CN101558470A - 在质谱仪中对解离类型的数据依赖的选择 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于数据依赖的质谱MS/MS或MSn分析的方法和装置。该方法包括确定感兴趣的离子种类的电荷状态，然后至少部分地基于确定的电荷状态，自动选择解离类型(例如，CAD，ETD，或跟有非解离电荷还原或碰撞活化的ETD)。然后，根据选择的解离类型，解离感兴趣的离子种类，并且收集最终的子离子的MS/MS或MSn质谱。

Description

在质谱仪中对解离类型的数据依赖的选择

相关申请的交叉参考

本申请根据35U.S.C§119(e)，要求2006年8月25日申请的美国临时专利申请60/840,198，发明名称为“分裂类型的数据依赖的选择”的优先权，其公开文本并入这里作为参考。

技术领域

本发明通常涉及质谱法，更具体地涉及利用数据依赖的方法自动收集MS/MS和MSⁿ质谱。

背景技术

数据依赖的收集(在各种商业实现方式中，也称为信息依赖收集(IDA)，数据指导分析(DDA)，和AUTO MS/MS)在质谱学领域，尤其在分析复杂的样本中是有意义的且广泛应用的工具。如通常所述，数据依赖的收集包括实时地利用从试验性收集的质谱中获得的数据以指导质谱仪随后的工作；例如，质谱仪可以基于对于潜在感兴趣的离子种类的检测，在MS和MS/MS扫描模式之间切换。在质谱仪中利用数据依赖的收集方法可以提供自动的实时决定的能力，以使收集的数据中的有用的信息内容最大化，由此避免或减少对于执行分析物样本的多个色谱运行或注入的需求。由于特定的需要的目的，这些方法可以被调整，例如通过分析从生物样本中获得的缩氨酸的复杂混合物，增强缩氨酸识别的数量。

数据依赖的收集方法的特征在于具有一个或多个输入标准，以及一个或多个输出作用。传统的数据依赖的方法中使用的输入标准通常基于一些参数，例如强度，强度模式，质量窗口，质量差(中性物丢失)，荷质(m/z)包含和排出列表，以及子离子质量。使用输入标准以选择一个或多个满足该标准的离子种类。然后，该选择的离子种类受控于输出作用(输出作用的示例包括执行MS/MS或MSⁿ分析和/或高分辨率扫描)。在典型的数据依赖的试验的一个示例中，一组离子被进行质量分析，质谱强度超过指定阈值的母离子种类被顺序选择为用于MS/MS分析的母离子，其包括隔离，母离子的解离，和子离子的质量分析的操作。

用于分析缩氨酸，蛋白质，和其它生物分子的质谱仪的不断增长地使用使得研究人员开发新的解离技术，这包括脉冲q解离(PQD)和电子转移解离(ETD)，这些技术相对于传统技术来说提供了附加的和/或不同的信息内容。但是，现有技术中描述的数据依赖的收集方法已经极大限制了和单一的传统的解离模式一起使用。虽然现有技术的某些参考文献(参见，例如LeBlanc等，“Unique Scanning Capabilities of a New Hybrid Linear lon TrapMass Spectrometer(Q Trap)Used for High Sensitivity ProteomicsApplications”，Proteomics，vol.3，pp.859-869(2003)已经描述了利用数据依赖的方法自动调整解离参数，例如碰撞能量，但是尚需一种新型的数据依赖的收集方法，其可以和最近研发的先进的解离技术一起使用以更全面的利用用于收集增强的信息内容的机会)。

发明内容

如上所述，根据本发明实施例实现的一种自动的质谱分析方法包括收集从样本中获得的离子的质谱，分析质谱以识别感兴趣的离子种类，通过施加指定的标准从不同的备选解离类型的列表中选择解离类型，其中该指定的标准至少部分基于感兴趣的离子种类的确定的电荷状态，以及用选择的解离类型解离离子种类以产生子离子。备选解离类型的示例包括碰撞活化解离(CAD)，脉冲q解离(PQD)，光解离，电子捕获解离(ECD)，电子转移解离(ETD)，以及跟有补充的碰撞活化或质子传输反应(PTR)中一个或多个阶段的ETD。那么，可以获取子离子的MS/MS质谱。重复该过程一次或多次，以产生更多代的子离子和获取相应的MSⁿ质谱。

