發(fā)明背景

發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于高效采集源自前體離子、已按遷移率分離的大量物質(zhì)特征碎片離子種類的儀器和方法，尤其涉及具有準(zhǔn)確識(shí)別性和改進(jìn)的信噪比的量化物質(zhì)的儀器和方法。

背景技術(shù)：
概述

在蛋白質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域，專家對(duì)于通過(guò)液相色譜/質(zhì)譜分析(lc-ms)來(lái)量化提取自生物樣本的蛋白質(zhì)的水解消化液中的多肽和蛋白質(zhì)的興趣越來(lái)越濃厚。專家還特別將注意力轉(zhuǎn)向臨床前研究中藥制品及其代謝物的量化分析。此外，還可借此測(cè)試食品/水果/蔬菜基質(zhì)是否含農(nóng)藥和其他污染物。與三重四極桿質(zhì)譜儀耦合的液相色譜儀是已知能夠檢測(cè)和量化物質(zhì)、具有最高靈敏度的低價(jià)儀器，但是測(cè)量方法僅限于在有限持續(xù)時(shí)間的lc峰值中出現(xiàn)的少數(shù)物質(zhì)。不幸的是，由于會(huì)測(cè)量到更少的離子，通過(guò)mrm(multiplereactionmonitoring，多反應(yīng)監(jiān)測(cè))增加物質(zhì)數(shù)量會(huì)降低測(cè)量精確度。在臨床前藥物研究中，并行操作幾十臺(tái)三重四極桿儀器，可同時(shí)分析成百上千的樣本。

美國(guó)專利號(hào)6,960,761b2(“instrumentforseparatingionsintimeasfunctionsofpreselectedionmobilityandionmass”(“在作為預(yù)選離子遷移率和離子質(zhì)量函數(shù)的時(shí)間內(nèi)分離離子的儀器”)，d.e.clemmer，2001年)介紹了一個(gè)或多個(gè)離子遷移分離器與質(zhì)量過(guò)濾器和高分辨率質(zhì)量分析器結(jié)合的應(yīng)用。該文獻(xiàn)描述了使用大量不同的離子源、離子阱、離子遷移分離器、質(zhì)量過(guò)濾器、碰撞池、離子反應(yīng)器和高分辨率質(zhì)量分析器的組合分離混合物中離子的各種方法。此外，所描述的相應(yīng)儀器由離子源、離子阱、離子遷移分離器、質(zhì)量過(guò)濾器、碰撞池、離子反應(yīng)器和高分辨率質(zhì)量分析器以不同的順序組成。本方法或設(shè)備末尾的高分辨率質(zhì)量分析器可以是飛行時(shí)間(tof)或離子回旋共振(icr)質(zhì)譜儀，以高質(zhì)量測(cè)量精確度測(cè)量碎片離子或未破碎離子的質(zhì)譜。飛行時(shí)間(tof)質(zhì)量分析器具有高速測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。然而，高分辨率質(zhì)量分析器儀器本身及其操作昂貴。d.clemmer在此裝置中使用了實(shí)際尺寸相對(duì)較大的漂移管(垂直于tof-ms的飛行管)，這使其與占地面積更小的現(xiàn)代質(zhì)譜儀相比，可行性更低。

在美國(guó)專利6,630,662b1(a.v.loboda；2002年：“setupformobilityseparationofionsimplementinganionguidewithanaxialfieldandcounterflowofgas”(“通過(guò)軸向場(chǎng)和氣體逆流實(shí)施離子導(dǎo)向的離子遷移率分離裝置”))介紹了一種離子遷移分離裝置，主要使用恒定電場(chǎng)和氣體逆流分布。該裝置一方面可以從不連續(xù)的maldi離子源的離子脈沖中收集離子，另一方面還可按其離子遷移率分離收集的離子。maldi(基質(zhì)輔助激光解吸和電離)主要提供單電荷分子離子。盡管作為一種可能性簡(jiǎn)單地提及了其可與三重四極桿質(zhì)譜儀結(jié)合，但根據(jù)d.e.clemmer的建議，主要注意力還是放在qqtof上，即質(zhì)量過(guò)濾器(q)、破碎池(q)和飛行時(shí)間(tof)質(zhì)量分析器作為最后的質(zhì)量分析器的組合。

另一種離子遷移譜儀也為大家所熟知，簡(jiǎn)稱“tims”(俘獲離子遷移譜儀)。tims是非常小的離子遷移譜儀(有效部件僅大約五厘米長(zhǎng))，完全不同于恒定電場(chǎng)中的漂移管和行波遷移譜儀。tims與氣流和反向電場(chǎng)結(jié)合，因此非常相似于a.v.loboda的裝置。與loboda的裝置不同，它在恒定氣流中使用具有斜坡電場(chǎng)勢(shì)壘的電場(chǎng)分布來(lái)按離子遷移率阻止離子；電場(chǎng)勢(shì)壘的降低將釋放離子遷移率增加的離子，從而產(chǎn)生離子遷移譜。tims型離子遷移分離器的獨(dú)特非凡的特征在于，隨著掃描持續(xù)時(shí)間的增加，離子遷移率分辨率持續(xù)增高。使用tims，已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法獲得大約rmob＝400的超高離子遷移率分辨率。美國(guó)專利號(hào)7,838,826b1(m.a.park，2008年)中詳細(xì)介紹了tims。

在共同待審的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?4/931,163(“acquisitionoffragmentionmassspectraofionsseparatedbytheirmobility”(“采集按遷移率分離之離子的碎片離子質(zhì)譜”)；m.mann等人，2015年)中，介紹了使用一臺(tái)tims-qqtof型儀器每秒可測(cè)量超過(guò)三百個(gè)碎片離子質(zhì)譜的方法，該方法具有可調(diào)節(jié)的離子遷移率分辨率。

所描述的qqtof型儀器皆為目前價(jià)格高昂的儀器，其高分辨率質(zhì)量分析器占成本一大部分。市場(chǎng)仍需要低價(jià)的儀器和方法來(lái)定量測(cè)量由生物樣本中或由復(fù)雜的食物/水果/蔬菜基質(zhì)(為了測(cè)試是否存在農(nóng)藥和其他污染物)中提取的蛋白質(zhì)的水解消化液的大量特征碎片離子，而不必測(cè)量整個(gè)碎片離子譜。

定義

與質(zhì)譜文獻(xiàn)中一樣，縮寫(xiě)“q”代表用作質(zhì)量過(guò)濾器的四極桿，其通過(guò)射頻(rf)加直流(dc)電壓運(yùn)行；而縮寫(xiě)“q”代表rf四極桿裝置，基本上沒(méi)有dc電壓(有時(shí)稱為rf-only)，用作離子導(dǎo)向或破碎池。因此縮寫(xiě)“qqq”代表在兩個(gè)質(zhì)量過(guò)濾器之間具有一個(gè)破碎四極桿的三重四極桿裝置，而“qqtof”則表示在一個(gè)質(zhì)量過(guò)濾器和一個(gè)飛行時(shí)間質(zhì)量分析器之間有一個(gè)破碎四極桿?；蛘撸厮臉O桿儀器可以縮寫(xiě)為q1q2q3，尤其在應(yīng)當(dāng)對(duì)三個(gè)rf四極桿裝置進(jìn)行編號(hào)時(shí)更是如此，這在本領(lǐng)域中是常見(jiàn)做法。

在某些情況下，本文的簡(jiǎn)化表述“離子質(zhì)量”代表更準(zhǔn)確的“電荷相關(guān)的離子質(zhì)量”(離子質(zhì)量m除以離子多余元電荷的數(shù)量z)，或者通常的“質(zhì)荷比m/z”。

