的宽度。在理论上，一个四极杆中的高分辨能力可以通过收窄质量稳定性极限来获得，如以上所略微描述。然而，以上未描述的是在实践中，收窄质量稳定性极限引起离子强度的急剧下降，这是因为四极杆场的非理想性、由杆所形成的孔口的有限大小、以及在进入四极杆的离子的初始条件下的分散性。因此，四极质谱仪典型地是在单位分辨率下或在从数百到一至两千范围内的质量分辨能力下运行。
[0038]然而，借由RF和DC所施加的电压的指数式扫描(作为对美国序号12/716，138中所述情况的改进)，借由质量差异远小于质量稳定性极限的离子在四极杆的出口平面中的作为时间的函数的不同位置，可以区别它fl]。该稳定性极限可以被设置的相当宽，例如IODa或更大，这样使得离子强度实质上大于甚至在单位分辨率下的强度。在一个扫描模式中，宽的稳定性极限还导致成比例更大的“停留时间”，即离子稳定并且因此被检测到的时间间隔。[0039]结果是，数万计的质量分辨能力(作为对美国序号12/716,138中所述且视为QStream?的情况的上述改进)可以远超过对于以单一检测器按常规模式运行时的四极质谱仪来说典型的分辨能力而实现。确切地讲，通过使用约I至多达约300道尔顿或更大的宽的质量稳定性极限，实现了高质量分辨能力，而没有牺牲灵敏度。
[0040]有趣且稍微意外的是，对四极杆中的电极群组的RF和DC所施加电压的指数式扫描的所得有益特性不限于QStream?(其中经常使用阵列检测方案采集离子图像)，而且还延伸至(当关联至在此所披露的其他方面时)常规四极质量过滤器和甚至四极离子阱的指数式扫描。例如，一个常规四极质量过滤器可以被认为是具有N个检测器(其中N= I)的一个阵列的情况。可以获得仅仅是单个强度对时间的一个参考信号。数学去卷积可以使用与在此所述的相同的方程来执行。
[0041]本领域的技术人员应理解基于去卷积的方法不能用于从在按常规运行模式运行的四极质量过滤器上收集的数据中提取超分辨率信息。如以上所讨论，在常规模式中，RF和DC是在时间上线性扫描。以上说明了线性扫描的局限性。另外，RF和DC不被维持在恒定比例。
[0042]为进一步理解该问题，常规四极质谱仪运行以递送多个峰在整个质谱上具有相同宽度(例如0.7Da)的质谱。如果质谱仪以恒定的RF/DC之比来运行，那么峰宽随着质量线性变化。例如，如果具有质荷比m的一个离子在范围从t*_At至t*+At的时间内是稳定的，则具有质荷比km的一个离子在范围从k(t*_At)至k(t*+At)的时间内是稳定的，并且因此第二个峰比第一个峰宽k倍。重要的是应注意:在这种情况下的分辨能力是恒定的，即分辨能力(m/ Am) = (km) / (k Δm)。
[0043]为了递送恒定的峰宽、而不是恒定的分辨能力，常规上在扫描过程中应用一个小的DC偏置量，作用是单调地增大RF/DC比。这种类型的安排将质量稳定性极限保持恒定，从而抵消否则可以发生的峰的膨胀。
[0044]整体结果是:常规的运行模式排除了使用基于去卷积的方法来产生超分辨率质谱。在常规四极质谱法中应用的DC偏置量引起不同的离子横过不同的路径来穿过稳定性图。如美国序号12/716，138中所披露，如果使用的是常规技术的话，尽管不同的离子具有类似宽度的峰，但离子的运动是完全不同的，并且不能通过时间轴的偏移、膨胀、或任何其他变换来叠合。即使使用单一检测器，这些峰可能定性相似地出现(即略微方形，具有相同峰宽)，其中强度轮廓的精细结构不再能叠合。