在本发明的另一实施例中，设置一种质谱仪，其包括用于从要分析的样本中产生离子的离子源，用于收集离子质谱的质量分析仪，以及解离设备。质量分析仪和解离设备可以集合成一个共同的结构，例如二维离子阱质量分析仪。该质量分析仪和解离设备与控制器通信，该控制器被编程以从质谱中识别感兴趣的离子种类，并且通过应用指定的标准，从备选解离类型的列表中选择恰当的解离类型，其中该指定的标准至少部分基于感兴趣的离子种类的确定的电荷状态。然后控制器命令解离设备利用选择的解离类型对离子种类进行解离以产生子离子。

通过扩展数据依赖方法的概念以包括解离类型的选择，本发明的实施例更有效的利用了质谱仪的能力，并有助于产生更有用的数据。在一个简单的示例中，公知的是某些解离技术(例如，ETD)的特征在于解离效率对于离子电荷状态有很强的依赖性，这样当该解离技术施加于具有低电荷状态的离子时，不会产生有意义的结果。在该种情况下，质谱仪会被编程以限制其将依赖电荷状态的解离技术用于具有所需的电荷状态的离子种类，以及为不符合电荷状态标准的离子种类使用替换的解离技术，例如CAD。

附图说明

在附图中：

图1是质谱仪系统的示例的示意图，其中可以实现本发明的数据依赖技术。

图2是根据本发明示意性实施例的，用于描述数据依赖方法的步骤的流程图，其中该方法利用某标准来选择解离类型，该标准以感兴趣的离子种类的确定的电荷状态为基础；

图3是输入标准和解离类型之间的指定关系的一个示例的表格表示，其中输入标准仅基于离子种类的电荷状态；以及

图4是输入标准和解离类型之间的指定关系的另一示例的表格表示，其中输入标准基于离子种类的电荷状态和质荷比(m/z)。

具体实施方式

图1是质谱仪100的示意性描述，其中可以有利地实现本发明的数据依赖方法。应当注意，该质谱仪100通过非限制性示例表示，可以结合具有与这里描述的不同结构和构造的质谱仪实施本发明。通过离子源105从要进行质量分析的样本(例如液体色谱柱的洗出液)中产生离子。离子源105描述为电喷雾源，但是可以作为替换采用任何其它恰当类型的连续的或脉冲的源。离子通过逐步低压的中间室110来传输，并且随后被传送至位于真空室120中的质量分析仪115。各种离子光学仪器，例如静电透镜125，射频(RF)多极离子向导130，和离子传输管135，都可以放置在中间和真空室110和120中，以提供离子聚焦和离子中性物分离并由此有助于通过质谱仪100有效传输离子。

