用于利用离子淌度谱测量离子的碰撞截面的快速方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及离子淌度谱（IMS)和离子淌度-质谱（頂-MS)。本发明尤其涉 及用于利用頂-MS器件来测量（计算）分析物离子的碰撞截面（CCS)的方法开发。
【背景技术】
[0002] 离子淌度谱（MS)是一种气相离子分离技术，其中，离子随着它们行进通过含有 已知组分（例如氮）、压力和温度的缓冲气体（漂移气体）的已知长度的漂移单元（漂移 管）而在时间上变为分离的。在这种行进期间，离子基于可以与它们的通过缓冲气体的不 同淌度相关的它们的不同碰撞截面（CCS)而变为分离的。IMS系统通常包括用于对感兴趣 样本的分子进行离子化的离子源，后随接收离子的漂移单元，后随用于对分离后的离子进 行计数的离子检测器。离子检测器与被配置用于根据需要处理来自离子检测器的输出信号 以产生用户可解释漂移谱的电子器件进行通信。漂移谱典型地呈现为包含指示所检测到的 离子的相对丰度的一系列峰值作为它们通过漂移单元的漂移时间的函数的图线。漂移谱可 以用于标识并且区分样本的不同分析物核素。
[0003]MS可以与一种或多种其它类型的分离技术耦合，以增加化合物标识能力（例如 气体色谱（GC)、液体色谱（LC)或质谱（MS))。例如，IMS漂移单元可以与MS系统内嵌耦合， 以形成组合的頂-MS系统。MS系统通常包括用于基于离子的不同质荷比（或m/z比，或更 简单地，"质量"）来分离离子的质量分析器，后随离子检测器。MS分析产生质谱，其为指示 所检测到的离子的相对丰度的一系列峰值作为它们的m/z比的函数。质谱可以用于确定样 本的成分的分子结构。IMS漂移单元一般耦合到飞行时间质谱仪（TOFMS)，其利用无电场飞 行管形式的高分辨率质量分析器（TOF分析器）。离子提取器（或脉冲器）将脉冲（或包 封）中的离子注入到飞行管中。不同质量的离子以不同速度行进通过飞行管，并且因此根 据它们的不同质量而分离（分离开），这使得能够进行基于飞行时间的质量分辨。
[0004] 在组合式頂-MS系统中，离子源后随MS漂移单元，MS漂移单元后随质量分析器， 然后是离子检测器。因此，离子在发送到MS之前据淌度而得以分离，在MS中，它们然后受 质量解离。在包括生物聚合物（例如多聚核苷酸、蛋白质、碳水化合物等）的复杂化学混合 物的分析中，串行执行两种分离技术是特别有用的，这是因为所加入的由頂分离提供的维 度可以有助于分离彼此不同但呈现交叠质量峰值的离子。这种混合式分离技术可以进一步 通过其与LC耦合而得以增强，因此提供LC-IM-MS系统。
[0005] 在低场漂移时间MS技术中，离子在漂移单元的电极所建立的均匀DC电压梯度的 影响下行进通过漂移单元。对于低场頂S技术所利用的典型电场包括但不限于10至20V/ cm，并且典型缓冲气体压力包括但不限于1至760T〇rr。在电场将离子移动通过漂移单元的 同时，离子归因于与漂移单元中的静止缓冲气体的碰撞而经历拖拽力。拖拽力抵抗移动离 子的电力。离子所经历的拖拽力取决于作为离子的大小和形状的函数的其碰撞截面（CCS 或Q)，并且取决于其电荷和质量。因为多个带电离子归因于电场而经历更大的力，所以多 个带电离子比单个带电离子更高效地移动通过缓冲气体。具有较大CCS的离子因与缓冲气 体的碰撞而更容易受阻。在进入漂移单元之后，快速地达到拖拽力与电力之间的均衡状态， 并且离子以恒定漂移速度Vd开始移动，漂移速度Vd如下与所施加的强度E的电场成正比：
[0006] Vd=KE, (1)
【主权项】
1. 一种用于测量样本离子的碰撞截面（CCS)的方法，所述方法包括： 测量所述样本离子从离子淌度谱漂移单元的入口行进到所述漂移单元的出口外部的 离子检测器所耗费的总漂移时间；以及 根据以下公式计算所述样本离子的CCS: Q=(tD-tfix) / 0y, 其中，Q是CCS，tD是所测量的总漂移时间，tfix是固定延迟时间参数，0是所述样本 离子行进通过所述漂移单元并且通过所述漂移单元外部的淌度依赖区域所耗费的漂移时 间有关的比例系数，y= (11^0?+!?))"2/+其中，Hi1是所述样本离子的质量，mB是所述漂移 单元中的漂移气体分子的质量，q是所述样本离子的电荷状态。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，所述固定延迟时间tfix计量器件依赖时间测量延 迟、或淌度独立飞行时间、或时间测量延迟与淌度独立飞行时间二者。
