用于减少高丰度离子的动态离子过滤器

技术领域

本发明涉及一种用于从离子束中过滤出具有至少一个选定离子质量的离子的设备，涉及一种具有根据本发明设备的质谱仪，并且涉及一种用于从离子束中过滤出具有至少一个选定离子质量的离子的方法。

背景技术

如今，通过质谱法对样本进行分析和/或表征已广泛用于各种各样的领域，诸如化学、特别是药物化学。从现有技术中已知许多不同类型的质谱仪，诸如扇形质谱仪、四极质谱仪或飞行时间质谱仪，或者还有具有电感耦合等离子体的质谱仪。在许多出版物中已经描述了不同质谱仪的操作模式，因此这里不再详细解释。

在质谱仪中，首先将待检查的相应分子或原子转换成气相并电离。现有技术本身已知的各种方法可用于电离，诸如冲击电离、电子冲击电离、化学电离、光电离、场电离、所谓的快速原子轰击、基质辅助激光解吸电离或电喷雾电离。

电离后，离子通过分析仪，也称为质量选择器，在该分析仪中，这些离子根据其质荷比m/z进行分离。也可以使用多种不同变型的分析仪。不同的操作模式例如基于应用静态还是动态电场和/或磁场或者基于不同离子的不同飞行时间。

最后，在检测器中检测到通过分析仪分离的离子。在这方面，例如，从现有技术中已经已知光电倍增器、二次电子倍增器、法拉第捕集器、戴利检测器、微通道板或通道加速器。

对分别使用的质谱仪的特定要求来自对复杂样本，例如，体液蛋白质组，特别是血清样本的分析。这样的样本在离子浓度方面具有很大的动态范围，这通常无法完全通过常规质谱法检测到。通常，例如细胞因子、趋化因子或肿瘤标志物的目标分子以相当低的浓度存在，以致与其它分子相比这些分子根本无法被检测到。特别是在临床样本的情况下，这可能导致仅一部分物质，如同能够在更均一的细胞上清液中识别到，能够被检测到。此外，由于低浓度物质的重检率通常非常低，因此，相应质谱分析的重现性可能较低。

因此，期望提高对复杂样本中低浓度物质的检测可能性。

就此而言，所谓的串联质谱法是众所周知的，其中，以靶向的方式激发特定的离子以进行碎裂。碎裂模式的检查允许得出有关起始产物的结论。在这点上，在空间串联质谱法和时间串联质谱法之间进行区分，在该空间串联质谱法中，一个接一个地耦合少两个分析仪，在该时间串联质谱法中，使用离子阱。首先，在整个质量范围上执行扫描(MS1)。然后，例如使用冲击气体，使得离子在冲击室中碎裂。然后，对于分解产物，类似地执行扫描(MS2)，但是在减小的质量范围内执行。术语“扫描”在这里被理解为意指记录在特定质量范围内的质谱。

从由Floridan Meier等人在《Nature Methods(自然方法)》杂志(2018)(doi：10.1038/s41592-018-0003-5)发表的“BoxCar acquisition method enables single-shot proteomics at a depth of 10,000proteins in 100minutes(BoxCar采集方法使得能够在100分钟内以10000蛋白质的深度进行单冲蛋白质组学研究)”的文章中已知一种对于低浓度物质具有提高的灵敏度的复杂样本分析方法。首先，在整个可用质量范围上执行扫描。然后，将可用质量范围划分为多个子范围，并依次且彼此分开地分析在相应子范围内的具有质量的相应离子。此外，可以将待分析的离子数量限制在特定子范围内。因此，可以对与总填充量有关的高强度范围加以限制。通过所描述的方法，特别是对于复杂样本中的低浓度离子，可以明显提高质谱仪可达到的灵敏度。然而，不利的是，必须始终在完整循环的持续时间和可达到的灵敏度之间寻找折衷，因为完整进程时间随着子范围的数量增加而显著延长。同时，从整个离子束收集到的离子数量减少。