如图1所示，质量分析仪115采用二维四极离子阱质量分析仪的形式，其类似于在Thermo Fisher Scientific Inc.(San Jose，CA)提供的LTQ质谱仪中使用的质量分析仪。注意，离子阱质量分析仪(包括这里描绘和描述的二维离子阱，以及三位离子阱)能够在共同的物理结构中执行质量分析和解离功能；其它质谱仪系统可以利用用于质量分析和解离的分离结构。质量分析仪115(和/或质量分析仪115外部的一个或多个解离设备)构造为通过从多个可用的解离技术中选择的一个来解离离子。在该示例中，质量分析仪130可以通过传统的CAD，PQD(如Schwartz在美国专利No.6949743中所述，整个公开文本并入这里作为参考)，或者ETD(如Hunt等在美国专利公开文本No.US2005/0199804中所述，整个公开文本并入这里作为参考)可控地解离离子，上述方法要么单独使用，要么和补充的碰撞活化，或者和非解离的电荷还原反应步骤一起使用，其中电荷还原反应典型地利用离子反应，例如PTR。如Syka在美国专利No.7026613中所述，其中该整个公开文本并入这里作为参考，通过向与质量分析仪115相邻放置的端部透镜160施加振荡电压，实现在二维阱质量分析仪的共同区域中，独立于电荷状态的轴向限制用于同时捕获分析物的离子和试剂离子。前述可用的解离类型组仅意在用作示例，本发明的其他实现方式可以利用附加的或不同的解离类型，包括但不限于光解离，高能量C阱解离(缩写为HCD，例如Macek等在“The Serine/Threonine/Tyrosine Phosphoproteome of the ModelBacterium Bacillus subtilis”，Molecular and Cellular Proteomics，Vol.6，pp.697-707(2007)中所述)，以及表面诱导解离(SID)。可以理解，对于ETD来说，可以设置恰当的结构(未在图1中描述)用于向质量分析仪或解离设备的内体积提供试剂(例如荧蒽)离子，以和多电荷分析物阳离子反应并产生子阳离子。

质量分析仪115与控制器140电子通信，其中该控制器包括用于执行下述数据分析和控制功能的硬件和/或软件逻辑。控制器140可以以任何恰当的形式，例如一个专门或通用的处理器，现场可编程栅极阵列，以及专用电路或其组合实现。在操作中，控制器140通过调整由RF，DC和AC电压源145施加于质量分析仪115的各个电极的电压，影响质谱仪100的期望功能(例如，分析扫描，隔离，以及解离)，并从检测器160接收和处理代表质谱的信号。如下面要进一步详细讨论的，控制器140可以附加地构造为存储和运行数据依赖方法，其中以应用于收集的质谱数据的输入标准为基础，实时地选择和执行输出作用。该数据依赖方法，和其他控制和数据分析功能将典型地被编码在由控制器140执行的软件或固件指令中。

在优选实施例中，仪器操作者通过指定(经由，例如命令脚本或图形用户界面)输入标准(正如这里使用的，涉及的“标准”意在包括使用一个单一标准的例子)限定了数据依赖方法，输出作用，和输入标准和输出作用之间的关系。在简单的示例中，操作者可以限定数据依赖方法，其中在三个表现出最大的MS质谱强度的离子种类上自动执行MS/MS分析。如上所述，本领域公知该种数据依赖方法。本发明通过在其保护范围内包括附加的输入标准(例如，电荷状态)，附加的输出作用(例如，多个解离类型)以及输入标准和输出作用之间更复杂的关系，来扩展数据依赖方法的能力。在一个代表性示例中，其将结合图4被进一步详细讨论，操作者限定了数据依赖方法，其中在表现出给定阈值之上强度的所有离子种类中执行MS/MS分析，并且基于感兴趣的离子种类的m/z和电荷状态选择解离类型(例如，用于单电荷离子的CAD，用于具有低于指定限制的m/z的多电荷离子种类的ETD，以及具有补充的CAD活化，且用于具有超过指定限制的m/z的多电荷离子种类的ETD)。

图2是一种根据本发明特定实施方式的方法的流程图，该方法用于数据依赖的选择解离类型。如上所述，该方法的步骤可以作为一组在与控制器140相关联的一个或多个处理器上执行的软件指令实现。在第一个步骤210，通过操作质量分析仪，例如将离子按质量顺序从离子阱质量分析仪115的内部注入检测器150，来收集代表分析物离子的质谱的数据。虽然这里以速记的方式提到了“质量”分析仪和“质”谱，其与这些术语在工业中的使用一致，但是质谱学领域的技术人员可以理解收集的数据代表分析物的分子的荷质比(m/z)，而不是它们的分子量。如本领域中公知的，质谱是在收集的每个m/z的值处观察到的离子强度的表示。标准的过滤和预处理工具可以用于质谱数据以减少噪声，另外有助于质谱的分析。质谱的预处理可以包括利用公知的确定电荷状态的算法，执行将电荷状态分配至质谱中m/z峰值的算法。