本文使用的表述“分離器”和“分離”是及時(shí)分離不同物質(zhì)或不同離子種類的裝置和方法。色譜、毛細(xì)管電泳和離子遷移譜都符合分離方法的定義。術(shù)語(yǔ)“過(guò)濾器”是指通常配置為多種離子中僅允許被選中的離子通過(guò)的裝置和方法。一個(gè)示例是rf四極桿質(zhì)量過(guò)濾器，能夠按質(zhì)量過(guò)濾離子(盡管技能熟練的從業(yè)者會(huì)了解rf四極桿質(zhì)量過(guò)濾器通常也可切換為具有相當(dāng)寬的帶通特性的rf-only模式)。

“遷移率掃描時(shí)間”或“遷移率掃描持續(xù)時(shí)間”定義為離子遷移率掃描在相關(guān)的離子遷移率范圍內(nèi)的持續(xù)時(shí)間，通常完整的離子遷移率范圍已在掃描之前儲(chǔ)存。

“離子遷移率”k定義為k＝vd/e，vd為漂移管內(nèi)的漂移速度，e為管內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度?！罢酆想x子遷移率”k0定義為標(biāo)準(zhǔn)ntp條件下的離子遷移率k。“離子遷移率分辨率”定義為rmob＝k/δk，δk為離子遷移率信號(hào)在半高處的寬度。

發(fā)明概述

本發(fā)明在三重四極桿質(zhì)譜儀(縮寫(xiě)為“qqq”或“q1q2q3”)的基礎(chǔ)上提供了新的儀器和新的測(cè)量方法。本發(fā)明提出了在第一四極桿質(zhì)量過(guò)濾器q1的上游位置使普通的三重四極桿質(zhì)譜儀與俘獲離子遷移分離器(“tims”)耦合。

該離子遷移分離器按其遷移率暫時(shí)將所收集離子量的離子種類分離，從而形成部分重疊的離子種類的短脈沖序列，因而將某個(gè)離子種類的離子濃縮大約二十到五十倍，并將其及時(shí)地與多數(shù)其他離子種類分離，從而大幅提高信噪比。

可通過(guò)第一rf四極桿質(zhì)量過(guò)濾器q1在正確的時(shí)間間隔和正確的質(zhì)量范圍內(nèi)(均已計(jì)算和預(yù)先確定)從離子遷移率掃描中選出第一個(gè)所選離子種類的離子，在rf四極桿破碎池(第二四極桿q2)中進(jìn)行破碎，并可通過(guò)rf四極桿質(zhì)量過(guò)濾器q3選擇特征碎片離子種類，并在離子檢測(cè)器中進(jìn)行測(cè)量，從而得到這個(gè)離子種類的定量表述。可通過(guò)q1在相同離子遷移率掃描循環(huán)中選出在時(shí)間和質(zhì)量范圍內(nèi)的第二批離子種類，通過(guò)q2進(jìn)行破碎，并使用q3通過(guò)顯著碎片離子進(jìn)行定量測(cè)量，以此類推，測(cè)量第三個(gè)、第四個(gè)、第五個(gè)離子種類，與沒(méi)有離子遷移分離器的三重四極桿質(zhì)譜儀相比，可以輕松地測(cè)量五倍到二十倍數(shù)量的離子種類數(shù)量，并以大幅提高的信噪比和相應(yīng)提高的靈敏度檢測(cè)每個(gè)離子種類。

可對(duì)第二、第三、第四次收集的離子量重復(fù)這一測(cè)量循環(huán)，以此類推。如果三重四極桿質(zhì)譜儀進(jìn)一步與色譜儀耦合，則能根據(jù)慣例以其計(jì)算并預(yù)先確定的正確保留時(shí)間測(cè)量所有目標(biāo)物質(zhì)，對(duì)每種物質(zhì)的全物質(zhì)峰進(jìn)行采樣。在該測(cè)量方法的一個(gè)令人驚訝的變體中，由于離子遷移分離器輔助分離離子(盡管利用不同的分離原則)，色譜儀的運(yùn)行時(shí)間可以大幅縮短。如果運(yùn)行時(shí)間縮短大約十倍，則色譜峰中的離子種類數(shù)量將增加大約相同的倍數(shù)，但是物質(zhì)離子通過(guò)離子遷移分離器再次分離。與tims結(jié)合的單個(gè)三重四極桿質(zhì)譜儀可提供高十倍的工作負(fù)載。

在某些類型的樣本混合物中，離子遷移分離器甚至可以完全省略上游物質(zhì)分離器(例如lc或gc)。技能熟練的從業(yè)者可以理解，這種可能性在經(jīng)濟(jì)上會(huì)特別引人關(guān)注，例如用于某種單反應(yīng)檢測(cè)(srm)應(yīng)用。

首選實(shí)施例使用共同待審美國(guó)專利申請(qǐng)14/614,456(“trappingionmobilityspectrometerwithparallelaccumulation”(“可并行積聚的俘獲離子遷移譜儀”)，m.a.park和m.schubert)中介紹的可并行離子積聚的俘獲離子遷移譜儀，該文獻(xiàn)的全部?jī)?nèi)容以引用的方式并入本文。可并行積聚的tims(在下文中縮寫(xiě)為“patims”)實(shí)際上按離子遷移率收集和分離離子源的所有離子，而不會(huì)損失任何離子。patims進(jìn)一步提供了唯一延長(zhǎng)離子積聚持續(xù)時(shí)間的可能性，以找到更多可檢測(cè)的離子種類，而不會(huì)降低對(duì)特征碎片離子的測(cè)量能力，因而甚至提高離子遷移率分辨率。在與掃描單元幾乎相同的積聚單元中，在電場(chǎng)勢(shì)壘斜坡上收集離子，從而按斜坡上的離子遷移率在空間上分離離子。因此，積聚的離子受空間電荷的影響比漂移管或行波離子遷移分離器所用的積聚器中的離子所受的影響更小。但最重要的是tims的獨(dú)特之處，即更長(zhǎng)的積聚時(shí)間允許通過(guò)選擇相應(yīng)延長(zhǎng)的遷移率掃描持續(xù)時(shí)間以提高遷移率分辨率，例如，掃描持續(xù)時(shí)間為100毫秒時(shí)，離子遷移率分辨率rmob＝90，而掃描持續(xù)時(shí)間為20毫秒時(shí)，rmob＝60。所收集離子數(shù)量更高且遷移率分辨率更好，則可以檢測(cè)和測(cè)量的離子種類更多。當(dāng)離子遷移率掃描結(jié)束時(shí)(可選擇在二十到一百毫秒或更長(zhǎng)時(shí)間之后)，積聚的離子將從積聚單元傳輸至離子遷移率掃描單元(大約一毫秒)，下一次離子遷移率掃描可開(kāi)始。總體上，技能熟練的從業(yè)者可以理解，能夠?qū)崿F(xiàn)每秒超過(guò)300個(gè)特征碎片離子的測(cè)量速率。

與通過(guò)mrm(多反應(yīng)監(jiān)測(cè))使用不進(jìn)行離子遷移分離的三重四級(jí)桿質(zhì)譜儀的測(cè)量精度相比，在此類儀器中，能夠以高出大約五倍到五十倍的測(cè)量精度對(duì)大量的離子種類進(jìn)行測(cè)量，尤其當(dāng)需要量化大量物質(zhì)時(shí)。技能熟練的從業(yè)者能夠進(jìn)一步意識(shí)到，可以實(shí)現(xiàn)更好的信噪比，從而實(shí)現(xiàn)更好的靈敏度。

此類儀器特別適用于人們熟知的測(cè)量可分解連接肽上(在破碎池中分裂為樣本特定報(bào)告離子)攜帶樣本特定質(zhì)量標(biāo)記的不同先證者的混合樣本中物質(zhì)的方法。報(bào)告離子的豐度關(guān)系反映了不同樣本中相應(yīng)物質(zhì)的濃度關(guān)系。與色譜儀耦合后，該儀器在運(yùn)行單次色譜儀時(shí)可測(cè)量幾百甚至上千的豐度比。

