具有增強的靈敏度和質(zhì)量分辨能力的四極質(zhì)譜儀的制作方法
【專利說明】具有增強的靈敏度和質(zhì)量分辨能力的四極質(zhì)譜儀
[0001] 發(fā)曰月背景 發(fā)明領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及質(zhì)譜法領(lǐng)域。更確切地說，本發(fā)明涉及通過在四極儀器的出口孔口處 收集的空間和時間特征的去卷積而提供改進的高質(zhì)量分辨能力（MRP)和靈敏度的質(zhì)譜儀 系統(tǒng)和方法。
[0003] 相關(guān)摶術(shù)的討論
[0004]四極桿通常被描述為低分辨率的儀器。常規(guī)四極質(zhì)譜儀的理論和操作在大量 文字書籍中（例如DawsonP.H. (1976)，四極質(zhì)譜儀及其應(yīng)用，阿姆斯特丹，愛思唯爾 (Elsevier))并且在大量專利（例如授予Paul等人的、在1954年12月21日申請并在1960 年6月7日發(fā)布的美國專利號2,939,95,標題為"分離不同比荷的帶電顆粒的設(shè)備"）中都 進行了描述。
[0005] 作為濾質(zhì)器，這樣的儀器是如下工作的：通過所施加的能夠隨著時間變化的RF和 DC電勢而設(shè)定穩(wěn)定性極限，使得具有特定質(zhì)荷比范圍的離子在整個裝置中具有穩(wěn)定的軌 跡。特別是，通過對所配置的圓柱形、但更常見地是雙曲線的電極桿對，按本領(lǐng)域技術(shù)人員 已知的方式來施加固定的和/或變化的AC和DC電壓，建立所希望的電場來將預(yù)定離子在 x和y方向上的運動穩(wěn)定化。其結(jié)果是，在x軸上施加的電場穩(wěn)定了較重離子的軌跡，而較 輕的離子具有不穩(wěn)定的軌跡。相比之下，在y軸上的電場穩(wěn)定了較輕離子的軌跡，而較重的 離子具有不穩(wěn)定的軌跡。在四極桿中具有穩(wěn)定軌跡并且因此到達位于四極桿群組的離開截 面處的檢測器的質(zhì)量范圍是由這些質(zhì)量穩(wěn)定性極限所限定的。
[0006] 典型地，四極質(zhì)譜儀系統(tǒng)采用單一檢測器來記錄作為時間函數(shù)而到達四極桿群組 的離開截面處的離子。通過單調(diào)地在時間上改變質(zhì)量穩(wěn)定性極限，離子的質(zhì)荷比可以（大 致）由其到達檢測器的時間確定。在常規(guī)的四極質(zhì)譜儀中，由到達時間來估算質(zhì)荷比的不 確定度對應(yīng)于質(zhì)量穩(wěn)定性極限之間的寬度。這種不確定度可以通過收窄這些質(zhì)量穩(wěn)定性極 限而減小，即通過將四極桿作為窄帶濾波器運行。在這種模式下，四極桿的質(zhì)量分辨能力增 強了，因為在"穩(wěn)定"質(zhì)量窄帶之外的離子撞擊到桿中而不是穿過其中達到檢測器。然而， 這個改進的質(zhì)量分辨能力是以靈敏度為代價的。特別是當(dāng)穩(wěn)定性極限窄時，即使"穩(wěn)定的" 質(zhì)量也僅僅在邊際處是穩(wěn)定的，并且因此這些中僅有較小的分量到達了檢測器。
