用于高速蛋白质组学的步进扫描离子阱质谱法
【专利摘要】一种用于获得离子的质谱的离子阱质谱仪和方法，通过在一波段上以频率增量步进扫描驱动频率，其中对于每个步进，将特定频率保持固定数量的完整周期，其中每个特定频率连续地改变到下一步进中的频率，并且其中在每个步进中的每个特定频率起始于零相位位置。
【专利说明】用于高速蛋白质组学的步进扫描离子阱质谱法
【技术领域】
[0001]本发明涉及质谱法和蛋白质组学(proteomics)领域。本申请尤其涉及一种用于在质谱法中高速测定蛋白质组和检测大生物分子离子的方法。本申请还尤其涉及用于检测大分子和生物分子的离子阱质谱法的频率步进扫描设备和方法。
【背景技术】
[0002]质谱法是一种用于通过其质荷比来识别分子或离子的强大的工具。质谱法的局限性是难以快速测定高质荷比的生物分子或大分子。大生物分子检测的最新进展包括基质辅助激光解吸 / 电离(matrix-assisted laser desorption / ionization,MALDI)和电喷雾离子化(electrospray ionization, ESI)。
[0003]质谱法已被应用到蛋白质、细胞器和细胞的研究，用于表征分子量以及用于研究蛋白质的消化产物、蛋白质组分析、代谢组(metabolomics)和肽序列(peptidesequencing)等。诸如三维四极离子讲(three-dimensional quadrupole ion traps)的离子捕获设备和方法对一般的蛋白质组学已非常有用，因为其提供了离子从离子阱中的质量选择性嗔射。
[0004]简单地说，离子从离子阱中的质量选择性喷射可以通过频率扫描质谱仪的LC谐振电路来实现，其中所述离子阱为电容器。可以使扫频对应于被检测离子的质荷比的范围。
[0005]通过频率扫描方法的离子从离子阱中的质量选择性喷射的缺点是，当在一频率范围上扫频时，在切换到下一频率之前未在整个周期上完成特定频率。此外，扫频中的每个相继频率起始于任意相位。这些缺点降低了质谱的分辨率和频率与质荷比的对应性。
[0006]对使用质谱仪检测蛋白质和生物分子的方法存在持续需求。还存在对能够检测大生物分子离子的质谱仪装置和安排的需要。更存在能够为蛋白质组学研究中以高分辨率快速检测生物分子的质谱仪装置和方法的需要。
【发明内容】
[0007]本发明的实施例可以提供使用质谱仪检测蛋白质和生物分子的方法。本公开还提供了一种用于质谱仪的装置和安排，其可以检测大生物分子离子。本公开的实施例还可以提供能够在蛋白质组学研究中以高分辨率快速检测生物分子的质谱仪装置和方法。
[0008]在一些方案中，本公开提供了用四极离子阱质谱仪获得离子的质谱的方法，通过在一波段上以频率增量步进扫描捕获频率，其中对于每个步进，将特定频率保持固定数量的完整周期，其中每个特定频率连续地改变到下一步进中的频率，并且其中在每个步进中的每个特定频率起始于零相位位置。在一些实施例中，完整周期的所述固定数量可为10至1000000。在某些实施例中，所述频率增量可为IHz至256Hz。
[0009]在进一步的实施例中，所述方法包括在一波段上以频率增量步进扫描离子阱轴向激发RF频率，其中对于每个步进，将特定轴向频率保持固定数量的完整周期，其中每个特定轴向频率连续地改变到下一步进中的轴向频率，并且其中在每个步进中每个特定的轴向频率起始于零相位位置。
[0010]在进一步的实施例中，所述离子可以是选自以下群组的较大分子或结构的离子化分子或片段:大分子(macromolecules)、生物分子(biomolecules)、有机聚合物(organicpolymers)、纳米颗粒(nanoparticles)、蛋白质、抗体(antibodies)、蛋白质复合物(protein complexes)、蛋白质偶联物(protein conjugates)、核酸(nucleic acids)、寡核苷酸(oligonucleotides)、DNA > RNA、多糖(polysaccharides)、病毒、细胞、和生物细胞器(biological organelles)。在某些实施例中，所述离子可以具有约IkDa到约200k Da的质量。
[0011]本发明的实施例还可以提供一种获得离子的质谱的方法，通过在四极离子阱中捕获离子，所述四极离子阱包括中心环电极和两个端盖电极，然后将第一特定频率的RF施加到所述中心环电极持续所述第一特定频率的RF的第一数量的完整周期，将第二特定频率的RF施加到所述中心环电极持续所述第二特定频率的RF的第二数量的完整周期，其中所述第二特定频率的RF起始于零相位而施加，并且其中所述第二特定频率的RF与所述第一特定频率的RF在频率上相差Af1的量。