发明内容

本发明的目的是进一步提高对复杂样本中低浓度物质的检测可能性。

上述目的通过根据权利要求1所述的设备，根据权利要求9所述的质谱仪以及根据权利要求10所述的方法来实现。

根据本发明的设备是用于从离子束中过滤出至少一个选定离子的设备。该设备包括：

-用于产生电场以使离子束的离子沿着预定长度的飞行路线加速的单元，以及

-可控制的离子光学系统，该可控制的离子光学系统将飞行路线划定在一个方向上，并且使选定离子从离子束的飞行路径偏转。

此外，该设备被设计成根据选定离子沿着飞行路线的飞行时间、控制该离子光学系统。

在创建用于加速离子束离子的电场的单元中，使用飞行时间(TOF)测量原理。因此，基于不同的飞行时间来分离包含在离子束中的不同离子。

该离子光学系统则用于防止特定离子到达检测器，或者可选地防止特定离子到达设置在检测器上游的离子阱，而这些离子在通过检测器检测之前被收集在该离子阱处。例如，这些离子可能被电场和/或磁场，特别是可切换的电场和/或磁场偏转。为此，例如以取决于时间的方式，特别是动态地控制该离子光学系统。该离子光学系统特别地被布置在飞行路线的端部区域中。该离子束优选地是聚焦离子束，其中，该离子光学系统被布置在具有最佳焦点的位置处。

在具有选定离子质量的离子通过该离子光学系统的至少一个时间间隔期间，打开离子光学系统。然后，该离子光学系统使这些离子其飞行路径偏转，使得这些离子不再被包含在离子束中，并且不再被收集和/或检测到。

根据本发明，一方面可以设想使得具有各个选定离子质量、电荷和/或质荷比的各个选定离子从该离子束偏转。然而，也可以设想从离子束中去除离子质量、电荷和/或质荷比在选定范围内的离子。

选定离子特别地是高浓度物质的离子，特别是在复杂样本中的离子，然而对于相应的质量分析而言，这并不是主要的关注点。

现有技术中已知的质谱仪通常仅具有有限的记录和测量离子的能力。因此，检测器或可选存在的离子阱具有特定的饱和度。另一方面，对特定离子的识别要求离子束中此类离子的数量最少。这两个边界条件的结果是，许多低浓度物质在通过质谱法进行分析时低于质谱仪的检测极限或灵敏度极限，因此无法被识别。

本发明通过选择性地使得特定高浓度物质以靶向方式从该离子束偏转来解决上述问题。因此，低浓度物质在通过该离子光学系统之后以更大的数量存在，并且因此可以通过质谱仪来识别。这在质谱法领域，特别是分析和医学诊断领域中，构成了计量学上的大幅提高。

在一个实施例中，根据本发明的设备包括检测器单元，该检测器单元被设计成检测和/或确定包含在离子束中的离子的质量、电荷、质荷比和/或强度。

该检测器单元至少用于记录离子束的质谱。在本发明的一些实施例中，该检测器单元还可被设计为进一步处理所记录的质谱。然而，这也可以由单独的计算单元进行。

在另一实施例中，根据本发明的设备相应地包括计算单元，该计算单元被设计成确定包含在离子束中的离子的飞行时间、质量、电荷、质荷比和/或强度。该强度是对特定离子的数量的测量。除了强度之外或者代替强度，还可以确定包含在离子束中的不同离子的数量。

在其它实施例中，该检测器单元也可以是质谱仪的一部分，特别是现有质谱仪的一部分，根据本发明的设备可以与该质谱仪一起使用，或者该设备是该质谱仪的一体部件。该计算单元也可以是检测器单元的一部分，或者也可以是质谱仪的一部分，根据本发明的设备可以与该质谱仪一起使用，或者该设备是该质谱仪的一体部件。

在又一实施例中，根据本发明的设备包括控制单元，该控制单元被设计成根据选定离子沿着飞行路线的飞行时间控制该离子光学系统。为此，该控制单元可以直接或间接地与计算单元和/或检测器单元交互和/或例如具有另一个单独的计算单元。选定离子可以用于生成过滤器模式，可以基于该过滤器模式控制该离子光学系统。

优选地基于至少一个预定标准来确定选定离子。例如，在各种情况中，可以基于相应的强度、或者基于其数量、或者基于其质量和/或电荷、特别是基于其质荷比来选择待偏转的离子。还可以设想指定列表(排除列表)，该列表具有对于相应分析不作考虑的离子。也可以设想基于离子束的完整光谱来选择离子。