復(fù)雜物質(zhì)混合物(樣本)可以是從生物樣本中提取的蛋白質(zhì)的水解消化液，或可以是包含藥品及其代謝物的生物樣本，或要測(cè)試是否含農(nóng)藥和其他污染物的復(fù)雜食品/水果/蔬菜基質(zhì)。含有消化多肽、藥物及其代謝物，或含有農(nóng)藥的樣本通常通過(guò)上游液相色譜或電泳單元分離。所選前體離子的主導(dǎo)和特征碎片離子用于通過(guò)測(cè)量色譜峰中的碎片離子來(lái)量化相應(yīng)物質(zhì)。

復(fù)雜混合物還可以是在氣相色譜儀中分離并通過(guò)化學(xué)電離(ci)進(jìn)行電離的可蒸發(fā)物質(zhì)的混合物，例如多氯聯(lián)苯(pcb)等有毒物質(zhì)。

前體質(zhì)量是已知先驗(yàn)的，這一事實(shí)利于此類目標(biāo)測(cè)量方法的設(shè)置，通過(guò)計(jì)算確定保留時(shí)間、碎片離子質(zhì)量和最佳碰撞能量與普通三重四極桿方法開(kāi)發(fā)相似。這對(duì)本文披露的技術(shù)原理特別有利，因?yàn)閠ims掃描可以關(guān)閉，而實(shí)際物理裝置可以作為常規(guī)離子漏斗用于方法開(kāi)發(fā)的目的。所需的額外步驟是找到離子遷移分離器中前體離子的正確洗脫時(shí)間。例如，這可通過(guò)在三重四極桿質(zhì)譜儀的每個(gè)tims循環(huán)期間設(shè)置sim(單離子檢測(cè))并對(duì)每個(gè)相關(guān)的前體離子重復(fù)這種設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)；或者，通過(guò)由相同色譜儀、相同離子源、相同可積聚tims、相似q1q2四極桿以及正交離子注入飛行時(shí)間質(zhì)量分析器組成的更加昂貴的高性能儀器事先確定測(cè)量參數(shù)(例如，保留時(shí)間、離子遷移率掃描時(shí)間、離子種類的質(zhì)量)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在另一個(gè)實(shí)施例中，patims可進(jìn)行額外的縮放操作，可按照美國(guó)專利號(hào)8,766,176b2(d.a.kaplan、m.a.park、m.ridgeway)的介紹進(jìn)行時(shí)間縮放，或按照共同待審美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?4/931,125(o.raether和m.a.park)中的介紹進(jìn)行空間縮放，二者以全文引用的方式并入本文。在空間縮放模式，離子積聚在特殊積聚單元的電場(chǎng)勢(shì)壘斜坡上。但是，用于空間縮放的電場(chǎng)勢(shì)壘斜坡更平緩。斜坡末端的場(chǎng)峰值在離子積聚期間阻止低遷移率的離子種類。所選遷移率范圍的離子種類積聚在場(chǎng)梯度比場(chǎng)峰值小很多的斜坡部分上。所選離子遷移率范圍的離子種類在空間上解壓，以降低空間電荷效應(yīng)，從而可使用更長(zhǎng)的積聚持續(xù)時(shí)間無(wú)干擾地收集更多所選離子遷移率范圍內(nèi)的離子種類?？臻g縮放可在更長(zhǎng)的積聚時(shí)間期限內(nèi)無(wú)干擾地檢測(cè)和收集甚至更高數(shù)量的所選離子遷移率范圍內(nèi)的離子。同時(shí)，由于用更低的速度掃描更小的遷移率范圍，離子遷移率分辨率更高。本方法使用離子遷移分離器可以檢測(cè)到那些通過(guò)任何其他商業(yè)質(zhì)譜儀在任何操作模式下都無(wú)法被檢測(cè)到的離子?？筛鶕?jù)物質(zhì)混合物中生成的離子種類的離子遷移率分布調(diào)整空間縮放所選擇的離子遷移率范圍。

質(zhì)量過(guò)濾器q1和q3最好是快速切換rf四極桿質(zhì)量過(guò)濾器。rf四極桿質(zhì)量過(guò)濾器最好可在遠(yuǎn)低于一毫秒的時(shí)間內(nèi)切換至接下來(lái)要測(cè)量的離子種類的質(zhì)量，方法例如為先關(guān)閉穿過(guò)質(zhì)量過(guò)濾器的傳輸，然后調(diào)至下一個(gè)質(zhì)量，然后在待測(cè)量的下一個(gè)離子種類已計(jì)算和預(yù)先確定的正確時(shí)間間隔開(kāi)始時(shí)再次打開(kāi)。這樣，質(zhì)量過(guò)濾器可在正確的時(shí)間間隔和正確的質(zhì)量范圍獲取離子種類，這二者均已計(jì)算和預(yù)先確定。

破碎池q2最好是不會(huì)俘獲離子的流通池。離子最好在填充惰性碰撞氣體的池中通過(guò)碰撞誘導(dǎo)解離進(jìn)行破碎，但是也可通過(guò)電子轟擊或光子誘導(dǎo)解離進(jìn)行破碎(通過(guò)使用紅外或者紫外線光源)。在某些三重四極桿儀器中，破碎四極桿構(gòu)成半圓形，例如彎曲180度，從而讓并行排列的兩個(gè)質(zhì)量過(guò)濾器可形成一個(gè)在實(shí)驗(yàn)桌上占用空間小的小儀器。

附圖說(shuō)明

圖1顯示了符合現(xiàn)有技術(shù)的普通三重四極桿質(zhì)譜儀的原理概述圖，該質(zhì)譜儀有一個(gè)上游物質(zhì)分離器(例如lc)、一個(gè)大氣壓力(ap)離子源、三個(gè)四極桿q1、q2和q3以及一個(gè)離子檢測(cè)器。

圖2示意性地顯示了如us7,838,826b1(m.a.park，2008年)所述符合現(xiàn)有技術(shù)的俘獲離子遷移譜儀(tims)的設(shè)計(jì)和工作原理。位于入口漏斗(10)和出口漏斗(12)間的離子遷移率掃描管(11)長(zhǎng)度僅為約48毫米；內(nèi)徑為8毫米。離子遷移率掃描管(11)由一系列帶象限電極(1)至(4)的分段隔膜組成，如圖頂部所示，可在管內(nèi)產(chǎn)生四極rf場(chǎng)。來(lái)自離子源(未顯示)的離子(6)通過(guò)毛細(xì)管(8)被氣流(7)引入到第一真空室內(nèi)。推斥板(9)引導(dǎo)離子(6)進(jìn)入漏斗(10)；管內(nèi)具有拋物線流速分布的氣流(14)將離子推入并通過(guò)離子遷移率掃描管(11)。在圖底部的兩個(gè)圖e(z)＝f(z)內(nèi)，此處z是裝置軸的坐標(biāo)(不是電荷數(shù))，顯示了兩個(gè)工作階段的電場(chǎng)分布：在積聚階段(a)，離子被氣流(14，16)吹到介于z軸位置(20)和(24)之間的電場(chǎng)分布上升沿(“斜坡”)上。在掃描階段(b)，逐漸或逐步降低的電場(chǎng)分布電壓按遷移率上升的順序在位置(24)的電場(chǎng)平臺(tái)上釋放離子，使離子通過(guò)出口漏斗并進(jìn)入離子檢測(cè)器(未顯示)。隨時(shí)間變化的離子電流測(cè)量值可產(chǎn)生從低遷移率到高遷移率的離子遷移譜。