[0012]所述方法还可以包括以下额外的步骤:将特定频率的RF施加到所述中心环电极持续所述特定频率的RF的一数量的完整周期，其中每个附加的特定频率的RF起始于零相位而施加，并且其中所述每个附加的特定频率的RF与前一特定频率的RF在频率上相差Afn的量。在一些实施例中，完整周期的所述第一数量和所述第二数量可以分别独立地为10至1000000。在某些实施例中，增量值Af1和Afn可以分别独立地为I至256Hz。
[0013]在进一步的实施例中，所述离子可以通过以下途径产生:MALD1、电喷雾离子化、激光离子化、热喷离子化、热离子化、电子离子化、化学离子化、电感耦合等离子体离子化、辉光放电离子化、场解吸离子化、快原子轰击离子化、火花离子化、或离子附着离子化。
[0014]在一些方案中，本发明包括一种用于获得离子的质谱的离子阱质谱仪。所述离子阱质谱仪可以包括:三维四极离子阱；顺序控制器，包括可编程波形发生器，用于在一波段上以频率增量合成驱动或捕获频率的步进扫描波形，其中对于每个步进，将特定频率保持固定数量的完整周期，其中每个特定频率连续地改变到下一步进中的频率，并且其中在每个步进中的每个特定频率起始于零相位位置；以及电荷检测器。
[0015]所述方法还可以包括将第一特定轴向频率的RF施加到所述端盖电极持续所述第一特定轴向频率的RF的第一数量的完整周期；以及将第二特定轴向频率的RF施加到所述端盖电极持续所述第二特定轴向频率的RF的第二数量的完整周期，其中所述第二特定轴向频率的RF起始于零相位而施加，并且其中所述第二特定轴向频率的RF与所述第一特定轴向频率的RF在频率上相差Af1的量。
[0016]在以下描述中，参照形成其一部分的附图，并且其中以图示可实施的具体实施例的方式示出。详细描述这些实施例以使本领域技术人员能够实施本发明，并且应当理解的是，可以利用其他实施例，并且可以做出结构、逻辑以及电学上的改变而不脱离本发明的范围。因此，以下对示例性实施例的描述不应当被理解为具有限制意义，并且本发明的范围由所附的权利要求限定。
【专利附图】
【附图说明】[0017]图1示出质谱仪中的三维离子阱的实施例。可以以捕获RF频率Ω驱动离子阱的中心环电极，并且离子阱的端盖电极可以经受辅助的轴向激发RF。电压斜坡函数发生器提供频率扫描的分析RF和轴向共振激发RF频率扫描。
[0018]图2示出本公开的质谱仪中的三维离子阱的实施例。可以以捕获RF频率Ω驱动离子阱的中心环电极，并且离子阱的端盖电极可以经受辅助的轴向激发RF。阶梯函数发生器提供分析RF步进式频率扫描和轴向共振激发RF步进式频率扫描。
[0019]图3示出使用任意函数发生器的实验线性扫频模式的示例。
[0020]图4示出质谱仪的顺序控制器的时序图。
[0021]图5示出本公开的实验步进式频率扫描的示例。扫描中的每个特定频率被保持固定数量的完整周期。扫描中的每个特定频率连续变化到下一步进中的频率。扫描中的每个特定频率起始于相位零位置。
[0022]图6示出通过使用从300kHZ到IOOkHZ步进式扫描得到的血管紧张素(M.ff.1296Da)的实验质谱。整个频率范围分为4096步进。每个步进的特定频率被保持120个完整周期。
[0023]图7示出通过使用步进式扫描方法得到的IgG(M.ff.150kDa)的实验质谱。
【具体实施方式】
[0024]本发明的实施例提供了用于研究蛋白质、细胞器和细胞以表征分子量、蛋白质的消化产物、蛋白质组分析、代谢组和肽序列等的质谱法的新方法。
[0025]本公开提供了一种使用对蛋白质组学研究有用的三维四极离子阱用于质谱法的新的离子捕获、喷射(ejection)和检测的方法。
[0026]三维(3D)四极离子讲可以包括两个双曲面(hyperbolic surface)端盖和一个双曲面中心环。可以在中心环和端盖之间捕获引入阱空间的离子。在保罗四极离子阱中被捕获的离子的运动轨迹的稳定性的条件描述为下列等式:
[0027]Φ0=U+V cos Ω t 等式 I
[0028]其中Otl是施加在中心环电极上的电势，V cos Qt是RF电势，Ω是交流电压电源的角驱动频率，V是中心环电极上的AC振幅(O-峰值)，而U是中心环电极上的DC电势，以及
【权利要求】
1.一种用三维四极离子阱质谱仪获得离子的质谱的方法，包括在一波段上以频率增量步进扫描离子阱捕获频率，其中对于每个步进，将特定频率保持固定数量的完整周期，其中每个特定频率连续地改变到下一步进中的频率，并且其中在每个步进中的每个特定频率起始于零相位位置。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括在一波段上以频率增量步进扫描离子阱轴向激发RF频率，其中对于每个步进，将特定轴向频率保持固定数量的完整周期，其中每个特定轴向频率连续地改变到下一步进中的轴向频率，并且其中在每个步进中每个特定的轴向频率起始于零相位位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其中完整周期的所述固定数量为10至1000000。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述频率增量为IHz至256Hz。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述离子是选自以下的较大分子或结构的离子化分子或片段:大分子、生物分子、有机聚合物、纳米颗粒、蛋白质、抗体、蛋白质复合物、蛋白质偶联物、核酸、寡核苷酸、DNA、RNA、多糖、病毒、细胞、以及生物细胞器。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述离子具有约IkDa到约200kDa的质量。