如果存在计算单元和控制单元，则可以设想例如在单个电子单元中实施该计算单元和控制单元。然而，也可以设想将计算单元作为第一电子单元的一部分，并且将控制单元作为第二电子单元的一部分。特别是当检测器单元是质谱仪的一部分时，对于检测器单元和控制单元使用单独的电子单元。

该设备的特别优选实施例包括，该离子光学系统包括至少一个布拉德伯里-尼尔森门(Bradbury-Nielson gate)。所谓的布拉德伯里-尼尔森门包括金属丝网或板条的细网状布置，通过该布置可以生成多个平行的电磁场，以使得离子从该离子束偏转。这样的电磁场有利地使得离子仅在小区域中但高效地从其相应的飞行路径偏转。因此，布拉德伯里-尼尔森门的特征在于，对于空间场影响极小，因此具有较高的空间分辨率。此外，它是非常快速且精确可切换或可控制的离子光学系统。

在另一实施例中，该设备包括离子阱，该离子阱用于聚积或消耗在至少一个预定范围内的至少一个预定离子或多个预定离子。该范围特别是预定离子关于质量、电荷或质荷比的预定范围。这种措施允许质谱仪的灵敏度甚至得以进一步提高，这在离子浓度特别低的情况下尤为有利。该离子阱优选地被布置在该离子光学系统的下游和检测器的上游。

有利的是，该离子阱是轨道阱或C阱。

在一个实施例中，该设备包括离子光学系统，该离子光学系统用于至少在预定时间点处引导离子束，以使得该离子束通过该设备。然而，通过该离子光学系统，另一方面也可以将该离子束直接地供应到检测器或者可选存在的离子阱。在这一情况下，可以例如在整个可用质量范围上记录质谱，而不会受到根据本发明的过滤所影响。然而，在至少一个预定时间点处或者在预定时间间隔期间，也可以通过适当地控制该离子光学系统来引导该离子束，从而使得该离子束通过该设备，并且在将剩余离子束供应到检测器之前相应地使得至少一个选定离子偏转。该离子光学系统优选地包括例如在文献US6614021B1或US9048078B2中描述的至少一个离子镜。

此外，基于本发明的目的通过一种具有根据至少一个所述实施例的根据本发明设备的质谱仪来实现设备。例如，能够在现有质谱仪中以固定方式来实施该设备。

有利的是，该质谱仪具有用于生成离子束、特别是聚焦离子束的装置，并且其中，该设备被布置在用于生成离子束的装置与检测器之间。对于该实施例，该设备是质谱仪的一体部件或永久地安装在相应的质谱仪中。取决于所使用的质谱仪，该检测器和/或计算单元也可以是该质谱仪的一部分。在飞行时间质谱仪的情况下，用于创建电场来使得离子束的离子沿着预定长度的飞行路线加速的单元也可以是该质谱仪的一部分。为了实施根据本发明的设备，已经是质谱仪一部分的部件可能无需加倍，就可以用于进行根据本发明的过滤以及用于进行质谱分析。

类似地，基于本发明的目的通过一种用于从离子束中过滤出至少一个选定离子的方法来实现，该方法特别地通过根据本发明的设备进行，且该方法包括以下方法步骤：

-使得离子束的离子沿着预定长度的飞行路线加速，以及

-根据选定离子沿着飞行路线的飞行时间，使得该选定离子从该离子束的飞行路径偏转。

离子的飞行时间可以例如基于包含在离子束中的离子的质量和/或质荷比来确定。例如，基于在每种情况下待检测样本的至少一个质谱，例如与包含在离子束中的离子的电荷和/或强度一起来确定其质量和/或质荷比。根据选定离子沿着飞行路线的飞行时间使得该选定离子从该离子束的飞行路径偏转，例如可以通过可控制的离子光学系统进行。

在该方法的一个实施例中，基于离子束的至少一个质谱和/或基于包含在离子束中的离子的质量、电荷、质荷比和/或强度来确定该选定离子。相应的质谱特别地是在整个可用质量范围上的扫描，该可用质量范围例如事先或者在该设备的操作期间以预定的时间间隔建立。然而，也可以基于已过滤至少一次的离子束的至少一个质谱来确定该选定离子。