[0007] 關(guān)于使用數(shù)學(xué)去卷積方法來分析陣列式來源所提供的空間特征的系統(tǒng)和方法的 背景信息在2008年3月04日授予Scheidemann等人的美國專利號7, 339, 521中進行了描 述并提出了權(quán)利要求，其標題為"ANALYTICALINSTRUMENTSUSINGAPSEUDORANDOMARRAY OFSOURCES，SUCHASAMICRO-MACHINEDMASSSPECTROMETERORMONOCHROMATOR[使用偽 隨機源陣列如微機械質(zhì)譜儀或單色儀的分析儀器]"，包括以下內(nèi)容："在此披露了采用偽 隨機序列以偽隨機源陣列來空間排列多個源的新穎方法和結(jié)構(gòu)。該偽隨機源陣列可以取代 依賴樣品的、或由源發(fā)射的探針粒子/波的空間分離的分析儀器中的單一源。這個偽隨機 源陣列中較大的源數(shù)量增強了位置靈敏檢測器上的信號。數(shù)學(xué)去卷積方法由該檢測器信號 修復(fù)了具有改進的信噪比的譜。"
[0008] 通過發(fā)光器件而提供離子空間檢測的質(zhì)譜儀系統(tǒng)的背景信息在1989年3月7日 授予Bateman等人的美國專利號4, 810, 882中進行了描述并提出了權(quán)利要求，其標題為 "MASSSPECTROMETERFORPOSITIVEANDNEGATIVEIONS[用于正負離子的質(zhì)譜儀]"，包括 以下內(nèi)容："本發(fā)明提供了一種能夠檢測正負離子二者的質(zhì)譜儀。從質(zhì)量分析器中出來的正 離子撞擊一個轉(zhuǎn)換電極而釋放次級電子，次級電子穿過一個環(huán)形電極而撞擊磷光體從而釋 放光子。負離子撞擊該環(huán)電極的表面而釋放次級電子，這些次級電子也撞擊該磷光體從而 釋放光子。用常規(guī)的光電倍增管來檢測這些光子。這些電極被偏壓并且被布置成使得可以 在不改變施加在其上的電勢的情況下檢測正離子和負離子兩者。"
[0009] 使用陣列式檢測器進行離子收集的系統(tǒng)的背景信息在BonnerDenton于2009年3 月 8 日在Pittcon上演講的"FromtheInfraredtoX-ray:AdvancedDetectorsSetto RevolutionizeSpectroscopy[從紅外到X射線：將會改革光譜學(xué)的高級檢測器]"中進行 了描述，包括以下內(nèi)容："正在通過適配以及修改初始開發(fā)用于可見CCD和紅外多路器陣列 的技術(shù)組合而實現(xiàn)全新一代有前景的離子和電子檢測器。該新一代離子和電子檢測器所實 施的構(gòu)型范圍從適合于四極桿和飛行時間離子迀移率儀器的單一元件到用于離子擺線型 和扇形基質(zhì)譜儀的線性陣列。將展示使用這些新技術(shù)來讀取微法拉第杯和指狀電極陣列的 最新結(jié)果。由于這種途徑是高度靈敏的法拉第型庫倫檢測器，它適合于在同位素比率光譜 儀和常規(guī)質(zhì)譜儀中實現(xiàn)高密度陣列并且將超高靈敏度檢測器用于離子迀移率光譜儀。"雖 然在這篇演講中描述的檢測器提供了關(guān)于離子離開位置的信息，但所描述的研究沒有利用 這個信息。相反，是使用陣列來改進所捕獲的離子總數(shù)并且其與具有增強靈敏度的單一檢 測器功能相同。
[0010] 圖1A示出了來自常規(guī)三節(jié)四極（TS?質(zhì)量分析器的實施例數(shù)據(jù)，用于展示目前在 四極裝置中可獲得的質(zhì)量分辨能力。如圖1A中所示，產(chǎn)生自該實施例檢測的m/z508. 208 離子的質(zhì)量分辨能力是約44,170,與在"高分辨率"平臺中、例如在傅里葉變換質(zhì)譜法 (FTMS)中典型地實現(xiàn)的類似。為了獲得這樣的質(zhì)量分辨能力，緩慢掃描該儀器并在預(yù)定的 質(zhì)量穩(wěn)定性區(qū)域的邊界之內(nèi)運行該儀器。雖然該數(shù)據(jù)顯示的質(zhì)量分辨能力（即，固有的質(zhì) 量分辨能力）是較高的，但該儀器的穩(wěn)定性非常差，雖然沒有顯示出。