圖3中，tims儀器的離子遷移率分辨率被繪制為掃描整個(gè)離子遷移率范圍所需的持續(xù)時(shí)間的函數(shù)。掃描持續(xù)時(shí)間僅20毫秒時(shí)，離子遷移率ko＝0.5m²/vs的離子種類可實(shí)現(xiàn)大約rmob＝60的遷移率分辨率，在300毫秒的掃描持續(xù)時(shí)間時(shí)，分辨率可升高至rmob＝120。

圖4顯示了符合本發(fā)明原理的新三重四極桿質(zhì)譜儀的原理概述圖，在優(yōu)選版本中，在三個(gè)四極桿的前面具有可積聚tims離子遷移分離器(patims)。

圖5示意性地顯示了通過(guò)tims離子遷移譜儀分離的復(fù)雜離子種類混合物的質(zhì)量-遷移率圖，顯示了從低遷移率到高離子遷移率的整個(gè)離子遷移率范圍。具有單電荷的離子種類與具有更多電荷的離子種類分離開(kāi)來(lái)。一般來(lái)說(shuō)，具有相同m/z的離子種類的多電荷離子具有更高的離子遷移率。此類圖可使用tims遷移分離器和其中一個(gè)四極桿過(guò)濾器逐步測(cè)量，在后續(xù)測(cè)量循環(huán)中逐步調(diào)節(jié)相關(guān)的質(zhì)量范圍，而無(wú)需破碎離子。獲得此質(zhì)量-遷移率圖更簡(jiǎn)單的方法是使用由相同色譜儀、相同離子源、相同tims、相似質(zhì)量過(guò)濾器q1、相似破碎池q2和在每個(gè)時(shí)間間隔可獲得完整碎片離子譜的飛行時(shí)間質(zhì)量分析器組成的質(zhì)譜儀系統(tǒng)。20毫秒的掃描持續(xù)時(shí)間可實(shí)現(xiàn)大約rmob＝60的離子遷移率分辨率。大約1.0毫秒的離子種類脈沖長(zhǎng)度和0.7毫秒的q1切換時(shí)間可選擇十一個(gè)離子種類用于測(cè)量特征碎片離子。

圖6圖示了共同待審美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?4/614,456(“trappingionmobilityspectrometerwithparallelaccumulation”(“可并行積聚的俘獲離子遷移譜儀”)，m.a.park和m.schubert)中介紹的遷移譜儀的實(shí)施例。離子被引入入口毛細(xì)管(8)，被氣體(7)攜帶進(jìn)入質(zhì)譜儀的第一真空級(jí)。攜帶的離子(6)被推斥板(9)推送通過(guò)rf離子漏斗(10)進(jìn)入俘獲離子遷移譜儀(11)。俘獲離子遷移譜儀(11)由細(xì)長(zhǎng)通道組成，該通道分為離子積聚單元(11a)和離子遷移率掃描單元(11b)。氣流(14)推動(dòng)離子通過(guò)細(xì)長(zhǎng)通道(11)。該譜儀還包含一個(gè)在通道電極象限處提供rf電壓的rf電壓源單元(未顯示)以及在兩個(gè)通道單元軸向上產(chǎn)生電場(chǎng)勢(shì)壘的dc電壓源單元(同樣未顯示)，電極在位置(33)和(37)處接觸。通道(11)內(nèi)的四極rf場(chǎng)將離子固定在裝置的軸附近。兩個(gè)通道單元中隔膜之間的電阻鏈產(chǎn)生用于離子積聚單元(11a)和離子遷移率掃描單元(11b)的兩個(gè)直流電場(chǎng)勢(shì)壘，如下部圖(c)中所示。氣流(14)將離子推向電場(chǎng)勢(shì)壘斜坡，從而按離子遷移率將離子分離。在離子遷移率掃描期間，施加到掃描單元(11b)中電極(37)的電壓為逐漸或逐步降低，因而釋放遷移率增高的離子種類，從而產(chǎn)生離子遷移譜。在離子遷移率掃描中，積聚單元積聚新的離子，這些離子可在掃描結(jié)束時(shí)在大約一毫秒的時(shí)間內(nèi)通過(guò)氣流傳輸至掃描單元。

圖7顯示了優(yōu)選用于本發(fā)明的空間縮放工作模式，顯示了沒(méi)有空間縮放的正常工作的電場(chǎng)勢(shì)壘(c)和縮放工作的勢(shì)壘(d)?？臻g縮放基于場(chǎng)勢(shì)壘(d)，該場(chǎng)勢(shì)壘在z軸位置(41)和(42)之間有寬且平緩的電場(chǎng)梯度(平緩斜坡)，在(42)和(43)之間具有陡峭的場(chǎng)梯度場(chǎng)峰值，從而在離子積聚期間阻止低遷移率的離子。在非縮放勢(shì)壘(c)的位置(31)和(32)之間的相關(guān)的離子遷移率范圍內(nèi)的離子積聚在(41)和(42)之間場(chǎng)勢(shì)壘的平緩斜坡上。離子在空間上解壓，以降低空間電荷效應(yīng)，從而可使用更長(zhǎng)的積聚持續(xù)時(shí)間無(wú)干擾地收集更多離子。離子遷移率掃描單元(11b)顯示了相似電場(chǎng)分布，但沒(méi)有場(chǎng)峰值。一旦開(kāi)始按照離子遷移率掃描儲(chǔ)存在(45)和(46)之間的離子，積聚單元的離子將在大約一毫秒的時(shí)間內(nèi)傳輸至離子遷移率掃描單元(11b)，從而使位置(42)和(43)之間峰值斜坡上儲(chǔ)存的不相關(guān)的低遷移率離子通過(guò)。位置(45)和(46)之間儲(chǔ)存的離子種類可比平常掃描得更慢，從而可產(chǎn)生高離子遷移率分辨率。

圖8在上部(e)中示意性地顯示出質(zhì)量-遷移率圖，該圖顯示了整個(gè)遷移率范圍，在下部(f)顯示另一個(gè)質(zhì)量-遷移率圖，該圖因更高的離子遷移率分辨率被限制于大約整個(gè)離子遷移率范圍的1/3，積聚和掃描持續(xù)時(shí)間通過(guò)應(yīng)用空間縮放延長(zhǎng)為三倍。這類圖可按照上述方法逐步測(cè)量，或通過(guò)使用與飛行時(shí)間分析器耦合的相同tims遷移分離器測(cè)量。下部質(zhì)量-遷移率圖(f)的離子遷移率范圍僅代表完整遷移率范圍的1/3，這通過(guò)在平坦離子積聚或離子遷移率掃描區(qū)域末端正確施加所選電壓實(shí)現(xiàn)。通過(guò)延長(zhǎng)三倍，即60毫秒的積聚時(shí)間期限，可收集多達(dá)三倍的離子，通過(guò)將掃描速度降低九倍(對(duì)應(yīng)于總遷移率范圍為180毫秒)，可實(shí)現(xiàn)rmob≥100的遷移率分辨率，二者均提高了可檢測(cè)性。在質(zhì)量-遷移率圖中可檢測(cè)和選擇更多的離子種類；這種改進(jìn)具體取決于物質(zhì)混合物。在60毫秒的單次測(cè)量循環(huán)中，在每個(gè)測(cè)量循環(huán)中至少可選擇24個(gè)離子種類來(lái)測(cè)量顯著碎片離子。

詳細(xì)描述

本發(fā)明在三重四極桿質(zhì)譜儀(此處縮寫(xiě)為“q1q2q3”)的基礎(chǔ)上提供了新的儀器和新的測(cè)量方法，從而產(chǎn)生很多意想不到的好處。圖1所示的普通三重四極桿質(zhì)譜儀在第一四極桿質(zhì)量過(guò)濾器q1的上游與在空間上更短的離子遷移分離器耦合(如圖4所示)，該離子遷移分離器優(yōu)選為美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?,838,826b1(m.a.park，2008年)中詳細(xì)介紹的俘獲離子遷移譜儀(“tims”)。