代替光谱或除了光谱以外，例如，当已知哪些离子待过滤时，还可以指定选定离子的列表。这样的列表可以一次指定，或者在设备操作期间以预定的时间间隔动态地生成。替代地，也可以使用其它标准来确定选定离子，特别是与质量、电荷、质荷比、保留时间、强度或从一个或多个这样的变量得出的变量有关的标准。

在根据本发明方法的优选实施例中，选择至少一个离子，其强度或数量超过预定极限值。因此，从相应样本中的相应物质中选择特定的预定浓度的离子，并且使得这些离子偏转。在每种情况下，对待过滤离子的这种选择可以有利地以至少部分自动的方式进行。

该方法的一个实施例包括聚积或消耗在预定范围内的至少一个预定离子或多个预定离子。随后，可以通过质谱法来分析所聚积或消耗的离子。有利地，并不聚积或消耗已被过滤或偏转的选定离子。

在这方面，有利的是，确定聚积因子或消耗因子。聚积或消耗在已知容量的离子阱中进行。还已知离子的输入电流。如果基于对执行过滤之前和之后的所记录质谱的比较来附加地确定所施加过滤的已知量，则可以确定并且也可以相应地事先限定到达离子阱的离子的量。

因此，有利的是，以预定的聚积因子或预定的消耗因子来聚积或消耗在预定范围内的至少一个预定离子或多个预定离子。通过以预定的聚积因子或预定的消耗因子进行聚积或消耗，可以有利地为相应离子限定该相应离子在离子束中所要聚积或消耗的比例。

总而言之，本发明有利地可能使得至少一个选定离子精确地并且选择性地从该离子束偏转，并且由此对其进行过滤。然而，也可以例如基于多个离子的质量、电荷、质荷比和/或强度或者基于关于这些变量的选定范围来并行地过滤这些离子。这样，可以显著地提高质谱仪对于低剂量物质的灵敏度。除了分析复杂样本以外，本发明还可以结合所谓的分子分选使用，从而例如从混合物中过滤出特定离子。此外，本发明的另一种可能的应用领域是在所谓的数据无关采集(DIA)领域或在所谓的全离子碎裂领域。在这种情况下，可能不仅仅依次分析特定的质量范围。而是，特别是通过用于过滤相应离子的特别适配的过滤器模式，本发明允许从整个质量范围中去除或选择和/或增加分子模式和/或分子类别。例如，可以关于离子的电荷和/或强度进行选择。应指出的是，结合根据本发明设备描述的实施例也可以比照适用于根据本发明的质谱仪和/或根据本发明的方法，反之亦然。

附图说明

现在将参照以下附图更详细地解释本发明。附图中相同的元件设置有相同的附图标记。附图中：

图1是根据本发明的设备的第一示意实施例；

图2是具有离子阱的根据本发明的设备的第二实施例；

图3是具有离子光学系统的根据本发明的设备的第三实施例；

图4是具有根据本发明的设备的根据本发明的质谱仪的第一实施例；

图5是具有根据本发明的设备的根据本发明的质谱仪的实施例，其中，该设备是该质谱仪的一体部件；

图6是在从相应离子束中过滤出选定离子之前(a)和之后(b到d)的、在质谱仪的整个质量范围上的质谱。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的设备1的示意图示，该设备用于从离子束2中过滤出选定离子(这里基于选定质量：m

该离子光学系统4用于使得选定离子m

离子束2的未偏转离子m

在这里示出的示例中，该设备1还包括计算单元6和控制单元7，通过示例在这里一起布置有该计算单元和控制单元。在本发明的范围内，在这点上也可以设想各种各样的可能性，并且本发明绝不局限于这里示出的变型。而是，可以设想多种其它变型，所有这些变型均落在本发明范围内。例如，计算单元6也可以是检测器单元5的一部分。

通过计算单元，可以确定包含在离子束2中的离子的飞行时间t

根据本发明，在每种情况下过滤至少一个离子m

本发明还不限于基于由检测器5记录的光谱来确定选定离子m

图2示出了根据本发明的设备1的另一实施例。除了根据图1的实施例以外，根据图2的设备1包括离子阱8，该离子阱8被布置在离子光学系统4和检测器单元5之间。因此，这里不再讨论结合图1解释的元件。

