專利名稱：混合離子遷移率和質(zhì)譜分析儀器的制作方法
發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及基于氣相離子的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量電荷比描述分子特征的儀器，特別涉及這種的儀器，該儀器可提供有關(guān)有機(jī)分子的成分、序列和/或結(jié)構(gòu)信息的迅速和靈敏的分析，包括生命分子和/或無(wú)機(jī)分子。本發(fā)明通常用于分析混合物，例如天然產(chǎn)品的提取、在石油產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)的有機(jī)分子的混合物、與空氣質(zhì)量控制有關(guān)的混合物的顆粒尺寸和分析。
發(fā)明的背景重復(fù)一般稱為殘基的亞基，構(gòu)成例如DNA、RNA、蛋白質(zhì)、碳水化合物和復(fù)合糖(glycoconjugate)之類的生物分子。這種殘基的序列最終限定生命分子的結(jié)構(gòu)和功能并確定它與其它分子如何發(fā)生反應(yīng)。
幾乎所有常規(guī)排序策略的中心部分是，利用色譜法或利用聚丙烯酰胺凝膠電泳分析(PAGE)進(jìn)行與序列有關(guān)的分子碎片復(fù)合組的分析。已有基于PAGE的自動(dòng)操作排序儀器，并且一般要求大量的熒光染料置于端接特定基的生命分子產(chǎn)品中，然后利用聚丙烯酰胺凝膠處理該產(chǎn)品。利用受輻射源激勵(lì)而發(fā)射的熒光，在凝膠底部附近檢測(cè)離散長(zhǎng)度產(chǎn)物分子。
這種自動(dòng)儀器一般以比手工操作方法快10-20倍的速率，對(duì)具有500或以上的殘基的生命分子產(chǎn)生序列信息?？墒牵止げ僮骱妥詣?dòng)PAGE技術(shù)存在一些缺陷。例如，由于必須對(duì)各序列的操作準(zhǔn)備凝膠，因而這兩個(gè)方法都是非常費(fèi)力的。此外，盡管自動(dòng)PAGE系統(tǒng)可提供比手工操作方法更快的分析，但因非均勻凝膠材料產(chǎn)生的人工產(chǎn)物和其它因素，限制了這種系統(tǒng)的精確度。這種自動(dòng)系統(tǒng)通常沒(méi)有配備精確處理這種人工產(chǎn)物的功能，一般表現(xiàn)為“拙劣的”壓縮、有點(diǎn)象幽靈帶那樣。因此常常需要將明顯地增加分析次數(shù)的這種結(jié)果的手工解釋。
近幾年來(lái)，研究人員已經(jīng)意識(shí)到需要更迅速和靈敏的分析生命分子結(jié)構(gòu)和序列的技術(shù)。例如飛行時(shí)間質(zhì)譜測(cè)定技術(shù)(TOFMS)和傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜分析法等質(zhì)譜測(cè)定(MS)技術(shù)是快速和精確地提供離子質(zhì)量信息的技術(shù)，其中根據(jù)離子質(zhì)量可確定序列和結(jié)構(gòu)。正如現(xiàn)有技術(shù)，TOFMS系統(tǒng)利用電場(chǎng)朝向終止于離子檢測(cè)器的無(wú)場(chǎng)飛行管加速離子。按照公知的TOFMS原理，離子飛行時(shí)間是離子質(zhì)量的函數(shù)，從而具有較小質(zhì)量的離子比具有較大質(zhì)量的離子更快地到達(dá)檢測(cè)器。因而可根據(jù)通過(guò)儀器的離子飛行時(shí)間計(jì)算離子質(zhì)量。

圖1表示該原理用于具有已知質(zhì)量電荷比(m/z)為12360da的細(xì)胞色素e樣品和具有已知質(zhì)量電荷比(m/z)為14306da溶菌酶樣品。圖1中，具有約40.52μs的飛行時(shí)間的單個(gè)峰10相應(yīng)于發(fā)光器細(xì)胞色素e樣品，具有約41.04μs的飛行時(shí)間的單個(gè)峰12相應(yīng)于較重的溶菌酶樣品。
由于MS技術(shù)有比上述PAGE技術(shù)明顯減少的樣品制備和分析時(shí)間，因而近來(lái)開(kāi)發(fā)了一些MS序列策略。由于從其端部順序去除殘基，因而這種MS序列技術(shù)通常能夠測(cè)量生命分子的質(zhì)量的變化。在Levis等人的美國(guó)專利5210412和Koster等人的美國(guó)專利5622824中披露了分別包括復(fù)雜的預(yù)MS處理技術(shù)的兩個(gè)這種技術(shù)的實(shí)例。
為了提供確定大生命分子的序列和結(jié)構(gòu)信息的能力，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到MS技術(shù)必須能夠相應(yīng)地產(chǎn)生大離子。目前已知供特定分析用的至少兩種產(chǎn)生大離子的技術(shù)，即電噴離子化(electrospray ionization，ESI)和基質(zhì)輔助激光解吸離子化(matrix assisted laserdesorption ionization，MALDI)。盡管可容易地利用兩個(gè)大離子產(chǎn)生技術(shù)，但已知的MS技術(shù)在數(shù)量和質(zhì)量的辨別方面受限。特別是，對(duì)于這里限定為包含至少50殘基的大生命分子來(lái)說(shuō)，與母體和序列有關(guān)的碎片離子的質(zhì)譜變得擁擠，達(dá)到質(zhì)譜(TOK)峰重疊的程度。
解決擁擠質(zhì)譜問(wèn)題的一個(gè)方案是增加MS分析儀器的質(zhì)量分辨率。近來(lái)在增加該分辨率上所作的努力已獲成功，利用傅里葉變換離子回旋共振(FTICR)分析儀可獲得50個(gè)成基本對(duì)(base pair)DNA的完全序列信息。可是，這種儀器非常昂貴，不容易獲得，并因其非常高的真空度要求，因而它們通常不適于常規(guī)序列的大量樣品。
解決擁擠質(zhì)譜問(wèn)題的另一個(gè)方案是在將離子提供給MS測(cè)定器的離子加速區(qū)之前，及時(shí)地預(yù)先分離離子團(tuán)(bulk)。然后順序地按分離的離子樣品“組(packets)”進(jìn)行質(zhì)譜分析，而不是同時(shí)對(duì)產(chǎn)生的離子團(tuán)進(jìn)行分析。以該方式，由MS測(cè)定器提供的質(zhì)譜信息可沿另一維傳播，從而減小與大量離子團(tuán)分析有關(guān)的質(zhì)量信息的局部擁擠。
一種已知的用于在MS分析之前及時(shí)地預(yù)先分離離子團(tuán)的離子分離技術(shù)是離子遷移率譜測(cè)定技術(shù)(IMS)。正如現(xiàn)有技術(shù)，IMS儀器一般包括裝在漂移管中的靜態(tài)增壓的緩沖氣體，其中該漂移管限定從管子一端到另一端的恒定電場(chǎng)。進(jìn)入恒定電場(chǎng)區(qū)域的高斯離子當(dāng)穿過(guò)漂移管時(shí)，被加速并與緩沖氣體分子不斷發(fā)生碰撞。作為不斷加速和碰撞的結(jié)果，各氣體離子實(shí)現(xiàn)了以恒定速度通過(guò)漂移管。離子速度與電場(chǎng)大小之比限定離子遷移率，其中通過(guò)高壓緩沖氣體的任何已知離子的遷移率是其離子與緩沖氣體碰撞的碰撞橫截面的函數(shù)。通常，與具有相同質(zhì)量的松散結(jié)構(gòu)即具有較大碰撞橫截面的離子相比，密實(shí)的結(jié)構(gòu)即具有較小碰撞橫截面的離子具有較高的遷移率，因此以較高的速度穿過(guò)緩沖氣體。因此，具有較大碰撞橫截面的離子比具有較小碰撞橫截面的離子更慢地穿過(guò)IMS儀器漂移管，即使具有較小碰撞橫截面的離子有比具有較大碰撞橫截面的離子更大的質(zhì)量。該原理示于圖2中，圖2表示三個(gè)分別具有不同質(zhì)量和形狀(碰撞橫截面)的離子穿過(guò)常規(guī)IMS儀器的漂移時(shí)間。從圖2可知，最密實(shí)的離子14(看來(lái)似乎具有最大的質(zhì)量)有接近5.0ms的最短漂移時(shí)間峰16，最松散的離子18有接近7.4ms的最長(zhǎng)漂移時(shí)間峰20，具有在離子14與18(看來(lái)似乎具有最小質(zhì)量)之間的碰撞橫截面的離子22有接近6.1ms的漂移時(shí)間峰。