圖2中概括了俘獲離子遷移譜儀tims的原理和操作和一些細(xì)節(jié)。離子遷移分離器先收集tims積聚和掃描單元(11)內(nèi)吹入的氣體(14，16)中攜帶的吹向位置(20)和(24)之間直流電場(chǎng)斜坡的離子(6)，直流電場(chǎng)分布如圖a所示。離子均聚集在電力和所吹入氣體摩擦力平衡的位置。具有最低遷移率的離子(通常是最大的離子)聚集在斜坡的末端，如斜坡上點(diǎn)的大小所示。離子按其離子遷移率分開(kāi)積聚，因此降低了離子密度和空間電荷效應(yīng)。在后續(xù)階段中，即掃描階段，電場(chǎng)分布在大約20毫秒內(nèi)(或更長(zhǎng)時(shí)間)連續(xù)從最高電壓降至零，從而按遷移率陸續(xù)釋放收集的離子種類，如圖b所示。因此離子種類按離子遷移率在空間上分離，從而使每個(gè)離子種類形成大約一毫秒長(zhǎng)度的短脈沖，在至少短二十倍的時(shí)間內(nèi)聚集離子種類的所有離子，并及時(shí)將離子與大部分其他離子種類分離，因此大幅提高信噪比。為了利用來(lái)自離子源的所有離子，可在tims裝置的上游使用離子阱等積聚裝置，以便在tims掃描期間積聚離子。

tims的一個(gè)獨(dú)特之處在于，延長(zhǎng)掃描時(shí)間期限可提高遷移率分辨率，例如，100毫秒的掃描持續(xù)時(shí)間，離子遷移率分辨率rmob＝90，而20毫秒的掃描持續(xù)時(shí)間，rmob＝60。圖3中的圖顯示了作為掃描完整遷移率范圍所需時(shí)間的函數(shù)的離子遷移率分辨率rmob。得益于更高的離子遷移率分辨率，因此可超出檢測(cè)限制并測(cè)量更多離子種類。tims裝置上游的離子積聚裝置應(yīng)該能夠在更長(zhǎng)的掃描時(shí)間期限內(nèi)收集離子，而不會(huì)因空間電荷效應(yīng)出現(xiàn)離子損失。

圖4中概要地顯示了根據(jù)本發(fā)明所得的儀器。將俘獲離子遷移分離器tims(在本例中是可并行積聚tims(“patims”))插入到離子源和三重四極桿組件之間，在此處直接插入到第一四極桿q1之前。通過(guò)此儀器，可定量測(cè)量很多離子種類，即，在精確度相同的情況下，與使用未與任何離子遷移分離器耦合的三重四極桿質(zhì)譜儀相比，可測(cè)量至少十倍的離子種類。技能熟練的從業(yè)者能夠意識(shí)到，可實(shí)現(xiàn)更好的信噪比，從而實(shí)現(xiàn)更好的靈敏度。

圖5中可以看到tims離子遷移分離器的分離能力，示出用tims離子遷移譜儀在僅20毫秒內(nèi)分離的離子種類的復(fù)雜混合物的“質(zhì)量-遷移率圖”。圖5以約rmob＝60的離子遷移率分辨率顯示了在整個(gè)離子遷移率范圍內(nèi)的離子種類的質(zhì)量(約0.5<k0<1.0m²/vs)。

在tims三重四極桿的工作實(shí)踐中，當(dāng)僅執(zhí)行一個(gè)目標(biāo)分析時(shí)，并非必須測(cè)定圖5中顯示的完整質(zhì)量-遷移率圖。在這種情況下，僅須測(cè)量事先已知其質(zhì)量的化合物。另外，三重四極桿質(zhì)譜儀不必確定前體離子的質(zhì)量，僅需要確定每個(gè)前體質(zhì)量從tims池中洗脫的時(shí)間。

從圖5中可以看到，20毫秒掃描持續(xù)時(shí)間的質(zhì)量-遷移率圖可選擇十一個(gè)離子種類來(lái)測(cè)量特征碎片離子，如果將第一質(zhì)量過(guò)濾器q1的打開(kāi)間隔時(shí)間選擇為一毫秒，則質(zhì)量過(guò)濾器q1切換至下一個(gè)所選離子種類的時(shí)間為0.7毫秒。

在使用圖4中儀器的新的測(cè)量循環(huán)中，離子由tims裝置分離，可通過(guò)四極桿質(zhì)量過(guò)濾器q1在正確的時(shí)間間隔和正確的質(zhì)量范圍(二者均已計(jì)算和預(yù)先確定)內(nèi)挑選從圖5質(zhì)量-遷移率圖中選出的第一個(gè)離子種類的離子。質(zhì)量范圍可包括離子種類的所有同位素變體。該種類的離子可在四極桿破碎池(第二四極桿q2)中破碎，可通過(guò)質(zhì)量過(guò)濾器q3選擇主導(dǎo)和特征碎片離子種類，并且在離子檢測(cè)器中進(jìn)行測(cè)量。然后，可以在第二個(gè)離子種類的時(shí)間間隔和質(zhì)量范圍內(nèi)挑選來(lái)自相同離子遷移率掃描的第二個(gè)離子種類，進(jìn)行破碎并通過(guò)主導(dǎo)碎片離子進(jìn)行定量測(cè)量，以此類推第三、第四、第五個(gè)離子種類，從而與使用未與任何離子遷移分離器耦合的sim(單離子監(jiān)測(cè))的三重四極桿質(zhì)譜儀相比，可輕松測(cè)量高達(dá)十倍的離子種類數(shù)量。如果不帶遷移分離器的三重四極桿質(zhì)譜儀使用mrm(多反應(yīng)監(jiān)測(cè))，則由于所測(cè)離子數(shù)量降低，使得測(cè)量精確度也不可避免地將隨著所測(cè)反應(yīng)的數(shù)量而降低。使用與tims耦合的三重四極桿組件就不會(huì)發(fā)生這種情況。

由離子阱等任何上游離子收集單元收集并傳輸至離子遷移分離器的離子數(shù)量被積聚離子之間的排斥庫(kù)侖力(簡(jiǎn)稱“空間電荷效應(yīng)”)作用大幅限制。為了克服空間電荷問(wèn)題，本發(fā)明的首選實(shí)施例使用共同待審美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?4/614,456(“trappingionmobilityspectrometerwithparallelaccumulation”(“可并行積聚的俘獲離子遷移譜儀”)，m.a.park和m.schubert)中介紹的可并行積聚的tims裝置(“patims”)。patims可以比普通離子積聚器收集更多的離子，因?yàn)殡x子已經(jīng)按其離子遷移率分開(kāi)積聚，因此受空間電荷的影響更小。只要積聚時(shí)間期限不是特別長(zhǎng)，本裝置就可使用離子源提供的幾乎所有離子進(jìn)行測(cè)量，即，這些模式具有最高的靈敏度和最高離子利用率。