[0045]相比之下，通过在一个四极质量过滤器上相对于时间指数式并且如上述方程U =clexp (s*t)和V = c2exp (s*t)所指示以一个恒定的RF/DC比扫描RF和DC,可以采集其中来自各离子的分量信号(“峰”)通过简单的时间偏移来与一个参考信号相关联的数据。这种有益的特性允许通过数学去卷积来产生超分辨率质谱。使用在此披露的新型方法，这类谱通过在高灵敏度下的所得高质量分辨能力来区别于常规的四极质谱。
[0046]作为一种运行方法，除了但不限于指数式扫描，本申请经常还要求:1)校正控制施加的电压(即RES_DAC)以便扫描线穿过原点的一个构建的仪器；2)收集用于去卷积的参考峰；3)将去卷积应用于原始数据；并且然后4)变换成一个(线性)质量轴。
[0047]通过指数式扫描提供的关系式dq/dt = s*q也可以在离子阱的运行中实施，如以上所简要描述。在一个离子阱中，所感兴趣的q是由共振射出波形来决定。在按常规线性扫描模式运行的一个离子阱中，轻离子的本征频率以与重离子不同的速率接近共振射出频率。在如本文所披露的一个指数式扫描模式中，所有离子均以相同速率接近共振射出频率。这种令人希望的特性消除了峰形中质量依赖性变化的一个主要来源。对离子阱的运行的进一步精化可能是消除质量依赖性峰形变化的其他来源所必需。
[0048]因此，在本申请中可以基于去卷积使用一个不随质量变化的准确指定的峰形模型，实现超分辨率、即质量间隔显著小于一个峰的FWHM的两种质量的分辨。除了应用于美国序号12/716，138中描述的技术(例如经由Qstream?)，本发明的方法还使得常规四极质量过滤器和四极离子阱也能够受益于一种指数式扫描模式，该模式致力于在(指数式)时域中产生不随质量而变化的峰形,其中去卷积和变换可以产生超分辨的质谱。
[0049]指数式扫描本身可以在不改变固件的情况下实施。在所述水平下，装置设置是按照质量来进行定义。因此，将数字信号处理器(DSP)中的质量与时间之间的关系从线性改变为指数式是简单的。作为一种有益安排，可以在事件标志中引入指示一个给定的节段是指数式而非线性扫描的一个位元。
[0050]RF(V)和DC(U)值因此能够在时间上指数式渐变，这样使得所希望的离子的对应的q和a值也以指数式速率增大。想要对特别希望的质量提供选择性扫描(例如，单位质量分辨能力)的常规四极系统的使用者经常将他的或她的系统以选定的a:q参数进行配置并且然后以预定的不连续速率、例如约500(AMU/SeC)的速率进行扫描以检测信号。
[0051]然而，虽然这种扫描速率和甚至更慢的扫描速率在此也可以用来增大所希望的信噪比，但本发明还可以任选地将扫描速度增大至约lOOOOAMU/sec和甚至高达约lOOOOOAMU/sec作为上限，这是因为稳定性传输窗口更宽并且因此能够获得增大的定量灵敏度的离子范围更广。增大的扫描速度的益处包括减少测量时间帧以及与调查扫描相协作地运行本发明，其中可以对a:q点进行选择以便仅从其中存在信号的那些区域来提取另外的信息(即，目标扫描)，从而还增大总运行速度。
[0052]转回参看附图，图2示出了如总体上由参考数字300所指定示出的一个三节质谱仪系统(例如一个商业赛默飞世尔科技(Thermo Fisher Scientific)的TSQ)的有益的示例性构型，该系统具有一个检测器366，例如单一常规检测器(一个法拉第检测器)和/或一个时间和空间检测器，例如一个阵列检测器(CID，阵列光检测器等)。这种检测器366有益地位于四极杆的通道出口(例如图2的Q3)处以便提供可以通过数学去卷积重新构建成为一个富质谱368的数据。通过应用在此所述的去卷积方法，由这种运行产生的所得时间依赖性数据被转换成质谱，这些去卷积方法将四极杆的所记录的离子到达时间的、或除了在四极杆的离开平面中的空间位置以外的到达时间的集合转换成一组m/z值和相对的丰度。
