傅里叶变换四极校准方法与流程

傅里叶变换四极校准方法
1.相关申请
2.本技术要求于2019年12月17日提交、题为“傅里叶变换四极校准方法”的美国临时申请第62/949,342号的优先权，该美国临时申请通过引用整体并入本文。
技术领域
3.本教导总体涉及用于执行质谱法的方法和系统，并且更具体地涉及用于校准傅里叶变换(ft)质谱仪的方法和系统。


背景技术：

4.质谱法(ms)是用于确定测试物质的元素组成的分析技术，具有定量和定性应用二者。例如，ms可用于识别未知化合物，确定分子中的元素的同位素组成，以及通过观察特定化合物的碎裂来确定特定化合物的结构，还有量化样品中的特定化合物的量。
5.已知多种质量分析器。一些这样的质量分析器采用被布置成多极布置(例如，四极布置)的多个杆。在离子通过质量分析器时，对杆施加射频(rf)电压可以提供用于径向限制离子的电磁场。校准任何基于rf电压的质谱仪都存在困难，其中在质谱仪内的离子的长期频率(即，离子在rf场中的特征振荡频率)下测得量。已知基于四极场内离子的长期频率的常规校准方法，但这些方法通常很复杂。例如，已知用于长期频率扫描离子阱的校准方法，但这种校准方法难以实施并且依赖于知道来自离子阱的离子喷射的质量依赖延迟。这种校准方法的固有困难来自于测得的离子长期频率和离子的m/z比之间的非线性关系。
6.因此，需要用于校准傅里叶变换(ft)质谱仪的改进的校准方法和系统。


技术实现要素：

7.在一个方面中，公开了一种校准傅里叶变换(ft)多极质谱仪的方法，该方法包括：针对施加到多极质量分析器的至少一个杆的多个rf电压(v
rf
)测量多极ft质量分析器中的校准物离子的多个长期频率；针对所测得的长期频率中的每个长期频率计算马绍(mathieu)β参数和马绍q参数；以及针对每个计算的q参数确定rf电压幅度(v
rf
)。针对每个计算的q参数，确定与施加的v
rf
和计算的v
rf
的偏差对应的偏移rf电压幅度(δv
rf
)，以便产生δv
rf
与q的校准曲线。
8.在一些实施例中，可以通过将校准物离子引入到ft质量分析器中并向多极质量分析器的至少一个杆施加脉冲激励电压以便在校准物离子的长期频率处激励校准物离子，来确定校准物离子的长期频率。在一些实施例中，脉冲激励电压可以是偶极激励的形式。
9.然后可以采用校准曲线来获得所研究的分析物的q参数的准确值。例如，在一些实施例中，测量所研究的分析物的长期频率，并且采用所测得的长期频率来计算该分析物的马绍β参数和马绍q参数。然后可以采用上述校准曲线来调整计算的q参数，并且可以使用调整后的q参数来计算该分析物的m/z比。
10.在一些实施例中，可以向多极质量分析器的至少一个杆施加分辨dc电压。在这样
的实施例中，除了马绍β参数之外，还可以基于所测得的分辨dc电压来计算马绍a参数。然后可以基于计算的马绍β参数和马绍a参数来确定与所研究的分析物相关联的q参数。
11.在一些实施例中，施加到ft质量分析器的一个或多个杆的(一个或多个)rf电压可以在约50伏至约5000伏(峰到峰)的范围内。此外，在一些这样的实施例中，rf电压可以具有在约0.5mhz至约3mhz的范围内的频率。
12.在一些实施例中，施加到多极ft质量分析器的至少一个杆的分辨dc电压可以例如在约5伏至约250伏的范围内。
13.在相关方面中，公开了一种质谱仪，该质谱仪包括：傅里叶变换(ft)质量分析器，该傅里叶变换(ft)质量分析器具有以多极配置布置的多个杆并且具有输入端口和输出端口，该输入端口用于接收多个离子，离子通过该输出端口离开质量分析器。质谱仪还可以包括用于针对施加到所述ft质量分析器的至少一个杆的多个rf电压(v
rf
)测量被引入到多极质量分析器中的校准物离子的多个长期频率的系统。质谱仪的分析模块可以接收所测得的长期频率并执行以下操作以便产生校准曲线：针对所测得的所述长期频率中的每个长期频率计算马绍β参数和马绍q参数；针对每个计算的q参数确定rf电压幅度(v
rf
)；以及针对每个计算的q参数，确定与施加的所述v
rf
和计算的所述v
rf
的偏差对应的偏移rf电压幅度(δv
rf
)，以产生δv
rf
与q的校准曲线。
14.分析模块还可以接收施加到ft质量分析器的杆中的至少一个的分辨dc电压的幅度，计算马绍a参数，并采用马绍β参数和马绍a参数二者来计算q参数。