7.一种获得离子的质谱的方法，包括: 在四极离子阱中捕获 离子，所述四极离子阱包括中心环电极和两个端盖电极； 将第一特定频率的RF施加到所述中心环电极持续所述第一特定频率的RF的第一数量的完整周期；以及 将第二特定频率的RF施加到所述中心环电极持续所述第二特定频率的RF的第二数量的完整周期，其中所述第二特定频率的RF起始于零相位而施加，并且其中所述第二特定频率的RF与所述第一特定频率的RF在频率上相差Λ 的量。
8.根据权利要求7所述的方法，其中Af1SI至256。
9.根据权利要求7所述的方法，其中完整周期的所述第一数量和所述第二数量分别独立地为10至1000000。
10.根据权利要求7所述的方法，还包括以下额外的步骤:将特定频率的RF施加到所述中心环电极持续所述特定频率的RF的一数量的完整周期，其中每个附加的特定频率的RF起始于零相位而施加，并且其中所述每个附加的特定频率的RF与前一特定频率的RF在频率上相差Afn的量。
11.根据权利要求10所述的方法，其中AfnSI至256。
12.根据权利要求7所述的方法，还包括:将第一特定轴向频率的RF施加到所述端盖电极持续所述第一特定轴向频率的RF的第一数量的完整周期；以及 将第二特定轴向频率的RF施加到所述端盖电极持续所述第二特定轴向频率的RF的第二数量的完整周期，其中所述第二特定轴向频率的RF起始于零相位而施加，并且其中所述第二特定轴向频率的RF与所述第一特定轴向频率的RF在频率上相差Λ 的量。
13.根据权利要求7所述的方法，其中所述离子是选自以下的较大分子或结构的离子化分子或片段:大分子、生物分子、有机聚合物、纳米颗粒、蛋白质、抗体、蛋白质复合物、蛋白质偶联物、核酸、寡核苷酸、DNA、RNA、多糖、病毒、细胞、以及生物细胞器。
14.根据权利要求7所述的方法，其中所述离子具有约IkDa至约200kDa的质量。
15.根据权利要求7所述的方法，其中所述离子产生自:MALD1、电喷雾离子化、激光离子化、热喷离子化、热离子化、电子离子化、化学离子化、电感耦合等离子体离子化、辉光放电离子化、场解吸离子化、快原子轰击离子化、火花离子化、或离子附着离子化。
16.一种用于获得离子的质谱的离子阱质谱仪，所述离子阱质谱仪包括: 三维四极离子阱； 顺序控制器，包括可编程波形发生器，用于在一波段上以频率增量合成捕获频率的步进扫描波形，其中对于每个步进，将特定频率保持固定数量的完整周期，其中每个特定频率连续地改变到下一步进中的频率，并且其中在每个步进中的每个特定频率起始于零相位位置；以及 电荷检测器。
17.根据权利要求16所述的离子阱质谱仪，其中所述可编程波形发生器是可编程的，用于在一波段上以频率增量合成轴向RF频率的步进扫描波形，其中对于每个步进，将特定轴向频率保持固定数量的完整周期，其中每个特定轴向频率连续地改变到下一步进中的轴向频率，并且其中在每个步进中的每个特定轴向频率起始于零相位位置.
18.根据权利要求16所述的离子阱质谱仪，其中完整周期的所述固定数量为10至1000000。
19.根据权利要求16所述的离子阱质谱仪，其中每个频率增量为1Hz256Hz。
20.根据权利要求16所述的离子阱质谱仪，其中所述离子是选自以下的较大分子或结构的离子化分子或片段:大分子、生物分子、有机聚合物、纳米颗粒、蛋白质、抗体、蛋白质复合物、蛋白质偶联物、核酸、寡核苷酸、DNA、RNA、多糖、病毒、细胞、以及生物细胞器。
21.根据权利要求16所述的离子阱质谱仪，其中所述离子具有约1kDa至约200kDa的质量。
22.根据权利要求16所述的离子阱质谱仪，其中所述离子产生自:MALD1、电喷雾离子化、激光离子化、热喷离子化、热离子化、电子离子化、化学离子化、电感耦合等离子体离子化、辉光放电离子化、场解吸离子化、快原子轰击离子化、火花离子化、或离子附着离子化。
【文档编号】H01J49/26GK103814425SQ201280038694
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年8月3日 优先权日:2011年8月5日
【发明者】陈仲瑄, 林俊利, 朱明礼 申请人:中央研究院