在步骤220中，通过施加指定的输入标准，由控制器140处理质谱以识别一个或多个感兴趣的离子种类。根据该示例，控制器140被编程以选择三个在质谱中产生最高强度的离子种类。该方法的替换实现方式可以利用其他的输入标准(包括但不限于上述列出的)取代强度标准或与其组合。

在接下来的步骤230，通过分析收集的质谱，确定选择的离子种类的电荷状态。现有技术中公知各种用于通过分析质谱而确定离子电荷状态的技术。该种技术的示例包括下述：

1.如果质谱分辨率充分高，那么分离特殊离子种类的同位素族的m/z峰值的分量将允许确定电荷状态；这样，m/z单元的分离是1/n，其中n是电荷状态。在某种情况下，通过执行一个或多个低速扫描(质谱)，会获得充分高的分辨率，其中该低速扫描是以感兴趣的离子种类的m/z值为中心的有限制的质量范围的低速扫描。

2、观察从相同的中性分析物中获得的，具有相同电荷数的不同的阳离子种类会允许直接确定电荷状态；例如，钠阳离子可以代替正离子形式的质子，产生从完全质子化了的类似物中以22/n分离的离子。

3、对于蛋白质和其它高分子量的分析物来说，代表很宽范围电荷状态的离子串可以一般地彼观察到。特殊离子种类的电荷状态可以从测量的感兴趣的离子种类和离子串的相邻成员的m/z获得。

4、离子可以在源头或质量分析仪/解离设备内有意解离，通过将测量的子离子的m/z的值和期望值作比较确定电荷状态。

5、离子可以经由质子传输反应受控于一个或多个电荷还原阶段，并且通过将原始的质谱和电荷还原后的离子的质谱进行比较，推导电荷状态。

前述列表意在用于说明而不是用于限制，本领域技术人员可以理解许多其他技术可以或者变得可以用于确定电荷状态。更多精确和可靠的电荷状态的确定方式可以通过组合两种或多种前述技术(或者其他的电荷状态确定技术)实现。通过考虑确定电荷状态所需的精确性/可靠性，分析物的类型，质量分析仪的类型，和计算成本，可以指导恰当的选择电荷状态确定技术(记住，多个数据依赖的收集周期需要在较短的持续时间的色谱洗脱峰值完成)。在一个实现方式中，操作者在执行分析之前，可以从可用的技术列表中指定或选择理想的电荷状态确定技术。应当进一步注意到，电荷状态的确定可以作为上述预处理操作的一部分执行，即在选择感兴趣的离子种类之前或与其同时。

正如这里使用的，术语电荷状态可以表示单个值(例如，+2)，或者值的一个范围(例如，+2-4＞+6)。在某些实现方式中，不必确定感兴趣的离子种类的电荷状态的精确值，但是作为替换，为了做出数据依赖的决定，需要满足的是能够估计感兴趣的离子种类是单电荷的还是多电荷的，或者作为替换，能够估计离子种类是否具有位于一组值的范围，例如+1，+2-3，+4-6，＞+6内的一个值的电荷状态。该种确定典型地通过应用较简单的，低计算成本的算法执行。

进一步注意到，某些电荷状态确定技术仅需要收集一个质谱，而其他技术则依赖于对于多个质谱(例如，增强的分辨率扫描或子离子质谱)的收集和处理。考虑到色谱洗脱的持续时间所施加的时间限制，那么通常理想的是使用能够提供可接受的精度和可靠性的电荷状态确定技术，且其尽可能的消耗很短的时间以使得在洗脱期间，有充分时间完成足够数量的数据依赖收集周期。