圖6示意性地示出一個(gè)實(shí)施方案，使用可并行積聚離子的俘獲離子遷移譜儀(patims)。在積聚單元(11a)的第一個(gè)電場(chǎng)勢(shì)壘斜坡(最高到位置(33))處收集各種離子，從而讓離子種類沿斜坡按離子遷移率在空間上分離。提供至位置(33)的直流電壓產(chǎn)生第一個(gè)斜坡；該斜坡通過(guò)由一系列電阻組成的分壓器形成。積聚的離子比離子積聚器中其他類型的離子受空間電荷的影響更小。離子積聚期間，在掃描單元(11b)中對(duì)之前積聚的另一批離子進(jìn)行掃描，從而為按離子遷移率分離的離子種類提供短離子脈沖。在掃描時(shí)間結(jié)束時(shí)，恢復(fù)位置(37)處的電壓，關(guān)閉位置(33)處的電壓，積聚在積聚單元(11a)的離子在大約一毫秒內(nèi)通過(guò)氣體吹送傳輸至掃描單元(11b)。并行積聚patims可利用離子源產(chǎn)生的所有離子，僅有微不足道的損失：一旦離子遷移率掃描結(jié)束(任選地在約二十到一百毫秒之后)，積聚的離子將從積聚單元(11a)傳輸至離子遷移率掃描單元(11b)(大約一毫秒)，則可以開(kāi)始下一次離子遷移率掃描。積聚單元(11a)加掃描單元(11b)的總長(zhǎng)度可以僅為大約十厘米。

使用圖4中所示的此類儀器測(cè)量特征碎片離子所需的時(shí)間(即通過(guò)將四極桿過(guò)濾器q1切換至新的質(zhì)量范圍，讓所選離子種類通過(guò)，并在四極桿q2中破碎所選離子種類的離子，然后通過(guò)質(zhì)量過(guò)濾器q3測(cè)量特征碎片離子)，可以僅為大約1.7毫秒。此外，將離子從積聚單元(11a)傳輸至離子遷移率掃描單元(11b)并且在其新位置的氣流內(nèi)抑制離子運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間僅為1.5毫秒。以20毫秒的離子遷移率掃描持續(xù)時(shí)間和1.5毫秒的傳輸時(shí)間(即每個(gè)循環(huán)21.5毫秒)運(yùn)行的測(cè)量程序，每秒內(nèi)可產(chǎn)生46個(gè)測(cè)量循環(huán)，最大測(cè)量能力可達(dá)每個(gè)循環(huán)十一個(gè)碎片離子質(zhì)譜。因此測(cè)量能力共計(jì)每秒46×11＝506個(gè)特征碎片離子，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)申請(qǐng)人所知的具有目前技術(shù)的遷移分離器的任何質(zhì)譜儀。

在20毫秒的掃描持續(xù)時(shí)間的基本工作模式下每秒506個(gè)特征碎片離子的能力只是近似值，很大程度上取決于每次測(cè)量碎片離子質(zhì)譜所需的時(shí)間。如果出于某種原因必須將假設(shè)為1.7毫秒的時(shí)間延長(zhǎng)至2.0毫秒，則能力將降低為每秒大約460個(gè)碎片離子測(cè)量。實(shí)際能力可能為每秒測(cè)量大約350到500個(gè)特征碎片離子。在使用由飛行時(shí)間質(zhì)譜儀而不是q3組成的相似儀器的試驗(yàn)中，可實(shí)現(xiàn)每秒380個(gè)完整碎片離子質(zhì)譜的能力。實(shí)際上，這樣的測(cè)量能力很少被完全利用。

可并行積聚離子的patims提供使用更長(zhǎng)積聚持續(xù)時(shí)間的獨(dú)特可能，優(yōu)勢(shì)為相應(yīng)減慢的離子遷移率掃描將提高離子遷移率分辨率。通過(guò)延長(zhǎng)積聚和離子遷移率掃描持續(xù)時(shí)間，積聚的離子數(shù)量增加，遷移率分辨率將提高，由于離子在離子遷移率峰值的短脈沖中的壓縮度更高，從而使可檢測(cè)性更好，但一個(gè)種類離子的脈沖長(zhǎng)度將稍微增加。因此，靈敏度提高，并且在相應(yīng)的質(zhì)量-遷移率圖中可檢測(cè)更多離子種類。如果積聚持續(xù)時(shí)間增加到100毫秒，并假設(shè)單次測(cè)量需要大約2.0毫秒(而不是1.7毫秒的短掃描)，則在一秒內(nèi)可執(zhí)行大約十次測(cè)量循環(huán)，每次可采集大約50個(gè)碎片離子的質(zhì)譜，是質(zhì)量-遷移率圖中離子的五倍。有趣的是，如果碎片離子質(zhì)譜采集時(shí)間稍微增加至精確的2.0毫秒，則測(cè)量能力為每秒測(cè)量大約10×50＝500個(gè)特征碎片離子，即，當(dāng)積聚和掃描持續(xù)時(shí)間增加時(shí)，測(cè)量能力保持不變。每個(gè)循環(huán)五倍的離子大幅增加了質(zhì)量-遷移率圖中可檢測(cè)離子種類；這種改進(jìn)具體取決于物質(zhì)混合物。然而，假設(shè)可檢測(cè)離子種類的數(shù)量增加至少兩倍是合理的。

盡管離子在電場(chǎng)斜坡上積聚解壓了離子種類并降低了空間電荷效應(yīng)，但積聚離子數(shù)量的限制仍存在。如果離子的積聚受空間電荷影響，則“空間縮放模式”可進(jìn)一步提供改進(jìn)的工作模式。如果積聚器中離子過(guò)于擁擠，空間縮放模式是優(yōu)選的工作模式?？臻g縮放是特別有利的工作模式，基于圖7的d圖中所示的場(chǎng)勢(shì)壘，該場(chǎng)勢(shì)壘在z軸位置(41)和(42)之間有寬且平緩的電場(chǎng)梯度，在(42)和(43)之間具有陡峭的場(chǎng)梯度場(chǎng)峰值，從而在離子積聚期間阻止低遷移率的離子。例如，相關(guān)的離子遷移率范圍內(nèi)的離子，例如圖7的c圖非縮放分布位置(31)和(32)之間的離子積聚在(41)和(42)之間場(chǎng)勢(shì)壘的平緩部分。離子在空間上解壓，以降低空間電荷效應(yīng)，從而可使用更長(zhǎng)的積聚時(shí)間收集更多離子。相鄰離子遷移率掃描單元(11b)顯示了相似電場(chǎng)勢(shì)壘，但沒(méi)有場(chǎng)峰值。按離子遷移率掃描(45)和(46)之間儲(chǔ)存的離子后，積聚單元的離子將通過(guò)關(guān)閉位置(41-43)的電壓在大約一毫秒的時(shí)間內(nèi)傳輸至離子遷移率掃描單元，從而使場(chǎng)峰值斜坡上儲(chǔ)存的非相關(guān)的低遷移率離子通過(guò)。然后可用非常慢的掃描速度和相應(yīng)較高的離子遷移率分辨率掃描位置(45)和(46)之間收集的離子。

作為應(yīng)用空間縮放模式的示例，圖8下部質(zhì)量-遷移率圖f的離子遷移率范圍僅顯示質(zhì)量-遷移率圖e完整遷移率范圍的1/3，這通過(guò)在平坦離子積聚或離子遷移率掃描區(qū)域末端正確施加所選電壓實(shí)現(xiàn)。通過(guò)延長(zhǎng)大約三倍，即60毫秒的積聚時(shí)間期限，可收集多達(dá)三倍的離子，通過(guò)將掃描速度降低九倍(對(duì)應(yīng)于總遷移率范圍內(nèi)180毫秒的完整掃描時(shí)間)，可實(shí)現(xiàn)rmob≥100的遷移率分辨率。單次次測(cè)量循環(huán)可選擇顯著增加的離子種類。因此通過(guò)這一程序，可在單次測(cè)量循環(huán)中檢測(cè)、選擇和測(cè)量更多離子種類。測(cè)量能力仍為每秒測(cè)量大約350到500個(gè)特征碎片離子，但是由于可檢測(cè)性大幅增加，因此可測(cè)量更多特征碎片離子；包括在使用現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)量裝置和模式中，甚至在其他tims工作模式中無(wú)法檢測(cè)的前體離子的碎片離子。在物質(zhì)分離器運(yùn)行期間可更改空間縮放模式的離子遷移率范圍。

