用于橫流離子遷移譜分析的設備和方法
【專利說明】用于橫流離子遷移譜分析的設備和方法
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 申請人在此要求于2012年11月29日提交的美國專利申請?zhí)枮?3/688, 594的優(yōu) 先權，通過引用將其公開內(nèi)容并入本文。
【背景技術】
[0003] 本發(fā)明涉及用于通過離子迀移率以及通過離子迀移率和質(zhì)譜分析的結合來對樣 本進行分析的方法。本文所述的用于樣本處理和分析的設備和方法改進了相關技術中涉及 質(zhì)譜分析和離子迀移譜分析（在對廣泛的化合物的分析中是重要的工具）的技術。具體地， 離子迀移譜儀可用于確定分析物離子的橫截面，而質(zhì)譜儀可用于確定其分子質(zhì)量（準確地 說是分子質(zhì)量與電荷的比，以下稱為質(zhì)量）。通過離子迀移譜分析和質(zhì)譜分析對樣本的分析 包括三個主要步驟一從樣本材料形成氣相離子、對離子進行迀移率和/或質(zhì)量分析以根據(jù) 離子迀移率和/或質(zhì)量將離子彼此分開、以及檢測離子。在質(zhì)譜和迀移譜分析領域存在多 種方式和方法來執(zhí)行這三個步驟中的每一個。在已有迀移譜儀或質(zhì)譜儀中所采用的這些裝 置和方法的特定組合決定了儀器的特性。
[0004] 例如，為了對離子進行質(zhì)量分析，可能需要使用磁（B)或靜電（E)分析，其中穿 過磁場或靜電場的離子將沿著一個彎曲路徑。在磁場中，路徑的曲率表;^離子的動量電 荷比（momentum-to-charge ratio)。在靜電場中，路徑的曲率表示離子的能量電荷比 (energy-to-charge ratio)。如果連續(xù)地使用磁場和靜電場分析儀，則將獲知離子的動量 電荷比和能量電荷比并將因此確定離子的質(zhì)量。其他所熟知的質(zhì)量分析儀為四極桿（Q) (quadrupole)、離子回旋共振（ICR)、飛行時間（T0F)和Paul離子阱分析儀。最近，線性四 極桿離子講[J. Schwartz, M. Senko, and J. Syka, J. Am. Soc. Mass Spectrom. 13, 659 (2002); J.Hager, Rapid Commun. Mass Spectrom. 16,512(2002)]]已經(jīng)廣泛普及。A. Makarov[Q. Hu et al.，J Mass Spectrom. 40, 430 (2005)]已經(jīng)描述了一種新的分析儀，其是基于 Kingdon 講[K. Kingdon, Phys. Rev. 21，408 (1923)]的軌道離子講（Orbitrap)。與本文所描述的裝置 和方法結合使用的分析儀可以是上述中的任意一種。
[0005] 在可以開始質(zhì)量分析之前，必須從樣本材料生成氣相離子。如果樣本材料充分地 易揮發(fā)，則可以通過氣相樣本分子的電子電離（EI)或化學電離（CI)來形成離子?；蛘?，對 于固體樣本（例如，半導體或結晶材料），可以對高能粒子轟擊樣本分子解吸和電離來形成 離子。此外，例如，二次離子質(zhì)譜分析（SIMS)利用keV離子來對樣本材料進行解吸和電離。 在SIMS過程中，在分析物分子中聚集了大量的能量，這導致脆弱分子分裂。這種分裂是不 可接受的，因為有關樣本原始成分的信息（例如，樣本分子的分子量）將會丟失。
[0006] 對于更加不穩(wěn)定的易碎分子，現(xiàn)在存在多種其他電離方法。Macfarlane等人提出 了 等離子體解吸（PD)技術（R. D. Macfarlane, R. P. Skowronski, D. F. Torgerson, Biochem. Biophys. Res Commun. 60 (1974) 616) ("McFarlane") oMcFarlane 發(fā)現(xiàn)了表面上的高能（MeV) 離子的影響，像SMS-樣，會引起小分析物分子的解吸和電離。然而，與SMS不同，ro過 程還導致更大、更不穩(wěn)定物質(zhì)（例如，胰島素以及其他蛋白質(zhì)分子）的解吸。