确定所选择的离子种类的电荷状态后，在步骤240，数据系统140根据输入标准和输出作用之间指定的关系，利用确定的电荷状态选择解离类型。图3和4说明了输入标准和解离类型之间指定的关系的示例。在第一示例中，如图3表中描述的(其中填充的点指示要利用的技术)，解离类型(CAD，单独的ETD，或者跟有CAD或PTR的ETD)的选择仅基于电荷状态：单电荷离子由CAD解离；具有+2电荷状态的离子由跟有补充的碰撞活化的ETD(指定为ETD+CAD)解离；具有+3和+6之间电荷状态的离子由单独的ETD解离，以及；具有+7或以上电荷状态的离子由跟有PTR的ETD解离。在第二示例中，如图4所描述的，输入标准基于电荷状态和m/z。更具体地，对于具有+3和+6之间的电荷状态的离子来说，选择的解离类型依赖于离子的电荷状态和其m/z小于还是大于指定的值。

前述示例意在说明如何在特定例子中实现本发明，但不应当被理解为将本发明限制于确定的离子种类参数和选择的解离类型之间的任何特殊的关系。从各种操作的考虑和试验目的来看，在给定试验中使用的输入标准-解离类型的关系将公式化。该关系可以很简单(例如，在仅基于电荷状态的两种解离类型之间切换)，或者是高度复杂的，其根据一个方案具有几个可选的备选解离类型，其中该方案基于多个参数，这包括但不限于电荷状态，电荷状态密度，m/z，质量，强度，强度模式，中性物丢失，子离子质量，m/z包含和排除列表，以及结构信息。例如，对于给定的母离子的m/z来说，利用不同的解离方法，可以收集多个MS/MS质谱。例如，具有m/z＜600且为+2电荷状态的缩氨酸母体可能通过CAD和跟有CAD的ETD产生能够提供互补信息的子离子质谱。

应当注意，在某种实现方式中，一个可能的数据依赖输出作用会避免选择的离子种类的任意解离(和MS/MS质谱的收集)，其中该MS/MS质谱不可能产生有意义的信息。

在步骤250中，利用在步骤240中选择的解离类型，收集选择的离子种类的MS/MS或MSⁿ质谱，。如本领域公知的，收集MS/MS质谱典型地包括具有离子数量的填充分析仪115，该离子数量包括选择的离子种类和选择的离子种类的隔离，其中通过施加注入到感兴趣的m/z范围外的所有离子的补充的AC波形，然后谐振活化选择的离子种类(用于CAD或PDQ)，或者将离子种类和相反极性的试剂离子混合(用于ETD)，来隔离选择的离子种类。子离子的质谱通过质量序列注入的标准方法产生。

每到步骤260，对于每个选择的离子种类，重复电荷状态的确定，解离类型的选择，和MS/MS质谱收集步骤。该循环完成后，该方法返回至步骤210，用于识别一组新的感兴趣的离子种类。

虽然已经结合分析物阳离子(即，已经分配了正电荷状态的所有分析物离子)描述了前述的实施例，但是应当注意本发明的方法和装置同样适用于分析分析物阴离子，其中备选的解离类型的列表包括负电子转移解离(NETD)和尤其适用于解离分析物阴离子的其它技术。

可以理解，这里描述的数据依赖方法可以扩展至其它的数据依赖输出作用，其中在这里描述的数据依赖方法中，至少部分基于确定的电荷状态的输入标准用于选择解离类型。例如，在具有两个不同的分析仪类型的混合质谱仪(例如从Thermo Fisher Scientific获得的LTQ Orbitrap质谱仪)中，基于电荷状态的标准用于确定可用的分析仪中的哪一个用于产生离子的质谱，其中该离子从感兴趣的离子种类中获得。可以通过应用基于电荷状态的标准而选择的其它输出作用包括扫描率，分析仪的质量范围，以及数据处理算法。