下面參照?qǐng)D3，圖3示出相對(duì)離子漂移時(shí)間的由現(xiàn)有飛行時(shí)間質(zhì)譜測(cè)定器獲得的離子飛行時(shí)間譜26。在該圖中，不同質(zhì)量的離子分散在質(zhì)譜測(cè)定器中不同的飛行時(shí)間上。可是，由于質(zhì)譜測(cè)定器的分辨率有限，因此在該譜線上離子并沒(méi)有完全分開(kāi)，即相應(yīng)于不同離子的點(diǎn)重疊。當(dāng)與圖6比較時(shí)，其中圖6將在最佳實(shí)施例部分中更詳細(xì)討論，可以明顯看出，用把離子分離成兩維即離子遷移率和離子質(zhì)量的儀器可以更好地分辨不同的離子。
Guevrcmont等人近來(lái)已對(duì)現(xiàn)有IMS/MS儀器進(jìn)行了修改，將四極MS轉(zhuǎn)變?yōu)門OFMS[R.Guevrcmont，K.W.M.Siu，和I.Ding，PROCEEDINGS OF THE 44THASMS CONFERENCE，(1996)摘要]。在Guevrcmont等人的儀器中通過(guò)電噴產(chǎn)生離子，5ms的離子組可選通進(jìn)入IMS儀器，由IMS儀器產(chǎn)生的該離子組通過(guò)較小的開(kāi)口進(jìn)入TOFMS的離子加速區(qū)。
盡管Guevrcmont等人在IMS測(cè)定器與TOFMS測(cè)定器之間的耦接方面已取得了某些成功。但它們所獲得的儀器和技術(shù)存在與此有關(guān)的嚴(yán)重缺陷。例如，Guevrcmont等人抽象討論了使用5ms選通脈沖以允許離子進(jìn)入IMS測(cè)定器，但應(yīng)該指出，所獲得的IMS譜有峰寬度至少為5ms的低分辨率。其次，由于Guevrcmont等人的儀器的漂移管和離子飛行管是共線性的，離開(kāi)IMS的離子組中的任何空間和時(shí)間分布都將直接導(dǎo)致在TOFMS的離子加速區(qū)中離子的空間和時(shí)間分布。這兩個(gè)特點(diǎn)導(dǎo)致TOFMS較差的質(zhì)量分辨率。IMS的低分辨率和TOFMS的低分辨率的組合使該儀器不能分析復(fù)雜的混合物。因此需要一種可分析復(fù)雜混合物的最佳的混合IMS/TOFMS儀器。這種儀器最好能夠提供最佳化的離子遷移率譜和最佳化的質(zhì)譜。并且，這種系統(tǒng)可提供在兩個(gè)儀器之間最佳的界面，從而使TOFMS的性能最佳。
發(fā)明概述本發(fā)明致力于解決在背景技術(shù)部分中所述的有關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的上述問(wèn)題。按照本發(fā)明的一個(gè)方案，產(chǎn)生離子質(zhì)譜信息的方法包括下列步驟產(chǎn)生氣態(tài)離子組；沿第一軸及時(shí)分離氣態(tài)離子團(tuán)，形成多個(gè)離子組，各離子組分別具有與其有關(guān)的單一離子遷移率；沿垂直于第一軸的第二軸順序地及時(shí)分離至少一些離子組，形成許多離子小組，各離子小組有與其相關(guān)的單一離子質(zhì)量；和處理至少一些離子小組，由此確定質(zhì)量的特定信息。一種實(shí)施上述方法的最佳裝置包括從樣品源產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)的單元；離子遷移率譜測(cè)定器(IMS)，在其與用于產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)的單元流體連通的一端限定離子入口，和在與該端相對(duì)的一端限定離子出口，其中所述離子入口和出口限定其間的第一軸；和飛行時(shí)間質(zhì)譜測(cè)定器(TOFMS)，在其與離子出口流體連通的一端限定離子加速區(qū)，和在與該端相對(duì)的一端限定離子檢測(cè)器，該離子加速區(qū)和離子檢測(cè)器限定在其間且垂直于第一軸的第二軸。
按照本發(fā)明的另一方案，產(chǎn)生離子質(zhì)譜信息的方法包括下列步驟產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)；沿第一軸及時(shí)分離氣態(tài)離子團(tuán)，形成多個(gè)離子組，各離子組具有與其有關(guān)的單一離子遷移率；在第一離子阱中順序收集離子組并從第一離子阱釋放離子組；沿第二軸順序地及時(shí)分離來(lái)自第一離子阱的至少一些離子組，形成多個(gè)離子小組，各離子小組有與其相關(guān)的單一離子質(zhì)量；和處理至少一些離子小組，由此確定質(zhì)譜信息。實(shí)施上述方法的最佳裝置包括從樣品源產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)的單元；離子遷移率譜測(cè)定器(IMS)，在其與用于產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)的單元流體連通的一端限定離子入口，和在與該端相對(duì)的一端限定離子出口，其中離子入口和出口限定其間的第一軸；離子阱，限定其與IMS的離子出口流體連通的離子入口和離子出口；和質(zhì)譜測(cè)定器(MS)，在其與離子阱的離子出口流體連通的一端限定離子加速區(qū)，和在與該端相對(duì)的一端限定離子檢測(cè)器，其中離子加速區(qū)和離子檢測(cè)器限定在其間的第二軸。
按照本發(fā)明的另一實(shí)施例，產(chǎn)生離子質(zhì)譜信息的方法包括下列步驟從樣品源產(chǎn)生氣態(tài)離子；在離子阱中至少收集一些所產(chǎn)生的離子；多次重復(fù)產(chǎn)生和收集步驟，由此在離子阱中形成氣態(tài)離子團(tuán)；從離子阱釋放氣態(tài)離子團(tuán)；沿第一軸及時(shí)分離氣態(tài)離子團(tuán)，形成多個(gè)離子組，各離子組具有與其有關(guān)的單一離子離子遷移率；沿第二軸及時(shí)分離至少一些離子組，形成多個(gè)離子小組，各離子小組與其有關(guān)的單一離子質(zhì)量；和處理至少一些的離子小組，由此確定質(zhì)譜信息。實(shí)施上述方法的最佳裝置包括從樣品源產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)的單元；第一離子阱，限定與用于產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)的該單元流體連通的離子入口，和離子出口；離子遷移率譜測(cè)定器(IMS)，在其與所述第一離子阱的離子入口流體連通的一端限定離子入口，和在與該端相對(duì)的一端限定離子出口，該離子入口和出口限定其間的第一軸；和質(zhì)譜測(cè)定器(MS)，在其與IMS的離子出口流體連通的一端限定離子加速區(qū)，和在與該端相對(duì)的一端限定離子檢測(cè)器，離子加速區(qū)和離子檢測(cè)器限定在其間的第二軸。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供用于大生命分子的迅速分析和排序以及有機(jī)和無(wú)機(jī)分子混合物分析的儀器。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用于生命分子的成分、序列和結(jié)構(gòu)分析的混合離子遷移率和飛行時(shí)間譜測(cè)定儀器。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是使這種儀器最佳化，以提供靈敏和清晰的離子遷移率譜和離子質(zhì)譜。
根據(jù)下述最佳實(shí)施例，將更加明白本發(fā)明的這些和其它目的。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明圖1是細(xì)胞色素e和溶菌酶的MALDI-TOF質(zhì)譜。
圖2是具有不同碰撞橫截面的三個(gè)離子的IMS漂移時(shí)間分布。
圖3是相對(duì)漂移時(shí)間所繪制的質(zhì)譜，表示飛行時(shí)間質(zhì)譜測(cè)定器的有限分辨率。
圖4是按照本發(fā)明的混合離子遷移率和飛行時(shí)間質(zhì)譜測(cè)定儀器的一個(gè)實(shí)施例的示意性剖面圖。
圖5是按照本發(fā)明的混合離子遷移率和飛行時(shí)間質(zhì)譜測(cè)定儀器的另一個(gè)實(shí)施例的示意性剖面圖。