[0011] 圖1B(見插圖）示出了來自一個TSQ四極桿的示例性m/z182、508、和997離子的 Q3強度，該四極桿是以窄的穩(wěn)定性傳輸窗口（數(shù)據(jù)表示為A)以及較寬的穩(wěn)定性透析窗口 (數(shù)據(jù)表示為A'）運行的。圖1B中的數(shù)據(jù)是用于顯示，質(zhì)量選擇性四極桿的靈敏度可以通 過打開該傳輸穩(wěn)定性窗口而顯著增加。然而，雖然沒有在圖中明確示出，但以這樣的寬帶模 式運行的四極儀器的固有質(zhì)量分辨能力是不理想的。
[0012] 圖1A和1B的關(guān)鍵點是，通常，四極濾質(zhì)器的運行提供了較高的質(zhì)量分辨能力或者 以質(zhì)量分辨能力為代價提供了高的靈敏度，但是并非同時存在這二者，并且在所有情況下， 掃描速率是較低的。然而，本發(fā)明提供了一種操作系統(tǒng)和方法，該操作系統(tǒng)和方法同時提供 了高的質(zhì)量分辨能力以及在較高掃描速率下增大的靈敏度，這超過了四極質(zhì)量分析器的當(dāng) 前能力。
[0013] 因此，在質(zhì)譜儀領(lǐng)域需要改進此類系統(tǒng)的質(zhì)量分辨能力而不損失信噪比（S卩，靈 敏度）。本發(fā)明解決了這個需要，如在此披露的，這是通過作為時間以及在射束截面中的空 間位移的函數(shù)來測量離子電流并且接著將來自單獨離子物種的信號貢獻進行去卷積。
[0014] 發(fā)明概沐
[0015] 本發(fā)明是針對新穎的四極濾質(zhì)器方法和系統(tǒng)，該方法和系統(tǒng)在離子物種之間、甚 至當(dāng)二者均同時穩(wěn)定時，通過記錄隨施加的RF和DC場變化的、離子撞擊一個位置靈敏檢測 器的地點而產(chǎn)生區(qū)別。當(dāng)將到達時間和位置合并（binned)時，這些數(shù)據(jù)可以被認為是一系 列離子圖像。觀察到的每個離子圖像實質(zhì)上是多個分量圖像的疊加，對于每個以給定時刻 離開四極桿的獨特m/z值有一個圖像。因為本發(fā)明提供了隨m/z和施加的場變化的、對任 意離子圖像的預(yù)測，可以從一系列觀察到的離子圖像中通過在此討論的數(shù)學(xué)去卷積方法來 提取每個單獨的分量。每個物種的質(zhì)荷比和豐度必然在去卷積之后直接得到。
[0016] 本發(fā)明的第一方面是針對一種高質(zhì)量分辨能力高靈敏度的質(zhì)譜儀，該質(zhì)譜儀包 括：一個多極桿，該多極桿被配置成傳遞在所施加的RF和DC場限定的穩(wěn)定性邊界之內(nèi)一個 或多個物種的豐度，這些物種的特征為無單位的馬丟參數(shù)（a，q);-個檢測器，該檢測器被 配置成記錄這些離子的豐度在該多極桿的截面區(qū)域處的空間和時間特性；以及一個處理裝 置，該處理裝置被配置成將所述一個或多個離子物種豐度的所述被記錄的空間和時間特性 作為施加的RF和/或DC場的函數(shù)進行去卷積，以便提供所述一個或多個離子物種的質(zhì)量 辨別。