15.可以结合在下文简要描述的相关联附图参考以下详细描述获得对本教导的各个方面的进一步理解。
附图说明
16.图1是描绘根据用于校准ft质量分析器的实施例的方法中的各个步骤的流程图，
17.图2a是其中结合了根据本教导的实施例的校准系统的ft质量分析器，
18.图2b示意性地描绘了图2a中图示的ft质量分析器的四极杆,
19.图3是根据实施例的分析模块的示意性实施方式，该分析模块可以接收质量检测信号并对这些信号进行操作以产生校准曲线和/或使用先前获得的校准曲线来获得感兴趣的分析物的m/z比，
20.图4是根据本教导的实施例的包括ft质量分析器的质谱仪的示意图，
21.图5是显示了指示多种不同质量的若干离子的所测得的长期频率与计算的长期频率的比较数据的表，其中所得到的电压差用于获得调整后的q值和m/z值，
22.图6是rf电压调整与基于所测得的长期频率的q值的图。
具体实施方式
23.本教导总体涉及用于校准傅里叶变换(ft)质量分析器的方法和系统。这样的方法和系统依赖于针对施加到质量分析器的(一个或多个)杆的多个rf电压测量校准物离子的长期频率以产生校准曲线。如下文更详细讨论的，所测得的长期频率被用于计算马绍β参数和马绍q参数(以及当施加dc分辨电压时计算马绍a参数)。对于每个q值，可以确定与施加的rf电压和计算的rf电压的偏差对应的偏移rf电压幅度以产生校准曲线。
24.更具体地说，参考图1的流程图，在根据本教导的用于校准傅里叶变换(ft)多极质谱仪的方法的一个实施例中，针对施加到多极质量分析器的至少一个杆的多个rf电压(v
rf
)测量被引入到ft质量分析器中的校准物离子的多个长期频率。
25.包括以四极配置布置的多个杆(向其施加频率为ω的rf电压)的质量分析器内的离子的长期频率可以经由以下关系式获得：
[0026][0027]
其中，
[0028]
n可以为0，
±
1，
±
2，
±
3，
…
例如，对于n＝0，基本长期频率ω0由以下关系式给出：
[0029][0030]
马绍β参数是a参数和q参数的连续分数表达式。β的精确值是根据a马绍参数和q马绍参数的连续分数表达式。这个连续分数表达式可以在参考文献质谱分析期刊(j.mass spectrom.)第32卷的351-369(1997)中找到，该参考文献通过引用整体并入本文，并且这个连续分数表达式被提供如下：
[0031][0032]
然后，a参数和q参数由以下关系式给出：
[0033][0034][0035]
继续参考图1的流程图，在测量长期频率之后，可以针对与施加的v
rf
电压之一对应的每个所测得的长期频率计算马绍β参数和马绍q参数。在其中还向ft质量分析器的至少一个杆施加dc分辨电压的一些实施例中，还可以针对每个所测得的长期频率确定马绍a参数。
[0036]
对于每个q(以及当施加dc分辨电压时的a参数)，计算施加的rf电压(v
rf
)。随后，计算与q相关的δv
rf
，即施加的v
rf
与计算的v
rf
之间的差值，并将δv
rf
用于产生校准曲线。如下文更详细讨论的，校准曲线可被用于获得所研究的一种或多种分析物的准确m/z比。
[0037]
更具体地说，继续参考图1的流程图，可以将所研究的分析物引入到ft质量分析器中，并且可以针对给定的所施加的rf电压(v
rf
)测量其长期频率。然后可以采用所测得的长期频率来计算该分析物的马绍β参数和马绍q参数。在其中还向ft质量分析器施加分辨dc电压的一些实施例中，还可以确定马绍a参数。
[0038]
然后可以采用校准曲线来查找与计算的q参数相关联的δv
rf
。然后可以采用δv
rf
来调整计算的q参数，以便获得该参数的更准确值。换言之，q参数是基于考虑了从校准曲线获得的δv
rf
的v
rf
而计算的。然后可以采用q参数的调整后的值来确定所研究的分析物(或其碎片)的m/z比。
[0039]
图2a和图2b示意性地描绘了ft质量分析器1000，其结合了用于实施根据本教导的校准方法的系统。ft质量分析器1000包括从被配置用于接收离子的输入端(a)延伸到输出端(b)的四极杆组1002，离子可以通过该输出端离开四极杆组。
[0040]