圖6是利用圖4或圖5的混合儀器的低聚胸苷(oligothymidine)的離子飛行時(shí)間相對(duì)離子漂移時(shí)間的曲線。
圖7A是用于圖4和5所示混合儀器中任一個(gè)的離子源的一個(gè)最佳實(shí)施例的示意圖。
圖7B是用于圖4和5所示混合儀器中任一個(gè)的離子源的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
圖7C是用于圖4和5所示混合儀器中任一個(gè)的離子源的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
圖8A是在離子源與IMS儀器之間不設(shè)置離子阱的情況下IMS儀器的離子強(qiáng)度相對(duì)離子漂移時(shí)間的曲線。
圖8B是在離子源與IMS儀器之間設(shè)置離子阱的情況下IMS儀器的離子強(qiáng)度相對(duì)離子漂移時(shí)間的曲線。
最佳實(shí)施例的描述為了有利于理解本發(fā)明原理的目的，下面涉及在附圖中所展示的實(shí)施例并用特定術(shù)語(yǔ)來(lái)描述該實(shí)施例。然而應(yīng)該理解，并不由此限定本發(fā)明的范圍，本領(lǐng)域的技術(shù)人員仍可對(duì)所展示的裝置做出變更和進(jìn)一步的修改，以及對(duì)本發(fā)明原理的進(jìn)一步的應(yīng)用。
下面參照?qǐng)D4，圖4示出按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的混合離子遷移率和飛行時(shí)間質(zhì)譜測(cè)定儀器30。作為其基本部分，儀器30包括與離子遷移率譜測(cè)定器34連通的離子源區(qū)32，其中測(cè)定器34本身還與質(zhì)譜儀36相通。配置計(jì)算機(jī)38，用以至少控制儀器30的某些部分和用以收集來(lái)自質(zhì)譜儀36的離子信息。計(jì)算機(jī)38最好是至少具有公知的386處理器的已知結(jié)構(gòu)的個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)，盡管本發(fā)明預(yù)期計(jì)算機(jī)38可以是如下所詳述的能夠控制儀器30和收集并處理來(lái)自質(zhì)譜儀36的離子信息的任何已知的計(jì)算機(jī)、控制器或數(shù)據(jù)處理器。
最好，質(zhì)譜儀36是線性飛行時(shí)間型，盡管本發(fā)明預(yù)期質(zhì)譜儀36還可以是反射飛行時(shí)間質(zhì)譜儀或傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜儀(FTICR-MS)。在一個(gè)最佳實(shí)施例中，通過(guò)使初始離子位置和初始離子速度分布的有害作用最小，TOFMS 36構(gòu)成為最大質(zhì)譜分辨率。這種TOFMS結(jié)構(gòu)和操作的細(xì)節(jié)披露于Reilly等人的美國(guó)專利5504326和5510613，該專利已受讓給本發(fā)明的受讓人，其內(nèi)容在本文中引證作為參考。
離子遷移率譜測(cè)定器(IMS)34包括漂移管40，具有與管子40的離子出口端44相鄰設(shè)置的氣體出入口42，其中出入口42與緩沖氣體源46連接。緩沖氣體的流速可由計(jì)算機(jī)38通過(guò)信號(hào)通路48來(lái)控制，或者還可以由手動(dòng)閥(未示出)來(lái)控制。漂移管40的離子出口端44包括附著于上的端板43，其中端板43限定開(kāi)口或離子通過(guò)孔45。
漂移管40包括沿其內(nèi)表面分布的多個(gè)護(hù)圈50，用等值的電阻器(未示出)互連護(hù)圈50。最鄰近于離子源區(qū)32設(shè)置的護(hù)圈通過(guò)信號(hào)通路54與電壓源VS1 52連接，最好用計(jì)算機(jī)38通過(guò)信號(hào)通路56控制源52，盡管本發(fā)明預(yù)期通過(guò)手動(dòng)器(未示出)控制源52。漂移管40限定從其穿過(guò)的縱軸72，以下稱其為漂移管軸72。電壓源52最好設(shè)置為正電壓，由此建立沿軸72指向箭頭55所示方向的恒定電場(chǎng)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，護(hù)圈和測(cè)定器34的電壓源配置的重要性不在于其具體的結(jié)構(gòu)，而在于其能夠盡可能精確地建立按箭頭55的方向的恒定電場(chǎng)。在這個(gè)意義上說(shuō)，本發(fā)明預(yù)期可用任何已知的結(jié)構(gòu)或配置，在漂移管40內(nèi)沿箭頭55的方向建立這樣的電場(chǎng)。但是，應(yīng)該理解，沿箭頭55的方向建立恒定電場(chǎng)，加速正電荷離子朝向管子端部44，這樣的電場(chǎng)可以反相，由此朝向管子端部44加速負(fù)電荷離子。
漂移管40可以任意由可變溫度室58包圍，可變溫度室58通過(guò)通路62與可變溫度源60連接，可變溫度室58和可變溫度源60用虛影線示出。在一個(gè)實(shí)施例中，可變溫度源60是流體貯放罐，通路62是導(dǎo)向室58的管道，在本例中最好帶有刻度。返回的管道(未示出)還與流體貯放罐連接，以便來(lái)自罐內(nèi)的流體可以循環(huán)流過(guò)室58。在流體貯放罐內(nèi)的流體可以是加熱的或冷卻的氣體或液體，例如液氮。在另一實(shí)施例中，可變溫度源60是已知的電動(dòng)溫度控制器，通路62包括一對(duì)連接在控制器與室58之間的導(dǎo)電體。操作中，操作溫度控制器，根據(jù)需要加熱或冷卻室58。不管室58、源60和通路62的特定實(shí)施例如何，本發(fā)明預(yù)期源60也通過(guò)信號(hào)通路64受計(jì)算機(jī)38控制。
漂移管40還被室70包圍，室70限定覆蓋離子進(jìn)入端的管子端部66，其中管子端部66限定從其通過(guò)的開(kāi)口或離子孔68，和與端板43相鄰的離子出口或孔84。最好，離子光學(xué)部件47設(shè)置在開(kāi)口45與84之間，將離子出口45聚焦成TOFMA 36的離子加速區(qū)域。開(kāi)口45、68和84最好由漂移管的軸72截分。以下將詳細(xì)說(shuō)明的離子源74設(shè)置在離子源區(qū)32內(nèi)并且是可操作的，最好通過(guò)信號(hào)通路76的數(shù)字N由計(jì)算機(jī)38進(jìn)行控制，以在譜測(cè)定器34中通過(guò)開(kāi)口68引導(dǎo)離子，其中N可以是任何正整數(shù)。如下所述，進(jìn)入漂移管40的離子及時(shí)作為其各自遷移率的函數(shù)分離，并順序地通過(guò)開(kāi)口70到達(dá)TOFMA36。
室70包括控制緩沖氣體壓力的泵80。泵80最好是擴(kuò)散泵，其操作可通過(guò)信號(hào)通道82由計(jì)算機(jī)38控制。另外，用普通的手動(dòng)泵致動(dòng)器(未示出)可手工操作泵。在任何情況下，泵80都可操作以在漂移管40內(nèi)建立靜態(tài)緩沖器氣體的預(yù)定壓力。按照已知的IMS技術(shù)，漂移管40內(nèi)的緩沖氣體一般設(shè)置在約一千和幾千乇之間的范圍內(nèi)。
TOFMS 36最好由連接于IMS 34的室126包圍。TOFMS 36包括通過(guò)信號(hào)通道90與第二電壓源VS2 88連接的第一導(dǎo)電格柵或板86，最好用計(jì)算機(jī)38通過(guò)信號(hào)通道92控制第二電壓源VS2 88。第二導(dǎo)電格柵或板94通過(guò)信號(hào)通道98與第三電壓源VS3 96連接，最好用計(jì)算機(jī)38通過(guò)信號(hào)通道100控制第三壓源VS3 96。第三導(dǎo)電格柵或板102通過(guò)信號(hào)通道106與第四電壓源VS4連接，最好用計(jì)算機(jī)38通過(guò)信號(hào)通道108控制第四電壓源VS4。正如現(xiàn)有技術(shù)，格柵或板86、94和102限定在其之間的第一和第二離子加速區(qū)域，下面將更詳細(xì)地說(shuō)明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，按TOFMS 36可使用其它公知的離子加速區(qū)域結(jié)構(gòu)，例如在格柵或板94與102之間設(shè)置第四格柵或板。