復(fù)雜物質(zhì)混合物通常是從生物樣本、或者要測(cè)試藥品及其代謝物的生物樣本，或者要測(cè)試農(nóng)藥和其他污染物的復(fù)雜食品/水果/蔬菜基質(zhì)中提取的蛋白質(zhì)的水解消化液。這些混合物的物質(zhì)分離通常由液相色譜儀(hplc)執(zhí)行。其他含有可蒸發(fā)物質(zhì)的混合物相關(guān)樣本(例如多環(huán)聯(lián)苯)使用氣相色譜儀(gc)作為物質(zhì)分離器。分析物離子的特征碎片離子用于通過(guò)測(cè)量色譜峰中的碎片離子來(lái)量化相應(yīng)物質(zhì)。

三重四極桿儀器通常用于測(cè)量事先已確切知道的物質(zhì)。這種測(cè)量通常稱為“目標(biāo)測(cè)量”。依據(jù)本發(fā)明使用圖4的儀器設(shè)置此類目標(biāo)測(cè)量需要知道至少部分質(zhì)量-遷移率圖(圖5)，并需要知道目標(biāo)離子的種類。對(duì)于目標(biāo)物質(zhì)，必須知道幾個(gè)參數(shù)(即已計(jì)算和預(yù)先確定)：物質(zhì)離子在離子遷移率掃描期間出現(xiàn)的時(shí)間間隔、物質(zhì)離子的質(zhì)量、特征碎片離子的質(zhì)量、最佳碰撞能量，以及如果在tims池的上游使用色譜儀，則還要知道色譜保留時(shí)間。

在不帶tims的三重四極桿質(zhì)譜儀中設(shè)置目標(biāo)分析的常見(jiàn)方式涉及下列步驟：1-設(shè)置在質(zhì)量過(guò)濾器q1的色譜分離物質(zhì)峰中洗脫的離子的完整掃描；2-從完整色譜中確定每種目標(biāo)化合物的保留時(shí)間和保留時(shí)間窗口；3-在正確的保留時(shí)間使用最佳前體離子和碰撞能量范圍設(shè)置每種化合物的測(cè)量碎片離子掃描；4-從碎片離子掃描確定最佳碎片離子和最佳碰撞能量；5-最終使用最佳參數(shù)設(shè)置mrm(多反應(yīng)測(cè)量)掃描：保留時(shí)間和保留時(shí)間窗口、前體和碎片離子、碰撞能量以及最佳收集(停留)時(shí)間。可在圖4的儀器中通過(guò)禁用tims掃描方案來(lái)執(zhí)行這一準(zhǔn)確程序，在這種情況下tims裝置起到常規(guī)離子漏斗的作用。添加tims所需的額外步驟是確定tims池釋放的每種目標(biāo)離子的掃描洗脫時(shí)間。例如，這可通過(guò)以下方法確定：在將q1三重四極桿質(zhì)譜儀固定在第一個(gè)目標(biāo)質(zhì)量的同時(shí)執(zhí)行快速tims掃描(例如20ms)并確定離子到達(dá)時(shí)間，然后在保留時(shí)間窗口內(nèi)為每個(gè)其他目標(biāo)前體質(zhì)量重復(fù)這一程序。這樣，mrm方法可由離子遷移分離器tims取代，從而測(cè)量更多離子，優(yōu)化信噪比和靈敏度。

如果儀器可用，則可通過(guò)不同儀器確定設(shè)置測(cè)量所需目標(biāo)物質(zhì)的參數(shù)。該儀器應(yīng)由相同物質(zhì)分離器(色譜儀或電泳毛細(xì)管)、相同離子源、相同并行積聚patims、相似q1和q2四極桿以及正交離子注入飛行時(shí)間質(zhì)量分析器組成。飛行時(shí)間分析器能夠測(cè)量完整碎片離子譜，因而可(1)識(shí)別前體離子種類和(2)選擇適用的特征碎片離子。使用這種儀器，可確定所有必須參數(shù)：目標(biāo)物質(zhì)在物質(zhì)分離器中的保留時(shí)間、tims獲得的離子遷移率掃描時(shí)間間隔、前體離子種類的質(zhì)量范圍以及特征碎片離子的質(zhì)量范圍。通過(guò)一臺(tái)高價(jià)高性能的tims-q1q2tof質(zhì)譜儀，可獲得整個(gè)低價(jià)tims-q1q2q3質(zhì)譜儀系列的所有必需測(cè)量參數(shù)。

在物質(zhì)分離器(例如lc)運(yùn)行期間，設(shè)置用于測(cè)量多種目標(biāo)物質(zhì)的優(yōu)選的工作方法時(shí)，tims掃描的持續(xù)時(shí)間會(huì)作為物質(zhì)分離器運(yùn)行時(shí)間的函數(shù)發(fā)生變化，因?yàn)橥ǔＴ趌c運(yùn)行開(kāi)始時(shí)出現(xiàn)較少目標(biāo)物質(zhì)，在中間出現(xiàn)大量化合物，在要結(jié)束時(shí)出現(xiàn)較少目標(biāo)化合物。三重四極桿質(zhì)譜儀可根據(jù)色譜峰的密度改變tims掃描時(shí)間以優(yōu)化信噪比。如果僅需要同時(shí)測(cè)量幾種物質(zhì)，則可選擇20到40毫秒的短掃描持續(xù)時(shí)間，這樣每秒鐘有較高次數(shù)的重復(fù)循環(huán)；如果在物質(zhì)分離器的洗脫液中有大量目標(biāo)物質(zhì)重疊，或需要最高靈敏度的方法，則首選更長(zhǎng)的掃描時(shí)間，這樣在每秒鐘有較低次數(shù)的重復(fù)循環(huán)。

如果混合物非常密集，則可選擇空間縮放。由于在lc運(yùn)行時(shí)，成分中的物質(zhì)混合物會(huì)不斷變化，分子重量也變化，一般來(lái)說(shuō)從低質(zhì)量物質(zhì)變?yōu)楦哔|(zhì)量的物質(zhì)。因此，平均離子遷移率也隨lc運(yùn)行而變化?？赏ㄟ^(guò)為空間縮放模式選擇離子遷移率范圍來(lái)考慮這種變化。

以類似方式，也可應(yīng)用時(shí)間縮放，在不相關(guān)的離子遷移率范圍快速掃描，在相關(guān)的的離子遷移率范圍降低掃描速度?？傮w上，掃描持續(xù)時(shí)間縮短，但目標(biāo)前體離子的離子遷移率分辨率提高。

與并行積聚tims(patims)耦合的三重四極桿質(zhì)譜儀出人意料地進(jìn)一步提供重要的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。改變積聚和掃描持續(xù)時(shí)間的可能性以及選擇相關(guān)的離子遷移率范圍的可能性，可以大幅縮短物質(zhì)分離器的運(yùn)行，即hplc或毛細(xì)管電泳的運(yùn)行。分離器峰值上重疊物質(zhì)的數(shù)量大幅增加，但tims執(zhí)行的物質(zhì)分離可通過(guò)額外的物質(zhì)分離補(bǔ)償。應(yīng)用時(shí)間或空間縮放可幫助從更少的相關(guān)物質(zhì)中分離目標(biāo)物質(zhì)。例如，hplc運(yùn)行三小時(shí)可縮短為大約18分鐘，從而將工作負(fù)載增大十倍。作為單峰被洗脫出的重疊物質(zhì)的數(shù)量增加，但離子遷移分離器可幫助再次分離物質(zhì)。在此處18分鐘的運(yùn)行時(shí)間僅為示例，在實(shí)踐中，也可使用幾分鐘的短hplc運(yùn)行時(shí)間，從而大幅縮短分析時(shí)間。