在本实施例中，四极杆组包括四个杆1004a、1004b、1004c和1004d(在此统称为四极杆1004)，这些杆相对于彼此布置以在其间提供通道，由四极杆组接收的离子可以通过该通道从输入端(a)传播到输出端(b)。在该实施例中，四极杆1004具有圆形横截面，而在其他实施例中，它们可以具有不同的横截面形状，诸如双曲线。
[0041]
质量分析器1000可以接收由离子源(该图中未示出)产生的离子，例如连续的离子流。可以采用各种不同类型的离子源。一些合适的示例包括但不限于电喷射电离装置、喷雾器辅助电喷射装置、化学电离装置、喷雾器辅助原子化装置、基质辅助激光解吸/电离(maldi)离子源、光电离装置、激光电离装置、热喷射电离装置、电感耦合等离子体(icp)离子源、声波喷射电离装置、辉光放电离子源和电子碰撞离子源、desi等。
[0042]
向四极杆1004施加射频(rf)电压可以提供四极场，用于在离子通过四极时径向限制离子。可以在有或没有可选择的量的分辨dc电压同时施加到四极杆中的一个或多个的情况下将rf电压施加到杆。
[0043]
在一些实施例中，施加到四极杆1004的rf电压可以具有在约0.8mhz到约3mhz的范围内的频率和在约100伏到约1500伏的范围内的幅度，但是也可以采用其他频率和幅度。在该实施例中，在控制器1010的控制下操作的rf电压源1008向四极杆1004提供所需的rf电压。
[0044]
在一些实施例中，四极杆组内的压强可以保持在约1
×
10-6
托至约1.5
×
10-3
托的范围内，例如，在约8
×
10-6
托至约5
×
10-4
托的范围内。
[0045]
(一个或多个)rf电压的施加可以导致在四极杆内产生四极场，其特征在于四极杆组的输入(入口)端和出口端附近的边缘场。如下文更详细讨论的，这种边缘场可以耦合离子的径向运动和轴向运动。例如，四极杆组的输出端(b)附近的区域中四极电势的减小会导致边缘场的产生，该边缘场可以表现出沿四极的纵向方向(沿z方向)的分量。在一些实施例中，该电场的幅度可以根据距四极杆组的中心的径向距离的增加而增加。
[0046]
如下文更详细讨论的，这种边缘场允许将经由向四极杆中的一个或多个(和/或一个或多个辅助电极)施加电压脉冲而激励的离子的径向振荡转换为轴向振荡，其中轴向振荡的离子由检测器检测。
[0047]
继续参考图2a和图2b，在该实施例中，质量分析器1000还包括设置在四极杆组的输入端附近的输入透镜1012和设置在四极杆组的输出端附近的输出透镜1014。在控制器1010的控制下操作的dc电压源1016可以向输入透镜1012和输出透镜1014施加两个dc电压，例如在相对于四极的dc偏移而言有约1v至50v的吸引性的范围内。在一些实施例中，施加到输入透镜1012的dc电压导致产生促进离子进入质量分析器的电场。此外，向输出透镜1014施加dc电压可以促进离子从四极杆组离开。
[0048]
透镜1012和1014可以以各种不同方式实现。例如，在一些实施例中，透镜1012和
1014可以是具有供离子通过的开口的板的形式。在其他实施例中，透镜1012和1014中的至少一个(或两者)可以被实现为网。在四极的入口端和出口端处也可以有仅rf的布鲁贝克(brubaker)透镜。
[0049]
在一些实施例中，dc电压源可以将分辨dc电压施加到四极杆中的一个或多个，以便选择在期望的m/z窗口内的离子。在一些实施例中，这种分辨dc电压可以在约10v至约150v的范围内。
[0050]
继续参考图2a和图2b，ft质量分析器1000还包括脉冲电压源1018，用于将脉冲电压施加到四极杆1004中的至少一个。在该实施例中，脉冲电压源1018将偶极脉冲电压施加到杆1004a和1004b，但在其他实施例中，偶极脉冲电压可以被施加到杆1004c和1004d。
[0051]
在一些实施例中，所施加的脉冲电压的幅度可以例如在约10伏至约40伏的范围内，或在约20伏至约30伏的范围内，但也可使用其他幅度。此外，脉冲电压的持续时间(脉冲宽度)可以例如在约10纳秒(ns)至约1毫秒的范围内，例如在约1微秒至约100微秒的范围内，或者在约5微秒至约50微秒的范围内，或在约10微秒至约40微秒的范围内，但也可以使用其他脉冲持续时间。通常，可以采用各种脉冲幅度和持续时间。在许多实施例中，脉冲宽度越长，脉冲幅度越小。通过四极的离子通常只暴露于单个激励脉冲。一旦激励离子的“子弹(slug)”通过四极，就会触发另外的激励脉冲。这通常每1毫秒到2毫秒发生一次，因此每秒收集约500到1000个数据采集周期。