[0007] 此外，已經(jīng)以類似的方式利用激光來促使生物分子或其他不穩(wěn)定分子解吸。例 如，參見 Cotter 等人（R. B. VanBreeman, M. Snow, R. J. Cotter, Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys. 49 (1983) 35 ；Tabet, J. C. ；Cotter, R. J. , Tabet, J. C. , Anal. Chem. 56 (1984) 1662 ； 或 R. J. Cotter, P. Demirev, I. Lys, J. K. Olthoff, J. K. ;Lys, I. :Demirev, P. : Cotter et al. , R. J. , Anal. Instrument. 16 (1987) 93)。Cotter 利用 Tachisto (Needham, Mass.) 215G 型 脈沖調(diào)制二氧化碳激光器對用于非易揮發(fā)性生物分子的紅外激光解吸的CVC 2000飛行時 間質(zhì)譜儀進行了改進。不穩(wěn)定分子的等離子體或激光解吸和電離取決于相關分析物離子中 少量或無能量的沉積。
[0008] 基質(zhì)輔助激光解吸電離（MALDI)的引入提高了利用激光器來解吸和電離不穩(wěn) 定分子（K. Tanaka, H. Waki, Y. Ido, S. Akita, Y. Yoshida, T. Yoshica, Rapid Commun. Mass Spectrom. 2 (1988) 151 以及 M. Karas, F. Hillenkamp, Anal. Chem. 60 (1988) 2299)。在 MALDI 過程中，分析物在固體有機基質(zhì)中溶解。使用一種波長被固體基質(zhì)吸收但不被分析物吸收 的激光來激發(fā)樣本。從而，激光器直接激發(fā)基質(zhì)，并且被激發(fā)的基質(zhì)升華為攜帶分析物分子 的氣相。然后通過從基質(zhì)分子到分析物分子的質(zhì)子、電子或陽離子轉移來對分析物分子電 離。該過程（即，MALDI)通常與飛行時間質(zhì)譜分析（T0FMS)組合使用并可用于測量分子量 超過100, 000道爾頓的蛋白質(zhì)。
[0009] 大氣壓電離（API)包含許多離子生成裝置和方法。通常，在大氣壓下從液體溶 液生成分析物離子。其中一個更廣泛使用的方法，也就是熟知的電噴霧電離（ESI)，最先 由 Dole 等人建議其與質(zhì)譜分析一起使用（]\10〇16，1^1^]\&1〇1^1?.1^11；[1168，1?.(1]\1〇13167，1. D. Ferguson, M. B. Alice, J. Chem. Phys. 49, 2240, 1968)。在電噴霧技術中，分析物在液體溶 液中溶解并從針頭噴出。噴霧是由針頭和反向電極之間的電勢差的作用而引起的。噴霧可 形成細小的包含分析物分子的帶電溶液液滴。在氣相中，溶劑揮發(fā)，留下帶電的氣相分析物 離子。這一方法允許形成非常大的離子。ESI與質(zhì)譜分析組合（ESMS)可檢測lMDa大的離 子。
[0010] 除了 ESI之外，可在大氣壓或加壓狀態(tài)下使用許多其他的離子生成方法。例如， Laiko等人近期已對MALDI進行調(diào)整而使之在大氣壓下工作（Victor Laiko and Alma Burlingame,''Atmospheric Pressure Matrix Assisted Laser Desorption"，U. S. Patent No.5,965, 884,以及 Atmospheric Pressure Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, poster#1121, 4th International Symposium on Mass Spectrometry in the Health and Life Sciences, San Francisco, Aug. 25-29, 1998)，而 Standing等人則使之在 加壓狀態(tài)下工作（Time of Flight Mass Spectrometry of Biomolecules with Orthogonal Injection+Collisional Cooling, poster#1272, 4th International Symposium on Mass Spectrometry in the Health and Life Sciences, San Francisco, Aug. 25-29, 1998 ;以及 Orthogonal Injection TOFMS Anal. Chem. 71 (13) ,452A (1999))。以這種方式調(diào)整離子源 的優(yōu)點在于，質(zhì)量分析儀內(nèi)的離子光學（即，電極結構和操作）以及獲得的質(zhì)譜結果很大程 度上不依賴于所采用的離子生成方法。
[0011] Standing公開的加壓MALDI離子源與Laiko等人公開的不同。具體地，Laiko等 人公開了一種用于基本在大氣壓下運行的離子源。與之相反，Standing等人公開的離子