格柵或板102有與飛行管110的一端連接的板表面，其相對(duì)端連接于第四導(dǎo)電格柵或板112的表面。與格柵或板112相鄰地設(shè)置離子檢測(cè)器116，并在它們之間形成氣隙114。離子檢測(cè)器116通過(guò)信號(hào)通道120與第五電壓源VS5 118連接，最好用計(jì)算機(jī)38通過(guò)信號(hào)通道122控制第五電壓源VS5 118。離子檢測(cè)器116還具有通過(guò)信號(hào)通道124與計(jì)算機(jī)38連接的信號(hào)輸出端，從而可操作離子檢測(cè)器116，將離子到達(dá)時(shí)間信息提供給計(jì)算機(jī)38。格柵或板86、94、102和112最好按相互并列的關(guān)系設(shè)置，以便具有最大表面面積的所有板表面彼此平行，并且最好還與離子檢測(cè)器116的表面平行，最好還垂直于從中心穿過(guò)飛行管110的縱軸128，以下稱該縱軸128為飛行管軸128。
TOFMS 36還包括泵130，用以控制由室126限定的TOFMS腔室的真空度。泵130最好為擴(kuò)散泵，用計(jì)算機(jī)38通過(guò)信號(hào)通道132控制其操作?；蛘撸部梢杂檬謩?dòng)泵致動(dòng)器手工控制泵。在任何情況下，按照公知的TOFMS操作技術(shù)可操作泵130，建立設(shè)定在大約10-4與10-10乇的范圍內(nèi)的預(yù)定真空。
在示于圖4中的儀器30中，最好相對(duì)于IMS 34設(shè)置TOFMS 36，以便飛行管軸128垂直于漂移管軸72。并且，TOFMS 36最好這樣相對(duì)于IMS 34來(lái)設(shè)置，以使漂移管軸72和飛行管軸128在由格柵或板86與94之間限定的第一加速區(qū)內(nèi)相交。在TOFMS 36的另一個(gè)結(jié)構(gòu)中，可省略格柵或板94，并需要這樣相對(duì)于IMS 34設(shè)置TOFMS 36，以使漂移管軸72與飛行管軸128在由格柵或板86與102之間限定加速區(qū)內(nèi)相交。在每一種情況下，TOFMS最好都相對(duì)于IMS 34設(shè)置，以使漂移管軸72與飛行管軸128在預(yù)定區(qū)域內(nèi)大致中心處相交。
在儀器30的操作中，按照后述的一個(gè)或多個(gè)離子產(chǎn)生技術(shù)，由離子源74產(chǎn)生離子，并通過(guò)IMS入口68將離子供給IMS 34。通常用于離子遷移率譜測(cè)定器34的緩沖氣體通過(guò)緩沖氣體源46提供給漂移管40，其中通過(guò)泵80、緩沖氣體源46或其組合將緩沖氣體調(diào)節(jié)到預(yù)定壓力。一般地，將緩沖氣體調(diào)節(jié)到大約1與幾千乇之間的壓力。電壓源52提供一電壓，該電壓足以在用箭頭55所示的方向上沿漂移管軸產(chǎn)生恒定電場(chǎng)。
按照公知的IMS 34的操作，進(jìn)入IMS入口68的離子穿過(guò)漂移管40達(dá)到IMS出口84，其中這些離子根據(jù)其遷移率及時(shí)分離。具有低遷移率的離子滯后于具有較高遷移率的那些離子，其中離子遷移率很大程度上是其碰撞橫截面的函數(shù)。結(jié)果，更密實(shí)的離子比松散離子更快地到達(dá)IMS出口84。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，通過(guò)可變溫度源60也可控制漂移管40的溫度，從而可作為溫度的函數(shù)分析離子遷移率。
可操作TOFMS 36，將來(lái)自格柵或板86與94之間的空間的離子朝向無(wú)場(chǎng)飛行管110加速，其中這些離子按照各自的質(zhì)量及時(shí)分離。通常，具有較低質(zhì)量的離子將比具有較高質(zhì)量的那些離子更快地達(dá)到檢測(cè)器116?？刹僮鳈z測(cè)器116，檢測(cè)離子的到達(dá)時(shí)間并通過(guò)信號(hào)通道124提供相應(yīng)的信號(hào)給計(jì)算機(jī)38。
正如在此引證以供參考的Reilly等人的美國(guó)專利5504326和5510613中的更詳細(xì)披露，一般通過(guò)計(jì)算機(jī)38控制電壓源VS2 88、VS3 96和VS4 104，在格柵或板86、94和102上最初建立電壓，該電壓與相關(guān)于IMS 34的電壓(由電壓源VS1 52設(shè)定)匹配。取決于各種儀器參數(shù)，例如飛行管110的長(zhǎng)度，格柵或板86、94和102之間的距離，格柵或板112與檢測(cè)器116之間的距離114，以及在格柵或板86與94之間的空間內(nèi)初始離子位置或初始離子速度的估算，可操作計(jì)算機(jī)38，控制源88、96和/或104，暫時(shí)增加格柵或板86、94和102之間的電場(chǎng)，由此在它們之間產(chǎn)生離子抽吸(drawout)電場(chǎng)，該電場(chǎng)朝向飛行管110加速在這些格柵之間的離子。脈動(dòng)的離子抽吸電場(chǎng)最好在從格柵或板86朝向飛行管110的方向上，由此朝向飛行管110加速帶正電荷的離子?？墒?，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，該電場(chǎng)也可以被反向，以朝向飛行管110加速帶負(fù)電荷的離子。
無(wú)論如何，在格柵或板86與94之間的空間內(nèi)的離子被脈動(dòng)的離子抽吸電場(chǎng)加速到格柵或板94與102之間的空間。由于這樣的事實(shí)，沿軸72進(jìn)入格柵或板86與94之間的區(qū)域的離子具有窄的空間分布，由于離子通過(guò)離子光學(xué)部件47進(jìn)入該區(qū)域和沿軸128的較小速度成分，因而可以按這樣的方式選擇施加給格柵或板86和/或94的脈動(dòng)電壓，以獲得尖銳的TOFMS峰。脈動(dòng)的離子抽吸電場(chǎng)和隨后加速在格柵或板94和102之間的離子的目的是，為到達(dá)格柵或板102的所有離子提供大體相同的動(dòng)能。飛行管110沒(méi)有與此相關(guān)的電場(chǎng)，以便離子從格柵或板102漂移到檢測(cè)器116，其中如上所述，離子作為其各自質(zhì)量的函數(shù)及時(shí)地分離。計(jì)算機(jī)38一般控制電壓源VS5 118，以在檢測(cè)期間提供電壓，從而如現(xiàn)有技術(shù)所知的那樣，增加檢測(cè)器16的增益。
泵130控制TOFMS 36內(nèi)的真空，泵130最好通過(guò)信號(hào)通道132由計(jì)算機(jī)38進(jìn)行控制。TOFMS 36一般工作在10-4和10-10乇之間。
在示于圖4中的混合IMS/TOFMS儀器的實(shí)施例30中，漂移管軸72最好平分在TOFMS 36的格柵或板86和94之間的空間，并垂直于飛行管軸128，作為選擇，本發(fā)明還預(yù)期相對(duì)IMS 34設(shè)置TOFMS 36，使漂移管軸72垂直于飛行管軸128地穿過(guò)格柵或板86和94之間，但相對(duì)于格柵或板86和94中任一個(gè)以某一其它的已知距離。在每一種情況下，TOFMS 36相對(duì)于IMS 34的上述結(jié)構(gòu)位置均優(yōu)于漂移管軸72相對(duì)于飛行管軸128非垂直的設(shè)置。例如，這樣的垂直設(shè)置確保從IMS 34進(jìn)入格柵或板86和94之間的離子加速區(qū)中的離子組(packets)恒定并當(dāng)它們沿軸72穿過(guò)其間時(shí)較好地限定初始離子位置。如上簡(jiǎn)要說(shuō)明的那樣，離子光學(xué)部件47將離子聚焦進(jìn)入加速區(qū)中，從而減小離子的空間分布。并且，由于軸72與格柵或板86和94平行，相對(duì)于軸128的離子位置將保持相對(duì)恒定。該特征提供了準(zhǔn)確地評(píng)估在格柵或板86和94之間的離子加速區(qū)中初始離子位置的能力，因而允許更準(zhǔn)確地評(píng)估上述脈動(dòng)離子抽吸電場(chǎng)。