[0053]检测器本身可以是一个常规检测器(例如一个法拉第检测器)，以便记录所允许的离子信息。通过这种安排，所收集的时间依赖性离子电流提供了随渐变的指数式电压而变、在射束截面中的给定位置处具有包络线的一个样品。重要的是，由于给定m/z值和渐变电压的包络线与略微不同的m/z值和偏移的渐变电压的包络线是大致相同的，因此针对两个具有略微不同的m/z值的离子所收集的时间依赖性离子电流也通过一个时间偏移量而相关联，该时间偏移对应于所施加的指数式渐变的RF和DC电压的偏移。离子在四极杆的离开截面中的出现取决于时间，这是因为RF和DC场取决于时间。具体来说，因为RF和DC场是通过使用者来控制的，并且因此是已知的，所以所收集的离子的时间序列可以使用针对具有任意m/z的离子的熟知的马修方程的解来有益地建模。
[0054]然而，尽管可以利用一个常规的时间依赖性检测器，但应理解也可以利用时间依赖性/空间(例如阵列检测器)，因为实际上在四极杆的离开孔隙处、在一个预定的空间平面上存在与时间相关的多个位置，每一个位置具有不同的详情和信号强度。在这种安排中，所施加的DC电压和RF幅值可以与RF相位同步地步进，以便提供针对任意场条件的离子图像的测量。通过用任一种检测器安排来改变所施加的场，本发明可以获得关于样品的整个质量范围的信息。
[0055]作为附加批注，存在可以作为在配置后的四极杆开口处的截面中的位置以及离子的初始速度的函数(如果未检验的话)而干扰初始离子密度的场分量。例如，仪器的入口的场末端，如Q3，经常包括一个依赖于离子注入的场分量。当离子进入时，它们进入时的RF相位造成了入口相位空间或离子初始条件的初始移位。由于离子的动能和质量决定了其速度并因此决定了离子在四极杆中停留的时间，因此所得的时间决定了离子的初始的与离开时RF相位之间的偏移。因此，作为总RF相位的函数，能量的小变化改变了这种关系并且因此改变了离开时的图像。此外，该离开时的场的一个轴向分量也可以扰乱该图像。虽然在不检验时多少是不利的，但本发明可以被配置成按如下方式减轻此类分量:例如将离子在多极杆(例如像图2所示的所配置的碰撞室Q2)中冷却并通过在该装置内对离子进行相位调制而将离子注射到轴线上或者优选地略微偏离中心。参考信号的直接测量，而不是马修方程的直接解允许考虑场中的多种非理想性。马修方程可以在这种情形下用于将针对一个已知m/z值的参考信号转换成针对某一范围的m/z值的一个家族的参考信号。这种技术提供了对施加的场中的非理想性具有容许性的方法。
[0056]返回参看图2的质谱仪系统，应理解，如以上所讨论，本实施例的指数式渐变方法还可以与其他质谱仪系统和/或具有与在此所描述的那些不同的架构和配置的其他系统相结合进行实践。在次重申，图2的四极质谱仪系统300不同于常规四极质谱仪之处在于本发明不仅提供所施加的RF和DC场的指数式渐变，而且还没有DC电压的偏置量。
[0057]进一步讨论图2，如本领域的技术人员所已知，由来源352提供的离子能够经由预定的离子光学件而被引导，从而被促使穿过一系列的具有渐减压力的腔室，这些离子光学件经常可以包括管式透镜、分离器(skimmer)以及多极杆(例如参考字符353和354，选自射频RF四极和八极离子引导件)等等，这些腔室操作性地引导并聚焦此类离子以便提供良好的传输效率。这些不同的腔室与连接到一组泵(未示出)的多个相应端口 380(在图中用箭头表示)连通以便将压力维持在所希望的值。