[0052]
不受任何特定理论的限制，电压脉冲的施加(例如跨两个对角相对的四极杆)在四极内产生瞬态电场。使四极内的离子暴露于这种瞬态电场可以使这些离子中的至少一些在其长期频率处受到径向激励。这种激励可以涵盖具有不同质荷(m/z)比的离子。换言之，使用具有短时间的持续时间的激励电压脉冲可以提供对四极内的离子的宽带径向激励。
[0053]
当径向激励的离子到达四极杆组的位于输出端(b)附近的端部时，它们将与出口边缘场相互作用。同样，不受任何特定理论的限制，这种相互作用可以将激励的离子中的至少一部分的径向振荡转换成轴向振荡。
[0054]
轴向振荡的离子离开四极杆组和出口透镜1014以到达在控制器1010的控制下操作的检测器1020。检测器1020响应于检测到轴向振荡的离子而产生时变离子信号。可以采用各种检测器。合适检测器的一些示例包括但不限于photonis通道倍增器型号4822c和etp电子倍增器型号af610。
[0055]
与检测器1020通信的分析器1022(在此也称为分析模块)可以接收检测到的时变信号并且对该信号进行操作以产生与检测到的离子相关联的质谱。
[0056]
在校准模式下，校准物离子可以被引入到ft质量分析器中，并经由施加电压脉冲而被径向激励，从而在被下游的检测器1020检测到时产生时变信号。分析器1022可以接收来自检测器1020的时变信号并可以获得检测到的时变信号的傅里叶变换。分析器可以以如下方式对频域信号进行操作以获得校准物离子的长期频率。特别地，分析器可以以如下方式计算与校准物离子相关的马绍a参数和马绍q参数：
[0057][0058]
[0059]
其中z是离子上的电荷，u是杆上的dc电压，v是rf电压幅度，ω是rf的角频率，r0是四极的特征尺寸。径向坐标r由下式给出：
[0060]
r2＝x2 y2ꢀꢀꢀ
式(8)
[0061]
此外，当q《～0.4时，参数β由下式给出：
[0062][0063]
并且基本长期频率由下式给出：
[0064][0065]
可以针对多个施加的rf电压(v
rf
)重复上述过程以获得多个长期频率，每个长期频率与施加的rf电压之一相关联。然后可以以上面讨论的方式用长期频率来产生与q相关的δv
rf
校准曲线。校准曲线可以存储在分析器中，以待用来调整针对所研究的分析物获得的q值，从而导致更准确地确定该分析物的m/z比。
[0066]
在使用中，可以例如从上游的碰撞池或离子引导件将分析物(或其碎片)引入到ft质量分析器中。可以经由将脉冲dc电压施加到ft质量分析器的至少一个杆来径向激励分析物。如上所述，当分析物离子(或其碎片)离开ft质量分析器时，可以经由ft质量分析器的远端处的边缘场将分析物的径向振荡转换为轴向振荡。这些振荡可以被下游的检测器1020检测到，该检测器产生时变检测信号。
[0067]
分析器1022可以接收该时变检测信号并确定与该分析物离子相关联的马绍q参数。如果还将dc分辨电压施加到ft质量分析器，则还可以确定马绍a参数，并且可以利用q参数和a参数来确定分析物离子(或其碎片)的m/z比。然后可以利用校准曲线来调整q参数的值，并且可以采用q参数的调整后的值来得出分析物离子(或其碎片)的更准确的m/z比。
[0068]
分析器1022可以用各种不同方式以硬件和/或软件实现。举例来说，图3示意性地描绘了分析器1022的实施例，其包括用于控制分析器的操作的处理器1220。示例性分析器1022还包括用于存储指令和数据的随机存取存储器(ram)1240和永久存储器1260。分析器1022还包括用于对从检测器1020接收的时变离子信号进行操作(例如，经由傅里叶变换)以产生频域信号的傅里叶变换(ft)模块1280，以及用于基于频域信号计算检测到的离子的质谱的模块1300。通信模块1320允许分析器与检测器1020通信，以例如接收检测到的离子信号。通信总线1340允许分析器的各种部件相互通信。
[0069]
