具有增强的灵敏度和质量分辨能力的四极质谱仪的制作方法
【专利说明】具有增强的灵敏度和质量分辨能力的四极质谱仪
[0001] 发曰月背景 发明领域
[0002] 本发明涉及质谱法领域。更确切地说，本发明涉及通过在四极仪器的出口孔口处 收集的空间和时间特征的去卷积而提供改进的高质量分辨能力（MRP)和灵敏度的质谱仪 系统和方法。
[0003] 相关抟术的讨论
[0004]四极杆通常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DawsonP.H. (1976)，四极质谱仪及其应用，阿姆斯特丹，爱思唯尔 (Elsevier))并且在大量专利（例如授予Paul等人的、在1954年12月21日申请并在1960 年6月7日发布的美国专利号2,939,95,标题为"分离不同比荷的带电颗粒的设备"）中都 进行了描述。
[0005] 作为滤质器，这样的仪器是如下工作的：通过所施加的能够随着时间变化的RF和 DC电势而设定稳定性极限，使得具有特定质荷比范围的离子在整个装置中具有稳定的轨 迹。特别是，通过对所配置的圆柱形、但更常见地是双曲线的电极杆对，按本领域技术人员 已知的方式来施加固定的和/或变化的AC和DC电压，建立所希望的电场来将预定离子在 x和y方向上的运动稳定化。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。在四极杆中具有稳定轨迹并且因此到达位于四极杆群组的离开截 面处的检测器的质量范围是由这些质量稳定性极限所限定的。
[0006] 典型地，四极质谱仪系统采用单一检测器来记录作为时间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其中达到检测器。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较小的分量到达了检测器。
[0007] 关于使用数学去卷积方法来分析阵列式来源所提供的空间特征的系统和方法的 背景信息在2008年3月04日授予Scheidemann等人的美国专利号7, 339, 521中进行了描 述并提出了权利要求，其标题为"ANALYTICALINSTRUMENTSUSINGAPSEUDORANDOMARRAY OFSOURCES，SUCHASAMICRO-MACHINEDMASSSPECTROMETERORMONOCHROMATOR[使用伪 随机源阵列如微机械质谱仪或单色仪的分析仪器]"，包括以下内容："在此披露了采用伪 随机序列以伪随机源阵列来空间排列多个源的新颖方法和结构。该伪随机源阵列可以取代 依赖样品的、或由源发射的探针粒子/波的空间分离的分析仪器中的单一源。这个伪随机 源阵列中较大的源数量增强了位置灵敏检测器上的信号。数学去卷积方法由该检测器信号 修复了具有改进的信噪比的谱。"
[0008] 通过发光器件而提供离子空间检测的质谱仪系统的背景信息在1989年3月7日 授予Bateman等人的美国专利号4, 810, 882中进行了描述并提出了权利要求，其标题为 "MASSSPECTROMETERFORPOSITIVEANDNEGATIVEIONS[用于正负离子的质谱仪]"，包括 以下内容："本发明提供了一种能够检测正负离子二者的质谱仪。从质量分析器中出来的正 离子撞击一个转换电极而释放次级电子，次级电子穿过一个环形电极而撞击磷光体从而释 放光子。负离子撞击该环电极的表面而释放次级电子，这些次级电子也撞击该磷光体从而 释放光子。用常规的光电倍增管来检测这些光子。这些电极被偏压并且被布置成使得可以 在不改变施加在其上的电势的情况下检测正离子和负离子两者。"
[0009] 使用阵列式检测器进行离子收集的系统的背景信息在BonnerDenton于2009年3 月 8 日在Pittcon上演讲的"FromtheInfraredtoX-ray:AdvancedDetectorsSetto RevolutionizeSpectroscopy[从红外到X射线：将会改革光谱学的高级检测器]"中进行 了描述，包括以下内容："正在通过适配以及修改初始开发用于可见CCD和红外多路器阵列 的技术组合而实现全新一代有前景的离子和电子检测器。该新一代离子和电子检测器所实 施的构型范围从适合于四极杆和飞行时间离子迀移率仪器的单一元件到用于离子摆线型 和扇形基质谱仪的线性阵列。将展示使用这些新技术来读取微法拉第杯和指状电极阵列的 最新结果。由于这种途径是高度灵敏的法拉第型库伦检测器，它适合于在同位素比率光谱 仪和常规质谱仪中实现高密度阵列并且将超高灵敏度检测器用于离子迀移率光谱仪。"虽 然在这篇演讲中描述的检测器提供了关于离子离开位置的信息，但所描述的研究没有利用 这个信息。相反，是使用阵列来改进所捕获的离子总数并且其与具有增强灵敏度的单一检 测器功能相同。