[0058]图2的示例性系统300还被示出展示为一个三节配置364，该配置具有标记为Q1、Q2以及Q3、电耦合至相应的电源和控制仪器(未示出)以便作为一个四极杆离子引导件来执行的区段，如本领域的普通技术人员所已知。应注意，本发明的这类杆结构可以按或者仅射频(RF)的模式或者RF/DC模式来运行，在此优选的是按指数式RF渐变模式、而没有施加的DC偏置量来运行。取决于具体施加的RF和DC电势，仅允许具有选定荷质比的离子穿过此类结构，而剩余的离子遵循不稳定的轨迹从而导致从施加的多极场中逸出。随着DC与RF电压的比率成比例的增大，离子质量的传输频带变窄，以便提供质量过滤器操作，如本领域技术人员已知并且理解。[0059]在优选的实施例中，对本发明的四极装置(如图2中所示(例如Q3))的预定相反的电极施加的所希望的渐变的RF和DC电压，其施加方式是提供一个预定的稳定性传输窗口(例如从约I道尔顿至约300道尔顿宽或更大)，该窗口被设计成使得更大传输率的离子被引导穿过该仪器、通过检测器366收集在四极杆(例如Q3)的离开通道中，并且被处理从而确定质量特征。如在此被理解为新颖性的关键方面，指数式施加的RF电压和对应的指数式施加的DC电压是处于恒定比例，以便考虑横过稳定性区域的相异种类的离子的时间偏移(参见图1)。尽管本申请的指数式施加的RF和DC电压优选地在渐变进程中被维持在恒定的比例，同样应理解本实施例也可以用施加的指数式渐变的RF和DC电压来操作，这些电压是按在渐变进程中玉处于恒定比例的方式来施加。然而，这种施加使所采集的数据的去卷积中的另外的困难成为必然。
[0060]质谱仪300的运行可以通过已知类型的不同电路系统的一个控制器和数据系统(未描绘)进行控制并且可以通过它来采集数据，该系统可以被实施为用于既对图2所示的单一通道或阵列检测器366又对其他质谱仪和/或相关仪器提供仪器控制和数据分析的通用或专用处理器(数字信号处理器(DSP))、固件、软件中的任何一种或其组合，和/或被配置成执行能够对这类仪器装备进行控制的一组指令的硬件电路系统。从检测器366和相关仪器接收的数据的这类处理也可以包括取平均值、扫描分组、去卷积、库搜索、数据存储以及数据报告。
[0061 ] 还应了解的是，启动比在此披露更慢或更快的预定扫描的指令、从对应的扫描来在原文件中鉴定一组m/z值、合并数据、将结果导出/显示/输出给使用者等等，可以经由基于数据处理的系统(例如控制器、计算机、个人计算机等等)来执行，该系统包括用于执行质谱仪300的上述指令和控制功能的硬件以及软件逻辑。
[0062]另外，如以上所描述，这类指令和控制功能也可以由如图2所示的一个质谱仪系统300来实施，如通过机器可读介质(例如计算机可读介质)所提供的。根据本发明的多个方面，计算机可读介质是指本领域普通技术人员已知的并且了解的介质，这些介质具有以一台机器/计算机可以读取(即，扫描/感测)的、并且由所述机器/计算机的硬住和/或盤胜可解释的形式提供的编码信息。
[0063]因此，如图2所示，当由被配置在系统300中的四极杆364引导的一个有益的检测器366接收到一个给定的谱的质谱数据时，嵌入本发明的计算机程序中的信息可以被用来例如从该质谱数据中提取对应于一组选定的质荷比的数据。此外，嵌入本发明的计算机程序中的信息可以被用来以本领域普通技术人员理解并希望的方式进行用于标准化、转移数据、或从原始文件中提取不想要的数据的方法。
[0064]转回参看图2的示例性质谱仪300系统，含有所关注的一种或多种分析物的一个样品可以经由一个离子源352在或接近大气压或在由系统要求所定义的压力下操作而电离。具体来说，该离子源352可以包括电子电离(EI)源、化学电离(Cl)源、基质辅助激光解吸电离(MALDI)源、电喷射电离(ESI)源、大气压化学电离(APCI)源、纳米电喷射电离(NanoESI)源、以及大气压电离(API)等等。