在离子阱8中，预定离子m

图3示出了根据本发明的设备1的第三实施例。与根据图1的实施例不同，根据图3的设备1包括离子光学系统9。结合图3，也不再讨论已解释的元件。

类似于离子光学系统4，离子光学系统9是可控制的。在目前的情况下，通过合适地调节至少各个部件，这里通过示例是9a和9c，可以实现的是整个离子束2沿着飞行路径F

在此概述的离子光学系统9包括所谓的离子推动器9a、反射器9b和离子镜9c。除了这里示出的实施例以外，该离子光学系统9的多个其它实施例是可能的，该离子光学系统具有其它部件、不同数量的部件和/或部件的其它布置，并且同样都落入本发明范围内。

对于所示的实施例，该离子光学系统9也通过控制单元7控制。然而，不言而喻的是，也可以以不同的方式适当地控制其它实施例中的离子光学系统9。

通过使用离子光学系统9，有利的是，通过设备1可能在整个可用质量范围内执行扫描，且在预定子范围内或在减去选定离子m

图4示出了具有根据本发明的设备1的质谱仪10，该设备1与根据图3的设备1的实施例相类似。该质谱仪10可以是根据现有技术的任何质谱仪。该质谱仪包括电离单元11、分析仪以及检测器，通过该电离单元11生成离子束2，该分析仪和检测器两者均与质谱仪10的由附图标记12所指示的其它部件相组合。根据本发明的设备1被布置在电离单元11与质谱仪10的由附图标记12所组合的其余部件之间。在所示的实施例中，该设备1不具有其自身的检测器单元5，而是使用质谱仪10的现有检测器单元。同样适用于计算单元6和控制单元7。后者也是质谱仪10的各部件并且由附图标记12组合。与先前附图中示出的实施例相类似地进行对离子光学系统4和设备1的其余部件的控制。应注意，自然地，在其它实施例中，也可以存在用于设备1的单独的检测器单元5、计算单元6和/或控制单元7。

在根据本发明的质谱仪10的情况下，设备1一方面可以形成为独立单元，如同图4的情况那样，该独立单元可以被集成到现有的质谱仪10中。然而，该独立单元也可以如同图5中示出的示例性实施例的情况那样是质谱仪10的一体部件。图5中示出的实施例是TOF质谱仪。在这种质谱仪10的情况下，可以以特别简单的方式集成根据本发明的设备1。

如同在图4的情况中那样，该质谱仪包括电离单元11。此外，可选地存在光学聚焦单元13。所示出的质谱仪10还具有离子光学系统9a'、9b'以及单元3'以用于创建电场来使得离子沿着预定长度d的飞行路线加速。这样的部件基本上与先前附图中设置有相同附图标记但没有撇号的部件相对应。然而，在目前的情况下，这样的部件是现有质谱仪10的一部分。相反，该设备1并不具有对应的单独部件。相反，检测器单元5和离子光学系统4是根据本发明的设备1的部件。为了简单起见，该附图已经省去了计算单元6和控制单元7的图示。例如，可以根据其中一个先前描述的实施例来实施该计算单元和控制单元。可选地，该设备1或质谱仪10可以具有已结合先前附图讨论的其它部件。例如，离子光学系统可以包括离子镜9c或者用于引导和/或聚焦离子束的其它单元，或者离子阱8也可以附加地存在。

最后，在图6中示出了根据本发明的方法的示意图示。图6a示出了在质荷比I(m/z)的可用范围内的完整质谱图。离子束2包含各种离子m

为了也能够检测到低浓度物质，在第一步或过滤过程中，根据其中一个所描述的实施例，基于根据本发明的方法来选择性地过滤离子m

在图6b中示出了这种过滤的结果。离子m

为了甚至能够检测到浓度更低的离子，诸如在图6c中以虚线示出的离子m

参考符号

1 根据本发明的设备

2 离子束

3 用于创建电场的单元

4 离子光学系统

5 检测器单元

6 计算单元

7 控制单元

8 离子阱

9、9a-9c 离子光学系统

10 质谱仪

11 电离单元

12 质谱仪的分析仪、检测器以及其它部件

F、F

m

Δm 预定质量范围

t

d 飞行路线

m

m

F