[0010] 图1A示出了来自常规三节四极（TS?质量分析器的实施例数据，用于展示目前在 四极装置中可获得的质量分辨能力。如图1A中所示，产生自该实施例检测的m/z508. 208 离子的质量分辨能力是约44,170,与在"高分辨率"平台中、例如在傅里叶变换质谱法 (FTMS)中典型地实现的类似。为了获得这样的质量分辨能力，缓慢扫描该仪器并在预定的 质量稳定性区域的边界之内运行该仪器。虽然该数据显示的质量分辨能力（即，固有的质 量分辨能力）是较高的，但该仪器的稳定性非常差，虽然没有显示出。
[0011] 图1B(见插图）示出了来自一个TSQ四极杆的示例性m/z182、508、和997离子的 Q3强度，该四极杆是以窄的稳定性传输窗口（数据表示为A)以及较宽的稳定性透析窗口 (数据表示为A'）运行的。图1B中的数据是用于显示，质量选择性四极杆的灵敏度可以通 过打开该传输稳定性窗口而显著增加。然而，虽然没有在图中明确示出，但以这样的宽带模 式运行的四极仪器的固有质量分辨能力是不理想的。
[0012] 图1A和1B的关键点是，通常，四极滤质器的运行提供了较高的质量分辨能力或者 以质量分辨能力为代价提供了高的灵敏度，但是并非同时存在这二者，并且在所有情况下， 扫描速率是较低的。然而，本发明提供了一种操作系统和方法，该操作系统和方法同时提供 了高的质量分辨能力以及在较高扫描速率下增大的灵敏度，这超过了四极质量分析器的当 前能力。
[0013] 因此，在质谱仪领域需要改进此类系统的质量分辨能力而不损失信噪比（S卩，灵 敏度）。本发明解决了这个需要，如在此披露的，这是通过作为时间以及在射束截面中的空 间位移的函数来测量离子电流并且接着将来自单独离子物种的信号贡献进行去卷积。
[0014] 发明概沐
[0015] 本发明是针对新颖的四极滤质器方法和系统，该方法和系统在离子物种之间、甚 至当二者均同时稳定时，通过记录随施加的RF和DC场变化的、离子撞击一个位置灵敏检测 器的地点而产生区别。当将到达时间和位置合并（binned)时，这些数据可以被认为是一系 列离子图像。观察到的每个离子图像实质上是多个分量图像的叠加，对于每个以给定时刻 离开四极杆的独特m/z值有一个图像。因为本发明提供了随m/z和施加的场变化的、对任 意离子图像的预测，可以从一系列观察到的离子图像中通过在此讨论的数学去卷积方法来 提取每个单独的分量。每个物种的质荷比和丰度必然在去卷积之后直接得到。
[0016] 本发明的第一方面是针对一种高质量分辨能力高灵敏度的质谱仪，该质谱仪包 括：一个多极杆，该多极杆被配置成传递在所施加的RF和DC场限定的稳定性边界之内一个 或多个物种的丰度，这些物种的特征为无单位的马丢参数（a，q);-个检测器，该检测器被 配置成记录这些离子的丰度在该多极杆的截面区域处的空间和时间特性；以及一个处理装 置，该处理装置被配置成将所述一个或多个离子物种丰度的所述被记录的空间和时间特性 作为施加的RF和/或DC场的函数进行去卷积，以便提供所述一个或多个离子物种的质量 辨别。
[0017] 本发明的另一个方面提供了从质量分析器和检测器获得的图像的去卷积方法，这 是通过首先获取或综合产生参考信号。该参考信号是一系列图像，其中每个图像代表施加 至四极杆上的特定场状态所产生的单一（典型的）物种的离开离子的空间分布。此后该方 法被设计用于从所述多极杆的离开通道获取一个或多个离子物种的丰度的空间和时间原 数据。然后从这些参考信号产生一个偏移的自相关向量并且将所获取的数据破碎成适当的 组块并且用零填补此数据。然后得出一个或多个数据组块与每个参考信号的点积。然后将 去卷积问题布置成矩阵形式，通常为Toeplitz形式，以便解出并且因此提供所述一个或多 个离子物种丰度的质量分辨而使之包括：不同离子物种的数目，以及每个物种的相对丰度 以及质荷比的准确估计值。
[0018] 因此，本发明提供了以下操作设备和方法，该操作设备和方法使得使用者能够通 过不仅作为所施加的场的函数并且作为在四极杆出口处空间截面中的位置的函数而计算 离子密度的分布，来获取在约一个RF周期的量级上具有时间分辨率的综合性质量数据。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。作为附带的益处，在此披露的此类构型和方法能够放松对 制造公差的要求，这减小了总成本同时改进了稳健性。
[0019] 附图简要说明