最好，計(jì)算機(jī)38控制從離子源74產(chǎn)生的離子，如以下更詳細(xì)的討論，以便計(jì)算機(jī)38掌握離子被導(dǎo)入IMS 34的時(shí)間，以下稱該導(dǎo)入為離子導(dǎo)入事件。計(jì)算機(jī)38操作控制電壓源88和96，對(duì)每一個(gè)離子導(dǎo)入事件重復(fù)某一次數(shù)地提供脈動(dòng)離子抽吸電場(chǎng)。在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)每一個(gè)離子導(dǎo)入事件重復(fù)提供512次脈動(dòng)離子抽吸電場(chǎng)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，對(duì)每一個(gè)離子導(dǎo)入事件提供的脈動(dòng)離子抽吸電場(chǎng)次數(shù)與儀器30的最終分辨率成正比。由于該脈動(dòng)操作與TOFMS 36相對(duì)于IMS 34的垂直位置的某些優(yōu)點(diǎn)有關(guān)，因而這樣的配置使一個(gè)離子組的全體或部分未被處理地由此穿過(guò)TOFMS 36的可能性最小。由于離子組行進(jìn)的方向與格柵或板86和94以及離子抽吸電場(chǎng)的脈動(dòng)屬性有關(guān)，因而TOFMS 36將有多個(gè)機(jī)會(huì)，當(dāng)各離子組沿軸72行進(jìn)時(shí)可朝向檢測(cè)器116加速各離子組。由此，儀器30被構(gòu)成為對(duì)檢測(cè)器116提供最大離子通過(guò)量。
參照?qǐng)D5，示出按照本發(fā)明的另一個(gè)混合離子遷移率和飛行時(shí)間質(zhì)譜測(cè)定儀器150的實(shí)施例。譜儀150在許多方面與圖4所示并且上述的儀器30相似，用與以前相同的數(shù)字表示相同的元件。為了簡(jiǎn)要的目的，以下將不再重復(fù)有關(guān)共同元件的討論以及IMS 34和TOFMS 36′的基本操作。
與圖4中的儀器30不同，儀器150的TOFMS 36′相對(duì)于IMS 34這樣設(shè)置，使漂移管軸72還限定TOFMS 36′的飛行管軸。另外，TOFMS36′還可相對(duì)IMS 34以任何方位這樣設(shè)置，以便漂移管軸72與飛行管軸不垂直。在任意的這種方位中，不能有任何精度地評(píng)估在格柵或板86′和94之間的空間內(nèi)的離子組的初始位置(如在圖示的方位中)或當(dāng)離子組沿軸72行進(jìn)時(shí)的變化(如任何非垂直排列)。并且，在任意的這種方位中，難以評(píng)估何時(shí)發(fā)生離子導(dǎo)入事件，即離子組何時(shí)將到達(dá)格柵或板86′和94之間的空間內(nèi)，和難以預(yù)測(cè)脈動(dòng)離子抽吸電場(chǎng)的定時(shí)。結(jié)果，脈動(dòng)離子抽吸電場(chǎng)很可能是錯(cuò)誤的，以致離子可能在TOFMS 36′內(nèi)損失和/或?qū)OFMS 36′的質(zhì)量分辨率產(chǎn)生不利影響。
為了解決上述有關(guān)TOFMS 36′相對(duì)IMS 34不垂直的問(wèn)題，該問(wèn)題是與上述背景技術(shù)部分中有關(guān)Gucvrcmont等人的系統(tǒng)有關(guān)的相同問(wèn)題，儀器150配有離子阱152，離子阱152可操作地設(shè)置于IMS 34的離子出口84與格柵或板86′和94之間的空間之間。在圖5所示的實(shí)施例中，格柵或板86′限定由此穿過(guò)且沿軸72與IMS 34的離子出口84對(duì)準(zhǔn)的離子入口178。在TOFMS 36′相對(duì)IMS 34不垂直的另一個(gè)配置中，由于離子可按與上述相對(duì)圖4所示儀器30的討論相同的方式進(jìn)入格柵或板86′和94之間的空間，因此可不要求離子入口178。
無(wú)論如何，離子阱最好是公知的具有第一端帽154、中心環(huán)162和第二端帽170的四極離子阱。各端帽154和170限定沿軸72對(duì)準(zhǔn)的由此通過(guò)的小孔。在這種配置中，離子阱152限制其中的離子在其中心達(dá)到小體積，該中心與到TOFMS 36′的離子入口對(duì)準(zhǔn)。第一端帽通過(guò)信號(hào)通道158與電壓源VS6 156連接，電壓源VS6 156本身通過(guò)信號(hào)通道160與計(jì)算機(jī)38連接。中心環(huán)通過(guò)信號(hào)通道166與電壓源VS7 164連接，電壓源VS7 164本身通過(guò)信號(hào)通道168與計(jì)算機(jī)38連接，第二端帽通過(guò)信號(hào)通道174與電壓源VS8 172連接，其中電壓源172通過(guò)信號(hào)通道176與計(jì)算機(jī)38連接。最好可操作電源156和172以產(chǎn)生直流電壓，同時(shí)可操作電源164以產(chǎn)生射頻范圍的交流電壓。
在操作中，計(jì)算機(jī)38控制電源156和172以偏置端帽154和170，使從IMS 34的出口84出去的離子正好有足夠的能量進(jìn)入第一端帽154中的開(kāi)口。一旦進(jìn)入其中，離子與從開(kāi)口84漏入阱152的緩沖氣體碰撞，并由此損失足夠的能量，以便在中心環(huán)162上的射頻電壓可操作限制阱152中的離子。受限的離子在阱152內(nèi)再次經(jīng)歷碰撞，因環(huán)162上的射頻電壓導(dǎo)致朝向環(huán)162中心的離子集中。只要維持端帽152和170以及環(huán)162上的電壓，那么離子便可進(jìn)入阱152收集于其中。通過(guò)斷開(kāi)中心環(huán)162上的射頻電壓并對(duì)端帽152或170中之一施加適當(dāng)?shù)闹绷髅}沖，離子便從阱152中排放出。例如，為了從阱152排放帶正電荷的離子的碰撞，在端帽152上的電壓可以脈動(dòng)到端帽170之上或端帽170的電壓上的電壓可以脈動(dòng)到端帽152上的電壓之下。通常，可以改變通過(guò)電源164施加給中心環(huán)的射頻電場(chǎng)的幅度以及包括在其中的任何直流電壓，從而選擇任何預(yù)定質(zhì)量電荷比的離子被離子阱152收集。通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇由電壓源164提供的直流電平和射頻峰值，在離子阱152中可選擇收集所有質(zhì)量電荷比的離子或任何特定質(zhì)量電荷比的離子。
由于它與本發(fā)明有關(guān)，因而可用計(jì)算機(jī)38控制離子阱152，從其中周期性地排放收集的離子組，以下稱其為離子排放事件，以便對(duì)格柵或板86′和94之間的空間內(nèi)的初始離子位置提供更準(zhǔn)確的評(píng)估。由于計(jì)算機(jī)38控制收集的離子組從離子阱152排放的時(shí)間，因而可準(zhǔn)確地評(píng)估離子組到達(dá)格柵或板86′和94之間的空間中指定位置的時(shí)間。掌握有關(guān)離子排放事件的大致時(shí)間，即離子組到達(dá)格柵或板86′和94之間指定位置的時(shí)間，計(jì)算機(jī)38使可更準(zhǔn)確地評(píng)估脈動(dòng)離子抽吸電場(chǎng)的適當(dāng)應(yīng)用時(shí)間，從而提供如上所述的最大質(zhì)量分辨率。并且，對(duì)脈動(dòng)離子抽吸電場(chǎng)的定時(shí)提供更準(zhǔn)確的評(píng)估可減小離子組或至少其一部分在TOFMS 36′內(nèi)的損失的可能性。
在質(zhì)譜測(cè)定器150的操作中，可操作IMS 34，通過(guò)離子出口84把作為離子遷移率的函數(shù)及時(shí)地分離的離子組提供給TOFMS 36′。計(jì)算機(jī)38控制離子阱152，一次一個(gè)地收集其中的各種離子組，并以預(yù)定間隔從其中排放每一個(gè)收集的離子組。排放的離子進(jìn)入上述格柵或板86′和94之間的空間，操作計(jì)算機(jī)38，根據(jù)離子排放事件的定時(shí)計(jì)算施加脈動(dòng)離子抽吸電場(chǎng)的適當(dāng)時(shí)間。此后如上所述那樣操作TOFMS36′，產(chǎn)生質(zhì)譜信息。