[0017] 本發(fā)明的另一個方面提供了從質(zhì)量分析器和檢測器獲得的圖像的去卷積方法，這 是通過首先獲取或綜合產(chǎn)生參考信號。該參考信號是一系列圖像，其中每個圖像代表施加 至四極桿上的特定場狀態(tài)所產(chǎn)生的單一（典型的）物種的離開離子的空間分布。此后該方 法被設(shè)計用于從所述多極桿的離開通道獲取一個或多個離子物種的豐度的空間和時間原 數(shù)據(jù)。然后從這些參考信號產(chǎn)生一個偏移的自相關(guān)向量并且將所獲取的數(shù)據(jù)破碎成適當(dāng)?shù)?組塊并且用零填補此數(shù)據(jù)。然后得出一個或多個數(shù)據(jù)組塊與每個參考信號的點積。然后將 去卷積問題布置成矩陣形式，通常為Toeplitz形式，以便解出并且因此提供所述一個或多 個離子物種豐度的質(zhì)量分辨而使之包括：不同離子物種的數(shù)目，以及每個物種的相對豐度 以及質(zhì)荷比的準確估計值。
[0018] 因此，本發(fā)明提供了以下操作設(shè)備和方法，該操作設(shè)備和方法使得使用者能夠通 過不僅作為所施加的場的函數(shù)并且作為在四極桿出口處空間截面中的位置的函數(shù)而計算 離子密度的分布，來獲取在約一個RF周期的量級上具有時間分辨率的綜合性質(zhì)量數(shù)據(jù)。其 應(yīng)用包括但不嚴格局限于：石油分析、藥物分析、磷酸肽分析、DNA和蛋白測序等，這些在此 前是不能用四極系統(tǒng)來探詢的。作為附帶的益處，在此披露的此類構(gòu)型和方法能夠放松對 制造公差的要求，這減小了總成本同時改進了穩(wěn)健性。
[0019] 附圖簡要說明
[0020] 圖1A示出了來自有益的商業(yè)TSQ的示例性四極桿質(zhì)量數(shù)據(jù)。
[0021] 圖1B示出了來自以0. 7FWHM的AMU穩(wěn)定性傳輸窗口運行的TSQ四極桿的額外Q3 數(shù)據(jù)，與10. 0FWHM的AMU穩(wěn)定性傳輸窗口進行比較。
[0022] 圖2A示出了馬丟穩(wěn)定性圖，其中一條掃描線代表了較窄的質(zhì)量穩(wěn)定性極限，還有 一條"被減小的"掃描線，其中已經(jīng)將DC/RF之比減小以便提供更寬的質(zhì)量穩(wěn)定性極限。
[0023] 圖2B示出了在特定時刻于四極桿的出口處收集到的多個不同離子物種的模擬記 錄圖像。
[0024] 圖3示出了可以用本發(fā)明的方法運行的三節(jié)質(zhì)譜儀系統(tǒng)的有益的示例性構(gòu)型。
[0025] 圖4示出了配置有讀出陽極（read-outanodes)線性陣列的時間和位置離子檢測 器系統(tǒng)的示例性實施方案。
[0026] 圖5示出了執(zhí)行延遲線（delay-line)系統(tǒng)的一個示例性的時間和位置離子檢測 器系統(tǒng)。
[0027]圖6示出了結(jié)合了光子檢測器技術(shù)的一個示例性的時間和位置離子檢測器系統(tǒng)。
[0028] 圖7展示了本發(fā)明的去卷積方法的示例性模擬結(jié)果。
[0029]圖8展示了具有在FWHM下測量的質(zhì)量分辨能力的去卷積方法的示例性模擬結(jié)果。
[0030] 詳細說明
[0031]在此處對本發(fā)明的說明中，應(yīng)理解的是，以單數(shù)形式出現(xiàn)的詞涵蓋了其復(fù)數(shù)的對 應(yīng)形式，并且以復(fù)數(shù)形式出現(xiàn)的詞涵蓋了其單數(shù)的對應(yīng)形式，除非另外暗示性地或者明確 地解釋或陳述。此外，應(yīng)理解的是，對于在此說明的任何給定的組分或?qū)嵤┓桨福瑢υ摻M分 列出的可能候選物或替代中的任何一個總體上都可以單獨地或彼此組合地使用，除非另外 暗示性地或者明確地解釋或陳述。