[0065]取决于对四极杆(例如Q3)的具体的指数式施加的RF和DC电势(并且在恒定的RF/DC比下))，只有具有选定的质荷(m/z)比的离子被允许穿过，而剩余的离子遵循不稳定的轨迹，从而导致从施加的多极场中逸出。因此，对本发明的多极装置(如图2中所示(例如Q3))的预定相反电极指数式施加的RF和DC电压，其施加方式可以是提供预定的稳定性传输窗口，该窗口被设计成使得更大传输率的离子能够被引导穿过该仪器、在出口孔隙处被收集并且被处理从而确定质量特征。
[0066]因此，示例性多极杆，例如图2的Q3，可以与系统300的共同部件一起被配置以便提供可能高达约I百万的质量分辨能力，其中与使用典型的四极扫描技术时相比，灵敏度的数量增加了高达约200倍。具体来说，指数式施加的RF和DC电压可以随时间得以扫描以便探询在预定m/z值(例如，300AMU)上的稳定性传输窗口。之后，具有稳定性轨迹的离子到达能够以近似IORF的周期进行时间分辨的检测器366。
[0067]“线性扫描”的分析(RF对时间线性、DC对时间仿射)
[0068]考虑由方程I和2给出的线性扫描的最一般情况:
[0069]U (t) = c^+Uq,(I)
[0070]V(t) = c2t.(2)
[0071]如由以上方程I和2所示，RF幅值V(t)在时间上是线性的，但本实施例允许在U(t)中有一个恒定的偏置量，从而使U(t)仿射，而不是严格线性。需要偏置量Utl用于恒定的峰宽运行，如以下所示。
[0072]考虑具有质量m和电荷z = I的具体离子。以下选定z = 1，而不失一般性，以便
简化方程。然后，此离子的作为时间的函数的马修参数是:
【权利要求】
1.一种质谱仪，包括: 一个四极杆，该四极杆被配置成使得一个指数式渐变的振荡(RF)电压和一个指数式渐变的直流(DC)电压可以被施加至该装置的一组电极，所述(RF)和(DC)电压是相对于时间以指数式来进行施加，并且在该渐变进程中，被维持在相对彼此恒定的比例，因此使得所述四极杆向它的远端选择性地传输在由所述施加的电压的幅值决定的一个质荷比值(m/z)范围内的一个丰度的离子； 一个检测器，该检测器被配置在所述四极杆的该远端的邻近处，以便在所述施加的指数式渐变的振荡(RF)和直流(DC)电压的进程中采集一系列的所述丰度的离子；以及 一个处理器，该处理器被联接到所述检测器上并且被配置来使所述采集的系列的所述丰度的离子作为所施加的指数式(RF)和/或(DC)场的函数经受去卷积，以便提供一个质-1'TfeP曰。
2.如权利要求1所述的质谱仪，其中所述施加的指数式渐变的振荡(RF)电压和所述施加的指数式渐变的直流(DC)电压在该渐变进程中不被维持在处于相对彼此恒定的比例。
3.如权利要求1所述的质谱仪，其中所述检测器包括一个单一检测器。
4.如权利要求1所述的质谱仪，其中所述检测器包括一个二维阵列。
5.如权利要求1所述的质谱仪，其中所述处理器被配置成基于如由所述检测器提供的在时间上分辨的信息和/或在时间和空间上分辨的离子信息，使所述采集的系列的所述丰度的离子经受去卷积。
6.如权利要求1所述·的质谱仪，其中所述处理器被配置成用一个单一参考信号对该系列的离子图像中的数据进行去卷积，所述参考信号代表在该多极杆的一个具体运行状态下的一个测量到的单一离子种类。
7.如权利要求1所述的质谱仪，其中所述处理器被配置成用一组多个参考信号对该系列的离子图像中的数据进行去卷积，所述多个参考信号各自代表在该多极杆的一个具体运行状态下一个单一离子种类的一种测量到的或一种预期的空间分布。
8.如权利要求1所述的质谱仪，进一步包括一个碰撞室，该碰撞室在一个离子路径中相对于所述四极杆的一个入口端定位在上游。