下面參照?qǐng)D6，示出低聚胸苷樣品的離子飛行時(shí)間與離子漂移時(shí)間之間的關(guān)系曲線190，其中利用儀器30或150產(chǎn)生所示數(shù)據(jù)。作為與圖3的曲線的比較，顯然可操作混合離子遷移率和飛行時(shí)間質(zhì)譜測(cè)定儀器，分辨在兩個(gè)基本垂直的方向上分子的結(jié)構(gòu)信息。對(duì)于相應(yīng)于到達(dá)對(duì)應(yīng)離子的TOFMS中的各漂移時(shí)間，可操作本發(fā)明的儀器，以相應(yīng)于質(zhì)量電荷比的數(shù)量，分辨飛行時(shí)間的數(shù)量。圖6的曲線190表示儀器30的總分辨力明顯地好于單獨(dú)利用IMS或TOFMS所實(shí)現(xiàn)的結(jié)果。該技術(shù)明顯地減少了在獲得大生命分子(超過(guò)50殘基)序列的信息中因質(zhì)量峰重疊造成的質(zhì)譜擁擠的問(wèn)題。因而本發(fā)明提供用于生命分子的組成、序列和結(jié)構(gòu)分析的儀器，該儀器沒(méi)有與在背景技術(shù)部分中討論的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)有關(guān)的缺點(diǎn)。
下面參照?qǐng)D7A，示出用于圖4和圖5的儀器實(shí)施例中任一個(gè)的離子源74的一個(gè)最佳實(shí)施例74′。實(shí)施例74′包括內(nèi)裝樣品202的腔室200，并且該腔室具有由此伸出的光學(xué)窗口206。輻射源204通過(guò)信號(hào)通道76A與計(jì)算機(jī)38電連接，并構(gòu)成為通過(guò)光學(xué)窗口206引導(dǎo)輻射，從而照射樣品202。腔室200可包括與由此延伸到泵208的管道，其中用計(jì)算機(jī)38通過(guò)信號(hào)通道76B控制該泵。
離子源74′是已知的MALDI結(jié)構(gòu)，其中操作最好是激光器的輻射源204，以吸收來(lái)自樣品202表面的氣體離子。操作計(jì)算機(jī)38，控制激光204的輻射時(shí)間，從而控制樣品的離子化事件。由腔室202的內(nèi)部結(jié)構(gòu)將解吸的離子引導(dǎo)到IMS 34的離子入口68。按照本發(fā)明，樣品202是諸如DNA、RNA之類的任何尺寸和各種蛋白質(zhì)、碳水化合物、復(fù)合糖等的生命分子?？煽刂票?08，對(duì)腔室208加壓，從而如現(xiàn)有技術(shù)的高壓MALDI分析。
下面參照?qǐng)D7B，示出用于圖4和圖5的儀器實(shí)施例中任一個(gè)的離子源74的另一個(gè)供選擇的實(shí)施例74″。實(shí)施例74″包括液化樣品220，該樣品有朝向解吸區(qū)域226中開(kāi)口的噴射管或嘴222。正如現(xiàn)有技術(shù)，可手工控制噴射嘴222的開(kāi)動(dòng)，或可以用計(jì)算機(jī)38通過(guò)信號(hào)通道76C控制。去溶解區(qū)域226通過(guò)信號(hào)通道76C′與計(jì)算機(jī)38連接，并且可操作，以把其上帶有電荷的樣品滴通過(guò)噴射222轉(zhuǎn)換為氣體離子并將這些離子提供給離子光學(xué)部件228?？刹僮鞴鈱W(xué)部件230，以聚焦氣態(tài)離子并將它們導(dǎo)入IMS 34的離子入口。離子源區(qū)32包括由此延伸到泵232的管道，可用計(jì)算機(jī)38通過(guò)信號(hào)通道76D控制該泵。
離子源74″是已知的能夠?qū)瑯悠返囊夯芤恨D(zhuǎn)換成氣態(tài)離子的電子噴射離子化(ESI)結(jié)構(gòu)。操作計(jì)算機(jī)38，控制去溶解(desolvation)區(qū)域226的激活時(shí)間，從而控制樣品的離子化事件。可操作泵232，正如現(xiàn)有技術(shù)，對(duì)離子源區(qū)32增壓，并可操作去溶解區(qū)域226，將液化溶液轉(zhuǎn)換成氣體離子。按照本發(fā)明，樣品源220可包括包含諸如DNA、RNA之類的任何尺寸和各種蛋白質(zhì)、碳水化合物、復(fù)合糖等的生命分子。
下面參照?qǐng)D7C，示出用于圖4和圖5的儀器實(shí)施例中任一個(gè)的離子源74的另一個(gè)供選擇的實(shí)施例74。實(shí)施例74包括樣品源236，它可以是示于圖7A或7B中的上述樣品源74′或74″中的任一個(gè)，并且可以如上所述用計(jì)算機(jī)38通過(guò)信號(hào)通道76E的數(shù)字M控制，其中M可以是任何小于N的整數(shù)(參見(jiàn)圖4和5)。
離子源74還包括設(shè)置于離子源236與IMS 34的離子入口68之間的離子阱152。離子阱152最好是與圖5所示以及上述的阱相同的已知四極離子阱。因此在這里不需要重復(fù)有關(guān)離子阱152操作的詳細(xì)討論。端帽154通過(guò)信號(hào)通道240與電壓源VS9 238連接，中心環(huán)通過(guò)信號(hào)通道244與電源VS10 242連接。各端帽170通過(guò)信號(hào)通道248與電壓源VS11 246連接，VS9、VS10和VS11通過(guò)信號(hào)通道76F、76G和76H分別與計(jì)算機(jī)38連接?？刹僮饔?jì)算機(jī)38，與參照?qǐng)D5的VS6、VS7和VS8的所述控制相同地控制VS9、VS10和VS11。
在操作中，以與上述相同的方式操作計(jì)算機(jī)38，控制離子阱52，在其內(nèi)收集離子團(tuán)，并選擇地將收集的離子排放到IMS 34的離子入口68。正如現(xiàn)有技術(shù)，離子遷移率儀器例如IMS 34的峰分辨率受離子進(jìn)入儀器的輸入脈沖長(zhǎng)度的限制。通常，不可能優(yōu)于輸入離子脈沖的時(shí)間長(zhǎng)度地分辨遷移率峰。有關(guān)ESI使用的特殊缺陷在于，輸入離子脈沖寬度一般必須至少為50μs數(shù)量級(jí)，以產(chǎn)生供分析的足夠離子?？墒牵檬居趫D7C中的離子源配置74，可操作計(jì)算機(jī)38，在將離子脈動(dòng)入IMS 34中之前，在離子阱152內(nèi)收集大量的離子。因收集在離子阱152中的足夠量的離子，因而對(duì)離子輸入脈沖長(zhǎng)度和因此的IMS 34的分辨能力的限制僅是要求打開(kāi)和關(guān)閉離子阱152的時(shí)間。利用該離子阱，離子輸入脈沖長(zhǎng)度的持續(xù)時(shí)間可減小到低于1μs。
圖8A和8B表示對(duì)于maltotetrsose樣品的離子遷移率分布的比較，其中圖8A的頻譜250是使用與圖7B中所示類似的ESI源產(chǎn)生的，具有20μs持續(xù)時(shí)間的100083輸入脈沖。圖8B的頻譜252是使用與圖8A相同的ESI源并具有例如示于圖7C中的離子阱152之類的離子阱產(chǎn)生的，具有1μs持續(xù)時(shí)間的4003脈沖。與頻譜250相比，頻譜252的信號(hào)強(qiáng)度增加到4-5倍，分辨率增加到約20倍，和信噪比增加到約20。
再參照?qǐng)D7C，可使用帶有任何已知離子產(chǎn)生源的離子阱152，不僅IMS 34的分辨率和靈敏度增加，而且圖4和5的混合儀器30或150的分辨率和靈敏度也增加。
應(yīng)該理解，這里所圖示和描述的混合離子遷移率和飛行時(shí)間質(zhì)譜測(cè)定器可按許多不同的操作模式操作。例如，已按照第一操作模式說(shuō)明了本發(fā)明各實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和操作，其中產(chǎn)生相對(duì)低能量的離子并且排放入混合儀器中，由此可獲得與離子相關(guān)的結(jié)構(gòu)信息。
在第二操作模式中，這樣的離子可以較高的能量排放入混合儀器中，其中高能量離子與緩沖氣體在IMS 34中碰撞，導(dǎo)致離子破裂。在這種情況下，作為其遷移率的函數(shù)及時(shí)分離的離子碎片，被提供給儀器的TOFMS部分，其中可獲得用于序列分析的各碎片的質(zhì)譜信息。另外，用于這種分析的離子碎片通過(guò)其它大量的已知技術(shù)實(shí)現(xiàn)。這種已知的另一種離子碎片技術(shù)的實(shí)例包括cnzymc退化碎片、光碎片、諸如通過(guò)控制可變溫度源60來(lái)加熱漂移管40的熱分裂、電沖擊分裂、表面導(dǎo)入分裂和黑體紅外輻射產(chǎn)生的分裂。