此外，應(yīng)了解的是，如在此所示的圖不一定是按比例繪制 的，其中一些要素可能僅是為了本發(fā)明的清楚而繪制的。而且，在不同的圖之間參考號可以 重復(fù)以便顯示對應(yīng)的或類似的要素。另外，將要理解的是，此類候選物或替代物的任何清單 都僅是解釋性的而非限制性的，除非另外暗示性地或者明確地解釋或陳述。此外，除非另外 指明，否則表示在本說明書和權(quán)利要求書中使用的成分、組分、反應(yīng)條件等等的量的數(shù)字應(yīng) 理解為用術(shù)語"大約"來修飾。
[0032]因此，除非相反地指明，否則在本說明書和所附權(quán)利要求書中列出的數(shù)值參數(shù)是 可以根據(jù)在此提出的主題所需要獲得的理想特性而改變的近似值。完全不限制并且也不打 算限制等效物原理對本權(quán)利要求書范圍的應(yīng)用，每個數(shù)值參數(shù)都應(yīng)該至少在所報告的有效 數(shù)字的個數(shù)的意義上并且通過應(yīng)用常規(guī)舍入技術(shù)來解釋。雖然列出在此提出的主題的寬泛 范圍的數(shù)值范圍和參數(shù)是近似值，但在具體實例中列出的數(shù)值是盡可能精確地報告的。然 而，任何數(shù)值固有地包含必然會由于在其對應(yīng)測試結(jié)果中發(fā)現(xiàn)的標準偏差而產(chǎn)生的確定誤 差。
[0033] 概括說明
[0034]典型地，一種多極濾質(zhì)器（例如，四極濾質(zhì)器）在連續(xù)的離子束上運行，但也可以 通過對掃描功能和數(shù)據(jù)獲取算法的適當(dāng)修改而使用脈沖離子束以便恰當(dāng)整合此類斷續(xù)信 號。在該儀器內(nèi)通過對圍繞長軸線以四倍對稱性排列的所配置的平行桿動態(tài)地施加電場來 產(chǎn)生四極場。對稱軸稱為z軸。按照約定，將這四個桿描述為一對x桿和一對y桿。在任 何時刻，這兩個x桿都具有彼此相同的電勢，這兩個y桿也是。y桿上的電勢相對于x桿是 反向的。相對于z軸處的恒定電勢，每組桿上的電勢可以表示為恒定DC偏移量加上一個快 速振蕩的RF分量（以約1MHz的典型頻率）。
[0035] x桿上的DC偏移量是正的，使得正離子感受到趨向于將其保持在z軸附近的恢復(fù) 力；x方向上的電勢像一個井。相反，y桿上的DC偏移量是負的，使得正離子感受到驅(qū)使其 更遠離z軸的推斥力；y方向上的電勢像一個鞍。
[0036]對兩對桿均施加振蕩RF分量。x桿上的RF相是相同的并且與y桿上的相相差180 度。離子從四極桿入口沿著z軸惰性地移動至通常位于四極桿出口處的檢測器。在四極桿 內(nèi)部，離子具有在X和Y方向上分離的軌跡。在X方向上，所施加的RF場將具有最小質(zhì)荷 比的離子帶出勢阱并進入桿中。具有足夠高的質(zhì)荷比的離子仍陷在井中并在x方向上具有 穩(wěn)定的軌跡；在x方向上施加的場用作了高通濾質(zhì)器。相反，在y方向上，只有最輕的離子 被所施加的RF場穩(wěn)定，這克服了所施加的DC將它們拉入桿中的趨勢。因此，在y方向上所 施加的場用作低通濾質(zhì)器。在x和y方向上均具有穩(wěn)定的分量軌跡的離子穿過四極桿而到 達檢測器。DC偏移量和RF幅值可以進行選擇，使得僅測量到具有所希望的m/z值范圍的離 子。如果RF和DC是固定的，則離子從入口到出口橫穿該四極桿并且展現(xiàn)出作為含RF相的 周期函數(shù)的離開圖案。雖然離子離開是基于分離的動作，但所觀察到的離子振蕩完全被鎖 定至RF。以