可以理解，虽然已经结合详细的说明描述了本发明，但是前面的描述目的用于说明而并不用于限制本发明的保护范围，该保护范围由后附权利要求的保护范围限定。其它方面，优点和修改落在随后的权利要求的保护范围中。

Claims (24)

1、一种通过质谱法分析样本的方法，包括：

收集从所述样本中获得的离子的质谱；

从所述质谱中识别感兴趣的离子种类；

通过确定识别的离子种类的电荷状态和应用指定的标准，从而从多个不同的备选解离类型中自动选择解离类型，所述指定的标准至少部分基于确定的电荷状态；以及

利用选择的解离类型，解离所述识别的离子种类。

2、如权利要求1所述的方法，其中所述指定的标准部分基于利用试验确定的所述识别的离子种类的荷质比。

3、如权利要求2所述的方法，其中所述选择解离类型的步骤包括围绕识别的离子种类收集增强的分辨率的质谱，以有助于确定电荷状态。

4、如前述任一个权利要求所述的方法，其中所述选择解离类型的步骤包括：

利用非解离的电荷还原反应收集所述识别的离子种类的第二质谱，以有助于确定电荷状态。

5、如权利要求4所述的方法，其中所述非解离的电荷还原反应是离子-离子反应。

6、如前述任一个权利要求所述的方法，其中所述多个备选解离类型包括电子转移解离(ETD)。

7、如前述任一权利要求所述的方法，其中所述多个备选解离类型包括脉冲q解离(PQD)。

8、如前述任一权利要求所述的方法，其中所述多个备选解离类型包括碰撞活化解离(CAD)。

9、如前述任一权利要求所述的方法，其中所述多个备选解离类型包括跟随有非解离电荷还原反应的ETD。

10、如权利要求9所述的方法，其中所述非解离电荷还原反应是离子-离子反应。

11、如前述任一权利要求所述的方法，其中所述多个备选解离类型包括光解离。

12、如前述任一权利要求所述的方法，其中所述多个备选解离类型包括表面诱导解离。

13、一种质谱仪，包括：

用于从样本产生离子的离子源；

能够收集所述离子的质谱的质量分析仪；

控制器，耦合至所述质量分析仪，其构造为执行下述步骤：

从所述质谱中识别感兴趣的离子种类；以及

通过确定识别的离子种类的电荷状态和应用指定的标准，从多个不同的备选解离类型中自动选择解离类型，所述指定的标准至少部分基于确定的电荷状态；以及

至少一个耦合至所述控制器的解离设备，用于利用选择的解离类型，解离所述识别的离子种类。

14、如权利要求13所述的质谱仪，其中预指定的标准部分基于由试验确定的所述识别的离子种类的荷质比。

15、如权利要求14所述的质谱仪，其中选择解离类型包括围绕识别的离子种类收集增强的分辨率的质谱，以有助于确定电荷状态。

16、如权利要求13-15中任一个所述的质谱仪，其中所述多个备选解离类型包括电子转移解离(ETD)。

17、如权利要求13-16中任一个所述的质谱仪，其中所述多个备选解离类型包括脉冲q解离(PQD)。

18、如权利要求13-17中任一个所述的质谱仪，其中所述多个备选解离类型包括光解离。

19、如权利要求13-18中任一个所述的质谱仪，其中所述多个备选解离类型包括跟随有非解离电荷还原反应的ETD。

20、如权利要求13-19中任一个所述的质谱仪，其中所述多个备选解离类型包括表面诱导解离(SID)。

21、如权利要求13-20中任一个所述的质谱仪，其中所述多个备选解离类型包括碰撞活化解离(CAD)。

22、如权利要求13-21中任一个所述的质谱仪，其中所述质量分析仪和至少一个解离设备组合为一体设备。

23、如权利要求22所述的质谱仪，其中所述一体设备包括二维离子阱质量分析仪。

24、如权利要求22所述的质谱仪，其中所述一体设备包括三位离子阱质量分析仪。

Images