[0020] 图1A示出了来自有益的商业TSQ的示例性四极杆质量数据。
[0021] 图1B示出了来自以0. 7FWHM的AMU稳定性传输窗口运行的TSQ四极杆的额外Q3 数据，与10. 0FWHM的AMU稳定性传输窗口进行比较。
[0022] 图2A示出了马丢稳定性图，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。
[0023] 图2B示出了在特定时刻于四极杆的出口处收集到的多个不同离子物种的模拟记 录图像。
[0024] 图3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。
[0025] 图4示出了配置有读出阳极（read-outanodes)线性阵列的时间和位置离子检测 器系统的示例性实施方案。
[0026] 图5示出了执行延迟线（delay-line)系统的一个示例性的时间和位置离子检测 器系统。
[0027]图6示出了结合了光子检测器技术的一个示例性的时间和位置离子检测器系统。
[0028] 图7展示了本发明的去卷积方法的示例性模拟结果。
[0029]图8展示了具有在FWHM下测量的质量分辨能力的去卷积方法的示例性模拟结果。
[0030] 详细说明
[0031]在此处对本发明的说明中，应理解的是，以单数形式出现的词涵盖了其复数的对 应形式，并且以复数形式出现的词涵盖了其单数的对应形式，除非另外暗示性地或者明确 地解释或陈述。此外，应理解的是，对于在此说明的任何给定的组分或实施方案，对该组分 列出的可能候选物或替代中的任何一个总体上都可以单独地或彼此组合地使用，除非另外 暗示性地或者明确地解释或陈述。此外，应了解的是，如在此所示的图不一定是按比例绘制 的，其中一些要素可能仅是为了本发明的清楚而绘制的。而且，在不同的图之间参考号可以 重复以便显示对应的或类似的要素。另外，将要理解的是，此类候选物或替代物的任何清单 都仅是解释性的而非限制性的，除非另外暗示性地或者明确地解释或陈述。此外，除非另外 指明，否则表示在本说明书和权利要求书中使用的成分、组分、反应条件等等的量的数字应 理解为用术语"大约"来修饰。
[0032]因此，除非相反地指明，否则在本说明书和所附权利要求书中列出的数值参数是 可以根据在此提出的主题所需要获得的理想特性而改变的近似值。完全不限制并且也不打 算限制等效物原理对本权利要求书范围的应用，每个数值参数都应该至少在所报告的有效 数字的个数的意义上并且通过应用常规舍入技术来解释。虽然列出在此提出的主题的宽泛 范围的数值范围和参数是近似值，但在具体实例中列出的数值是尽可能精确地报告的。然 而，任何数值固有地包含必然会由于在其对应测试结果中发现的标准偏差而产生的确定误 差。
[0033] 概括说明
[0034]典型地，一种多极滤质器（例如，四极滤质器）在连续的离子束上运行，但也可以 通过对扫描功能和数据获取算法的适当修改而使用脉冲离子束以便恰当整合此类断续信 号。在该仪器内通过对围绕长轴线以四倍对称性排列的所配置的平行杆动态地施加电场来 产生四极场。对称轴称为z轴。按照约定，将这四个杆描述为一对x杆和一对y杆。在任 何时刻，这两个x杆都具有彼此相同的电势，这两个y杆也是。y杆上的电势相对于x杆是 反向的。相对于z轴处的恒定电势，每组杆上的电势可以表示为恒定DC偏移量加上一个快 速振荡的RF分量（以约1MHz的典型频率）。
[0035] x杆上的DC偏移量是正的，使得正离子感受到趋向于将其保持在z轴附近的恢复 力；x方向上的电势像一个井。相反，y杆上的DC偏移量是负的，使得正离子感受到驱使其 更远离z轴的推斥力；y方向上的电势像一个鞍。
[0036]对两对杆均施加振荡RF分量。x杆上的RF相是相同的并且与y杆上的相相差180 度。离子从四极杆入口沿着z轴惰性地移动至通常位于四极杆出口处的检测器。在四极杆 内部，离子具有在X和Y方向上分离的轨迹。在X方向上，所施加的RF场将具有最小质荷 比的离子带出势阱并进入杆中。具有足够高的质荷比的离子仍陷在井中并在x方向上具有 稳定的轨迹；在x方向上施加的场用作了高通滤质器。相反，在y方向上，只有最轻的离子 被所施加的RF场稳定，这克服了所施加的DC将它们拉入杆中的趋势。因此，在y方向上所 施加的场用作低通滤质器。在x和y方向上均具有稳定的分量轨迹的离子穿过四极杆而到 达检测器。DC偏移量和RF幅值可以进行选择，使得仅测量到具有所希望的m/z值范围的离 子。如果RF和DC是固定的，则离子从入口到出口横穿该四极杆并且展现出作为含RF相的 周期函数的离开图案。虽然离子离开是基于分离的动作，但所观察到的离子振荡完全被锁 定至RF。以