在第三操作模式中，僅僅特定質(zhì)量的離子可由混合儀器處理。僅產(chǎn)生特定質(zhì)量的離子的一種方法是調(diào)節(jié)設(shè)置于IMS 34之前的離子阱中心環(huán)的電壓源峰值幅度和/或直流電壓。通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)該電壓，離子阱152可構(gòu)成為在其內(nèi)僅存儲(chǔ)具有特定質(zhì)量電荷比的離子。以這種方式，控制離子阱152，用作離子過(guò)濾器。僅分析特定質(zhì)量的離子的另一種方法是在IMS 34與TOFMS 36之間提供離子阱152，控制離子阱152，正如剛才所述的那樣，濾出具有預(yù)定質(zhì)量電荷比的離子。
在第四操作模式中，僅有特定質(zhì)量的高能離子被引入IMS 34中。在那里，這些離子被分成碎片，然后由TOFMS 36如上所述對(duì)這種碎片再進(jìn)行處理。
盡管在附圖和上述描述中已詳細(xì)展示和說(shuō)明了本發(fā)明，但同樣應(yīng)該理解為其僅是示意性的，并不限制其特征，還應(yīng)該理解，僅示出和說(shuō)明了最佳實(shí)施例，落入本發(fā)明的精神內(nèi)的所有變化和修改都將得到保護(hù)。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生離子質(zhì)譜信息的方法，包括下列步驟產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)；沿第一軸及時(shí)分離氣態(tài)離子團(tuán)，形成多個(gè)離子組，各離子組具有與其相關(guān)的單一離子遷移率；沿垂直于第一軸的第二軸順序地及時(shí)分離至少一些離子組，形成多個(gè)離子小組，各離子小組具有與其相關(guān)的單一離子質(zhì)量；和處理至少一些離子小組，由此確定質(zhì)量的特定信息。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)的步驟包括由液化生物樣品離子團(tuán)。
3.如權(quán)利要求2的方法，其中由液化生物樣品產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)的步驟包括通過(guò)電噴離子化產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中產(chǎn)生離子的步驟包括從生物樣品表面解吸氣態(tài)離子團(tuán)。
5.如權(quán)利要求4的方法，其中從生物樣品表面解吸氣態(tài)離子團(tuán)的步驟包括通過(guò)激光解吸離子化產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)的步驟包括下列步驟由樣品源產(chǎn)生氣態(tài)離子；在離子阱中至少收集一些所產(chǎn)生的離子；多次重復(fù)產(chǎn)生和收集步驟，由此在離子阱中形成氣態(tài)離子團(tuán)；和從離子阱釋放氣態(tài)離子團(tuán)。
7.如權(quán)利要求6的方法，其中由樣品源產(chǎn)生氣態(tài)離子的步驟包括從生物樣品產(chǎn)生氣態(tài)離子。
8.如權(quán)利要求7的方法，其中從生物樣品產(chǎn)生氣態(tài)離子的步驟包括通過(guò)電噴離子化從生物樣品產(chǎn)生氣態(tài)離子。
9.如權(quán)利要求7的方法，其中從生物樣品產(chǎn)生氣態(tài)離子的步驟包括通過(guò)激光解吸離子化從生物樣品產(chǎn)生氣態(tài)離子。
10.一種從樣品源產(chǎn)生質(zhì)譜信息的裝置，包括從樣品源產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)的單元；離子遷移率譜測(cè)定器(IMS)，在其與用于產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)的所述單元流體連通的一端限定離子入口，和在與該端相對(duì)的一端限定離子出口，所述離子入口和出口限定其間的第一軸；和飛行時(shí)間質(zhì)譜測(cè)定器(TOFMS)，在其與所述離子出口流體連通的一端限定離子加速區(qū)，和在與該端相對(duì)的一端限定離子檢測(cè)器，所述離子加速區(qū)和所述離子檢測(cè)器限定在其間且垂直于所述第一軸的第二軸。
11.如權(quán)利要求10的裝置，還包括控制單元，用于控制產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)的所述單元和控制所述離子加速區(qū)。
12.如權(quán)利要求11的裝置，其中產(chǎn)生離子團(tuán)的所述單元響應(yīng)于由所述控制單元提供的第一信號(hào)，產(chǎn)生所述離子團(tuán)，所述加速區(qū)響應(yīng)于由所述控制單元提供的第二信號(hào)，激活所述加速區(qū)。
13.如權(quán)利要求12的裝置，其中可操作所述離子檢測(cè)器，產(chǎn)生表示在此檢測(cè)的離子的檢測(cè)器輸出信號(hào)；用于控制的所述控制單元響應(yīng)于所述檢測(cè)器輸出信號(hào)，計(jì)算與此相應(yīng)的離子質(zhì)譜信息。
14.如權(quán)利要求10的裝置，其中所述IMS還包括位于所述離子入口和出口之間的漂移管，所述第一軸延伸過(guò)所述漂移管并限定漂移管軸；所述TOFMS還包括位于所述離子加速區(qū)與所述離子檢測(cè)器之間的飛行管，所述第二軸延伸過(guò)所述飛行管并限定飛行管軸。
15.如權(quán)利要求14的裝置，其中所述IMS還包括將增壓的緩沖氣體提供給所述漂移管的單元。
16.如權(quán)利要求10的裝置，還包括與所述IMS有關(guān)的第一泵，可操作所述第一泵從而在所述IMS內(nèi)維持第一預(yù)定壓力；和與所述TOFMS有關(guān)的第二泵，可操作所述第二泵，在所述TOFMS內(nèi)維持第二預(yù)定壓力。
17.如權(quán)利要求10的裝置，其中所述樣品源是生物樣品。
18.一種產(chǎn)生離子質(zhì)譜信息的方法，包括下列步驟產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)；沿第一軸及時(shí)分離氣態(tài)離子團(tuán)，形成多個(gè)離子組，各離子組具有與其有關(guān)的單一離子遷移率；在第一離子阱中順序收集所述離子組，并從該離子阱排放離子組；沿第二軸順序地及時(shí)分離從第一離子阱排放的至少一些離子組，形成多個(gè)離子小組，各離子小組具有與其有關(guān)的單一質(zhì)量；和處理至少一些的離子小組，由此確定質(zhì)譜信息。
19.如權(quán)利要求18的方法，其中產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)的步驟包括由液化生物樣品產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)。
20.如權(quán)利要求19的方法，其中由液化生物樣品產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)的步驟包括通過(guò)電噴離子化產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)。
21.如權(quán)利要求18的方法，其中產(chǎn)生離子的步驟包括從生物樣品表面解吸氣態(tài)離子團(tuán)。
22.如權(quán)利要求21的方法，其中從生物樣品表面解吸氣態(tài)離子團(tuán)的步驟包括通過(guò)激光解吸離子化產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)。