3. 如权利要求1所述的方法，包括：在对于测量所述样本离子的总漂移时间所利用的 基本上相同操作条件下，通过测量各个已知CCS的多个基准离子行进通过所述漂移单元到 达所述离子检测器所耗费的各个总漂移时间来确定所述比例系数0。
4. 如权利要求3所述的方法，其中，确定所述比例系数0包括：应用多个数据点的简 单线性回归，每个数据点是作为yD的函数的对于各个基准离子所测量的总漂移时间，并 且其中： D是所述基准离子的已知CCS; Y=OVO^+nO)"2/+其中，Hi1是所述基准离子的质量，mB是所述漂移单元中的漂移 气体分子的质量，q是所述基准离子的电荷状态；以及 所述比例系数是穿过所述数据点的直线的斜率。
5. 如权利要求4所述的方法，其中，所述漂移单元含有漂移气体的混合物，应用简单线 性回归包括：计算用于叫的值。
6. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，包括：同时将多个样本离子注入到所述漂 移单元中，测量各个样本离子的总漂移时间，计算各个样本离子的CCS，确定至少一个所选 择的样本离子的所计算的CCS与用于所选择的样本离子的基准CCS值之间的百分比误差， 以及将所计算的所述各个样本离子的CCS缩放所述百分比误差。
7. 如前述权利要求任一项所述的方法，其中，计算CCS进一步基于所述样本离子行进 通过所述漂移单元与所述离子检测器之间的淌度独立区域所耗费的淌度独立飞行时间。
8. 如前述权利要求任一项所述的方法，其中，计算CCS包括：根据以下公式计量所述淌 度独立飞行时间： Q= (tD -tfix -(A(In1/q)1/2)) / 0y, 其中，AOVq)"2是所述淌度独立飞行时间，A是取决于所述淌度独立区域中的电场强 度的比例系数。
9. 如权利要求8所述的方法，包括：通过以下步骤来确定所述固定延迟时间tfix和所述 比例系数A和0:在对于测量所述样本离子的所述总漂移时间所利用的基本上相同操作条 件下测量各个已知CCS的三个或更多个基准离子行进通过所述漂移单元到达所述离子检 测器所耗费的各个总漂移时间，以及使用所述各个三个或更多个基准离子的已知参数质量 I%、CCSQ和电荷状态q来通过最小二乘法求解如权利要求16所述的公式。
10. -种离子淌度-质谱（IM-MS)系统，包括： 頂漂移单元，其包括漂移单元入口和漂移单元出口； 中间区域，其跟随所述漂移单元出口并且包括淌度依赖区域； MS检测器，其跟随所述中间区域；以及 计算设备，其配置用于通过以下步骤测量样本离子的碰撞截面（CCS): 测量所述样本离子从所述漂移单元入口行进到所述离子检测器所耗费的总漂移时间； 以及 基于所测量的总漂移时间以及所述样本离子行进通过所述漂移单元并且通过所述淌 度依赖区域所耗费的漂移时间有关的比例系数来计算所述样本离子的CCS。
【专利摘要】在此公开用于利用离子淌度谱测量离子的碰撞截面的快速方法。可以通过测量样本离子耗费于行进通过离子淌度谱漂移单元到达离子检测器的总漂移时间来计算所述样本离子的碰撞截面(CCS)。可以基于所测量的总漂移时间以及定义所述样本离子耗费于行进通过漂移单元与检测器之间的淌度支配区域的时间的比例系数来计算CCS。可以根据测量基准离子的总漂移时间来确定所述比例系数。计算所述样本离子的CCS还基于定义所述样本离子耗费于行进通过淌度独立区域的时间的比例系数，在所述淌度独立区域中，所述离子的速度取决于所述离子的静电场强度、质量和电荷状态。
【IPC分类】G01N27-62
【公开号】CN104820009
【申请号】CN201510050582
【发明人】A·莫德海, R·T·库鲁拉加马, C·克莱因, J·弗杰尔德斯泰德
【申请人】安捷伦科技有限公司
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年1月30日
【公告号】DE102015201624A1, US20150219598