9.如权利要求1所述的质谱仪，其中该振荡电压和该DC电压的这些幅值被选择成设定这些所传输的离子的在I与300AMU之间的一个m/z范围。
10.如权利要求1所述的质谱仪，其中所述四极杆被配置为一个离子阱。
11.一种质谱仪方法，包括: 通过一个四极杆来测量一个参考信号，该参考信号代表一个单一离子种类的一个测量到的或预期的在时间上的分布和/或在时间和空间上的分布，与此同时将随时间而变化的RF和DC电压施加至所述四极杆； 对所述四极杆施加一个指数式渐变的振荡(RF)电压和一个指数式渐变的直流(DC)电压，其中在该渐变进程中所述RF和DC电压被维持在相对彼此恒定的比例，以便向所述四极杆的远端选择性地传输有待在由所述施加的(RF)和(DC)电压的幅值决定的一个质荷比值(m/z)范围内测量的一个丰度的离子； 从所述四极杆的该远端采集该丰度的离子的在时间上的或在时间与空间两者上的测量值;通过将所述参考信号从所采集的离子测量值去卷积来重新构建一个质谱，因此提供规则的时间间隔下的离子丰度的估算值； 将其中提供估算值的时间点变换成质荷比，从而形成一个(抽样的)质谱；并且 并且重新构建具有相异的m/z值和由所去卷积的质谱估算的强度一个列表。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述RF和DC电压的施加步骤包括:在该渐变进程中施加所述RF和DC电压，但以相对彼此非恒定的比例。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述计算步骤进一步包括:从所述参考信号产生一个偏移的自相关向量。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述计算步骤进一步包括:使用所述参考信号构造所述原始数据的一个矩阵形式。
15.如权利要求11所述的方法，其中使用傅里叶变换质谱法(FTMS)分析所述矩阵形式。
16.如权利要求11所述的质谱仪方法，进一步包括:通过打开由马修(a，q)值限定的稳定性边界而提供增大了从约10倍至最高达约200倍的一个灵敏度。
17.如权利要求11所述的质谱仪方法，其中施加该振荡电压和该DC电压的所述幅值的步骤进一步包括:选择所述电压以设定这些传输的离子的在I与300AMU之间的一个m/z范围。
18.如权利要求11所述的质谱仪方法，其中施加该振荡电压和该DC电压的所述幅值的步骤进一步包括:选择所述电压 以设定这些传输的离子的大于300AMU的一个m/z范围。
19.如权利要求11所述的质谱仪方法，其中所述重新构建步骤进一步包括:在时域中数学去卷积，其中通过求幂将时间轴上的所得值变换成所述相异的m/z值。
20.如权利要求19所述的质谱仪方法，其中所述数学去卷积包括快速傅里叶变换。
21.如权利要求11所述的质谱仪方法，其中所述方法进一步包括:校正一个联接的仪器，该仪器控制所述渐变的振荡(RF)电压和所述指数式施加的直流(DC)电压，以使得一条希望的扫描线穿过一个稳定性区域的原点。
22.如权利要求11所述的质谱仪方法，其中测量一个参考信号的该步骤进一步包括:将针对一个已知的m/z值的所述参考信号转换成针对一个m/z值范围的一个家族的参考信号，以便补偿该四极场中的非理想性。
23.如权利要求11所述的质谱仪方法，进一步包括:提供IOOppm低至约IOppm的质量Δ微分。
【文档编号】H01J49/42GK103854955SQ201310635031
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2012年11月30日
【发明者】R·A·小格罗瑟 申请人:赛默菲尼根有限责任公司