23.如權(quán)利要求18的方法，其中產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)的步驟包括下列步驟由樣品源產(chǎn)生氣態(tài)離子；在第二離子阱中至少收集一些所產(chǎn)生的離子；多次重復(fù)產(chǎn)生和收集步驟，由此在第二離子阱中形成氣態(tài)離子團(tuán)；和從第二離子阱釋放氣態(tài)離子團(tuán)。
24.如權(quán)利要求23的方法，其中從樣品源產(chǎn)生氣態(tài)離子的步驟包括從生物樣品產(chǎn)生氣態(tài)離子。
25.如權(quán)利要求24的方法，其中從生物樣品產(chǎn)生氣態(tài)離子的步驟包括通過(guò)電噴離子化從生物樣品產(chǎn)生氣態(tài)離子。
26.如權(quán)利要求24的方法，其中從生物樣品產(chǎn)生氣態(tài)離子的步驟包括通過(guò)激光解吸離子化從生物樣品產(chǎn)生氣態(tài)離子。
27.一種從樣品源產(chǎn)生質(zhì)譜信息的裝置，包括從樣品源產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)的單元；離子遷移率譜測(cè)定器(IMS)，在其與用于產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)的所述單元流體連通的一端限定離子入口，和在與該端相對(duì)的一端限定離子出口，所述離子入口和出口限定其間的第一軸；離子阱，限定與所述IMS的離子出口流體連通的離子入口，和離子出口；和質(zhì)譜測(cè)定器(MS)，在其與所述離子阱的所述離子出口流體連通的一端限定離子加速區(qū)，和在與該端相對(duì)的一端限定離子檢測(cè)器，所述離子加速區(qū)和所述離子檢測(cè)器限定在其間的第二軸。
28.如權(quán)利要求27的裝置，還包括控制單元，用于控制產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)的所述單元和控制所述離子阱和所述加速區(qū)。
29.如權(quán)利要求28的裝置，其中產(chǎn)生離子團(tuán)的所述單元響應(yīng)于由所述控制單元提供的多個(gè)離子源信號(hào)，產(chǎn)生所述離子團(tuán)。
30.如權(quán)利要求29的裝置，其中所述離子阱響應(yīng)于由所述控制單元提供的多個(gè)離子阱信號(hào)，允許離子進(jìn)入其中、維持其中的離子和由此排放離子。
31.如權(quán)利要求30的裝置，其中所述加速區(qū)響應(yīng)于由所述控制單元提供的多個(gè)離子加速信號(hào)，控制所述加速區(qū)的激活。
32.如權(quán)利要求31的裝置，其中可操作所述離子檢測(cè)器，產(chǎn)生表示在此檢測(cè)的離子的檢測(cè)器輸出信號(hào)；所述控制單元響應(yīng)于所述檢測(cè)器輸出信號(hào)，計(jì)算與此相應(yīng)的離子質(zhì)譜信息。
33.如權(quán)利要求27的裝置，其中所述IMS還包括位于所述離子入口和出口之間的漂移管，所述第一軸延伸過(guò)所述漂移管并限定漂移管軸；所述MS是飛行時(shí)間質(zhì)譜測(cè)定器(TOFMS)，包括位于所述離子加速區(qū)與所述離子檢測(cè)器之間的飛行管，所述第二軸延伸過(guò)所述飛行管并限定飛行管軸。
34.如權(quán)利要求33的裝置，其中所述漂移管軸與所述飛行管軸不垂直。
35.如權(quán)利要求33的裝置，其中所述IMS還包括用于將增壓的緩沖氣體提供給所述漂移管的單元。
36.如權(quán)利要求28的裝置，還包括與所述IMS有關(guān)的第一泵，可操作所述第一泵，在所述IMS內(nèi)維持第一預(yù)定壓力；和與所述MS有關(guān)的第二泵，可操作所述第二泵，在所述TOFMS內(nèi)維持第二預(yù)定壓力。
37.如權(quán)利要求27的裝置，其中所述樣品源是生物樣品。
38.一種從樣品源產(chǎn)生質(zhì)譜信息的裝置，包括從樣品源產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)的單元；第一離子阱，限定與用于產(chǎn)生氣態(tài)離子團(tuán)的所述單元流體連通的離子入口，和離子出口；離子遷移率譜測(cè)定器(IMS)，在其與所述第一離子阱的所述離子出口流體連通的一端限定離子入口，和在與該端相對(duì)的一端限定離子出口，所述離子入口和出口限定其間的第一軸；和質(zhì)譜測(cè)定器(MS)，在其與所述IMS的所述離子出口流體連通的一端限定離子加速區(qū)，和在與該端相對(duì)的一端限定離子檢測(cè)器，所述離子加速區(qū)和所述離子檢測(cè)器限定在其間的第二軸。
39.如權(quán)利要求38的裝置，其中所述第一軸垂直于所述第二軸。
40.如權(quán)利要求38的裝置，其中所述第一軸不垂直于所述第二軸；和還包括位于所述IMS和所述MS之間的第二離子阱，所述第二離子阱具有與所述IMS的所述離子出口流體連通的離子入口，和與所述MS的離子加速區(qū)流體連通的離子出口。
41.如權(quán)利要求38的裝置，其中所述IMS還包括位于所述離子入口和出口之間的漂移管，所述第一軸延伸過(guò)所述漂移管并限定漂移管軸；所述MS是飛行時(shí)間質(zhì)譜測(cè)定器(TOFMS)，包括位于所述離子加速區(qū)與所述離子檢測(cè)器之間的飛行管，所述第二軸延伸過(guò)所述飛行管并限定飛行管軸。
42.如權(quán)利要求40的裝置，其中所述IMS還包括用于將增壓的緩沖氣體提供給所述漂移管的單元。
43.如權(quán)利要求41的裝置，還包括與所述IMS有關(guān)的第一泵，可操作所述第一泵，在所述IMS內(nèi)維持第一預(yù)定壓力；和與所述TOFMS有關(guān)的第二泵，可操作所述第二泵，在所述TOFMS內(nèi)維持第二預(yù)定壓力。
44.如權(quán)利要求38的裝置，其中所述樣品源是生物樣品。
45.一種產(chǎn)生離子質(zhì)譜信息的方法，包括下列步驟從樣品源產(chǎn)生氣態(tài)離子；在離子阱中至少收集一些所產(chǎn)生的離子；多次重復(fù)產(chǎn)生和收集步驟，由此在離子阱中形成氣態(tài)離子團(tuán)；從離子阱釋放氣態(tài)離子團(tuán)。沿第一軸及時(shí)分離氣態(tài)離子團(tuán)，形成多個(gè)離子組，各離子組具有與其有關(guān)的單一離子遷移率；沿第二軸順序地及時(shí)分離至少一些離子組，形成多個(gè)離子小組，各離子小組具有與其有關(guān)的單一離子質(zhì)量；和處理至少一些所述的離子小組，由此確定質(zhì)譜信息。
46.如權(quán)利要求44的方法，其中所述從樣品源產(chǎn)生離子的步驟包括從生物樣品產(chǎn)生離子。
全文摘要
混合離子遷移率和飛行時(shí)間質(zhì)譜測(cè)定器(30)包括離子源區(qū)(32),該離子源區(qū)與直接插入飛行時(shí)間質(zhì)譜測(cè)定器(TOFMS)(36)的離子加速區(qū)的離子遷移率譜測(cè)定器(IMS)(34)耦接。在一個(gè)實(shí)施例中,相對(duì)IMS(34)設(shè)置TOFMS(36),使TOFMS(36)的飛行管軸(128)垂直于IMS(34)的漂移管軸(72)。在另一個(gè)實(shí)施例中,相對(duì)IMS(34)設(shè)置TOFMS(36),使飛行管軸(128)與IMS(34)的漂移管軸(72)不垂直。在另一個(gè)實(shí)施例中,將已知的四極離子阱設(shè)置于IMS(34)與TOFMS(36)之間,提供對(duì)將離子組注入TOFMS(36)的控制能力。離子源(74)可以是MALDI源、電子噴射離子源或設(shè)置于IMS(34)與已知任何離子源之間的離子阱。在每一種情況下,最好用計(jì)算機(jī)(38)控制IMS(34)、TOFMS(36)和離子源(74)。
文檔編號(hào)G01N27/64GK1271462SQ98807885
公開(kāi)日2000年10月25日 申請(qǐng)日期1998年6月2日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月2日
發(fā)明者D·E·克萊默, J·P·賴?yán)?申請(qǐng)人:先進(jìn)研究及技術(shù)學(xué)會(huì)