在一些实施例中，ft质量分析器可以包括辅助电极，辅助电极可以从质量分析器的输入端口延伸到质量分析器的输出端口，并且可以向辅助电极施加脉冲激励电压。与之前的实施例类似，电压脉冲可以引起对通过四极的离子中的至少一些的径向激励。如上所述，径向激励的离子与四极的输出端附近的边缘场的相互作用可以将径向振荡转换为轴向振荡，并且轴向振荡的离子可以被检测器(该图中未示出)检测。与之前的实施例类似，分析器(例如上面讨论的分析器1022)可以对作为轴向振荡的离子的检测结果而产生的时变离子信号进行操作，以产生频域信号，并且可以对频域信号进行操作以产生检测到的离子的质谱。
[0070]
根据本教导的校准方法和系统可以用在各种质谱仪中。举例来说，图4示意性地描绘了这样的质谱仪100，其包括可以从样品源102接收液体样品并且可以在电离室14内产生
离子的离子源104。可以采用各种离子源。这种离子源的一些示例包括但不限于电喷射电离装置、喷雾器辅助电喷射装置、化学电离装置、喷雾器辅助原子化装置、基质辅助激光解吸/电离(maldi)离子源、光电离装置，等等。
[0071]
质谱仪还包括分别具有孔30a/32a的帘幕板30和孔口板32，离子可以穿过孔30a/32a到达离子引导件q0。帘幕气体供应器(未示出)可以在帘幕板30和孔口板32之间提供帘幕气流(例如，n2)，以通过使大的中性粒子去簇和排出来帮助保持质谱仪的下游部分清洁。例如，帘幕气体的一部分可以从帘幕板孔流出进入电离室14，从而抑制液滴通过帘幕板孔进入。
[0072]
离子引导件q0可以由四个杆的四极布置形成，四个杆在其间提供了空间以供离子通过其中。离子引导件q0可以通过结合气体动力学和施加到其杆的rf电压来聚焦离子。离子透镜iq1和四极粗短透镜st1可以在离子从q0离子引导件进入q1离子引导件时聚焦离子。在该实施例中，q1离子引导件可以用作质量分析器，以允许选择具有选定m/z比(或m/z比范围)的离子经粗短透镜st2和离子透镜iq1通往q2离子引导件。与q1类似，在该实施例中，q2离子引导件包括四极配置布置的四个杆。
[0073]
在一些实施例中，q2离子引导件可以被配置为碰撞池以使从q1接收的离子的至少一部分碎裂。粗短透镜st3和离子透镜iq3将q2离子引导件与ft质量分析器q3分开。脉冲电压源400允许将激励电压施加到ft质量分析器的杆，以使由q3接收的离子的至少一部分在其长期频率处受到激励。径向激励的离子与ft质量分析器的远端附近的边缘场的相互作用将离子的径向振荡转换为轴向振荡，其在离子离开ft质量分析器并经由离子透镜iq4-1和iq4-2到达检测器后可由检测器1020检测。
[0074]
然后，分析模块1022可以接收检测信号并对信号进行操作以产生质谱。如上文所讨论的，分析模块1022可以采用先前产生的与q相关的δv
rf
校准曲线来以上文所讨论的方式改进所计算的分析物的m/z比。
[0075]
提供以下示例以进一步阐明本教导的各个方面。其仅出于说明性目的而被提供，并不旨在必然指示实践本教导的最佳方式和/或可获得的最佳结果。
[0076]
示例
[0077]
傅里叶变换(ft)四极质谱仪(诸如图4中描绘的谱仪)被用于获得本示例中呈现的数据。上述校准方法被用于获得以下离子的与q相关的δv
rf
校准曲线：oc3h6(h )(m/z 59)；氨基-dpeg4-酸(m/z 266)；利血平(m/z 609)，和肽aliltlvs(m/z 829)。
[0078]
图5提供了显示出与上述离子的所测得的长期频率与计算(基于q＝0.706)的长期频率对应的数据的表。所得到的电压差可用于获得调整后的q值，从而获得更准确的m/z值。
[0079]
图6是rf电压调整与基于所测得的长期频率的q值的图。计算的值基于a＝0、ω＝1.1174mhz和r0(ft质量分析器四极配置的半径)＝4.17mm。初始q值假定为0.706。
[0080]
绘制的数据表明，rf电压校正取决于从长期频率确定的q值。图6中描绘的校准曲线允许获得对β值的更好估计，从而获得q值的更好估计。这进而可以用来计算所研究的分析物的更好m/z值。
[0081]
上述不同离子的数据表明，v
rf
和q之间的关系与离子的m/z值无关。因此，可以采用任何离子的图来校准ft质谱仪。换言之，一种校准物离子足以校准用于测量多种不同分析物的m/z比的质谱仪。
[0082]
本领域普通技术人员将理解，在不脱离本教导的范围的情况下，可以对上述实施例进行各种改变。