在某些類型的樣本混合物中(例如要測(cè)試農(nóng)藥的食品混合物)，離子遷移分離器甚至?xí)沟萌魏紊嫌挝镔|(zhì)分離器(例如任何lc或gc)變得完全沒(méi)有必要。顯著縮短持續(xù)時(shí)間的此類測(cè)量程序可提供較高經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

此類儀器尤其適用于測(cè)量可分解連接肽(在破碎池中分裂為樣本特定報(bào)告離子)上含有樣本特定質(zhì)量標(biāo)記的不同先證者的混合樣本中多肽的相對(duì)豐度(請(qǐng)參見(jiàn)，例如，“同位素編碼化學(xué)報(bào)告和酸可分解親和力試劑用于監(jiān)測(cè)蛋白質(zhì)次磺酸”，t.h.truong等人，《生物有機(jī)化學(xué)與醫(yī)藥化學(xué)》21(2011)5015-5020)。這些(以及其他)定量方法通過(guò)可分解連接肽將相關(guān)的標(biāo)記多肽與同量異位質(zhì)量標(biāo)記結(jié)合使用。用于不同先證者樣本的連接肽在破碎時(shí)可在不同部位分裂，從而產(chǎn)生質(zhì)量稍微不同的報(bào)告離子。這些具有不同質(zhì)量的報(bào)告離子可在質(zhì)量過(guò)濾器q3中測(cè)量。報(bào)告離子的豐度關(guān)系反映了不同樣本中相應(yīng)多肽的濃度關(guān)系。與色譜儀耦合后，該儀器在運(yùn)行單次色譜儀時(shí)可測(cè)量幾百甚至上千的豐度比。

此處介紹的技術(shù)原理基本適合下列質(zhì)譜儀：包含一個(gè)離子源，配置為從供應(yīng)的樣本中持續(xù)產(chǎn)生離子；一個(gè)俘獲離子遷移分離器(tims)，配置為接收以積聚量產(chǎn)生的離子，并進(jìn)一步配置為以按其離子遷移率及時(shí)分離的離子種類的短脈沖輸出這些積聚量；第一質(zhì)量過(guò)濾器，例如四極桿質(zhì)量過(guò)濾器q1，配置為接收離子種類并從中選擇要破碎的前體離子；一個(gè)破碎池，例如四極桿破碎池q2，配置為接收和破碎所選前體離子；第二質(zhì)量過(guò)濾器，例如四極桿質(zhì)量過(guò)濾器q3，配置為接收和選擇通過(guò)破碎前體離子產(chǎn)生的碎片離子；以及一個(gè)離子檢測(cè)器，配置為接收和測(cè)量第二質(zhì)量過(guò)濾器的離子輸出。

一個(gè)示例性的實(shí)施方案包括將俘獲離子遷移分離器配置為使用并行離子積聚(patims)，其中，離子在積聚單元中積聚，并按其離子遷移率分離，同時(shí)在后續(xù)掃描單元中根據(jù)其離子遷移率掃描離子，每次掃描后，在大約一毫秒的時(shí)間內(nèi)將離子從積聚單元傳輸至掃描單元。該質(zhì)譜儀可與物質(zhì)分離器耦合，其中物質(zhì)分離器可為氣相色譜儀、液相色譜儀或毛細(xì)管電泳裝置。

該質(zhì)譜儀應(yīng)該包含rf和dc電壓發(fā)生器，以便讓四極桿質(zhì)量過(guò)濾器能夠在少于一毫秒的時(shí)間內(nèi)將質(zhì)量過(guò)濾器從過(guò)濾第一個(gè)離子種類切換至過(guò)濾第二個(gè)離子種類。達(dá)到平衡的切換時(shí)間最好應(yīng)為約500至700毫秒。rf和dc電壓發(fā)生器最好為第一質(zhì)量過(guò)濾器從過(guò)濾第一個(gè)離子種類到過(guò)濾另一個(gè)離子種類的切換流程提供電壓，該流程為先關(guān)閉第一質(zhì)量過(guò)濾器，然后調(diào)整至過(guò)濾下一個(gè)離子種類，然后在下一個(gè)離子種類的正確時(shí)間間隔將其打開(kāi)。第一質(zhì)量過(guò)濾器的打開(kāi)和關(guān)閉可通過(guò)相對(duì)于rf電壓稍微增加和降低dc電壓執(zhí)行。

在不同實(shí)施方案中，(連續(xù))離子源是電噴霧離子源、化學(xué)電離源、光化電離源和電子電離源中的一者。

本發(fā)明進(jìn)一步涉及，在俘獲離子遷移分離器(tims)的一次離子遷移率掃描期間，根據(jù)上述描述在質(zhì)譜儀中循環(huán)和定量測(cè)量多個(gè)所選前體離子的特征碎片離子的方法，包括以下步驟：a)用積聚的離子填充俘獲離子遷移分離器(tims)；b)按其離子遷移率掃描積聚的離子，從而讓具有不同離子遷移率的離子種類產(chǎn)生脈沖；c)將第一個(gè)質(zhì)量過(guò)濾器切換為，在正確的時(shí)間間隔和正確的質(zhì)量范圍篩選在掃描期間接下來(lái)會(huì)出現(xiàn)的所選離子種類的離子，并將第二質(zhì)量過(guò)濾器切換至這個(gè)離子種類的特征碎片離子的正確質(zhì)量范圍；d)在破碎池中破碎所選離子種類的已過(guò)濾離子，在第二質(zhì)量過(guò)濾器中過(guò)濾特征碎片離子，并通過(guò)離子檢測(cè)器測(cè)量產(chǎn)生的離子輸出；以及e)只要有已選擇但未測(cè)量的離子種類就重復(fù)步驟c)和d)。

此外，本發(fā)明涉及循環(huán)執(zhí)行測(cè)量循環(huán)的多循環(huán)方法，直到在給定時(shí)間期限結(jié)束時(shí)，或已執(zhí)行給定最大測(cè)量循環(huán)數(shù)值時(shí)，或無(wú)法再檢測(cè)到所選離子種類時(shí)，停止運(yùn)行該方法。

在優(yōu)選的實(shí)施方案中，多循環(huán)方法在并行離子積聚俘獲離子遷移分離器(patims)中并行積聚和掃描離子，并在每次掃描后，在大約一毫秒的時(shí)間內(nèi)將積聚的離子從積聚單元傳輸至掃描單元。多循環(huán)方法甚至能以空間縮放模式運(yùn)行，僅在預(yù)先選擇的遷移率范圍內(nèi)積聚和掃描離子。

特殊多循環(huán)方法通過(guò)測(cè)量在破碎池中由標(biāo)記物質(zhì)離子分解的報(bào)告離子來(lái)測(cè)量樣本中物質(zhì)的相對(duì)豐度，該樣本與不同先證者混合，并通過(guò)同量異位標(biāo)記在樣本特定部位對(duì)可分解連接肽進(jìn)行樣本特異性標(biāo)記。

此多循環(huán)方法尤其可用于測(cè)量從上游物質(zhì)分離器中洗脫的物質(zhì)峰中物質(zhì)的相對(duì)豐度。這種多循環(huán)方法的特別有益之處在于，由于與使用不含離子遷移分離器的三重四極桿質(zhì)譜儀、相當(dāng)?shù)姆治龇椒ㄏ啾?，物質(zhì)分離器的運(yùn)行時(shí)間可縮短至少五倍。因此，通過(guò)離子遷移分離器執(zhí)行物質(zhì)離子的分離，甚至可讓任何上游物質(zhì)分離器變得完全沒(méi)有必要，從而大幅縮短分析程序的持續(xù)時(shí)間。