校正飞行时间质谱仪中的飞行时间漂移

摘要

一种通过下述方式校正质谱仪中的飞行时间漂移的方法：识别谱中的离子的质谱峰，在所有谱中检测具有基本上相同的质量的离子，确定检测的离子的飞行时间漂移，并且，通过对每一个相应的飞行时间应用校正因子来校正检测的离子的飞行时间漂移。

说明书

技术领域

本公开涉及校正飞行时间质谱仪中的飞行时间。

背景技术

质谱术（MS）是用于确定样本或分子的元素构成或者用于说明 诸如缩氨酸和其它化学化合物的分子的化学结构的分析技术。质谱术 通常包括使化学化合物离子化以产生带电的分子或分子片段并然后测 量其质荷比。在典型的MS过程中，被加载到质谱仪上的样本经过蒸 发，并且，样本的成分被离子化以形成带电的粒子（离子）。离子通 常通过电场被加速，以便基于在离子移动通过电磁场时离子的移动细 节来计算粒子的质荷比（m/z）。离子可以由质量分析仪根据其质荷比 (m/z)来分类并由检测器检测，以便测量指示量的值并提供用于计算存 在的每一个离子的丰度（abundance）的数据。由于各种因素，计算 出的每一个离子的质量会在质谱仪的操作期间改变或漂移。

用来应对可变质量的一种方法（“锁定质量”）涉及向正在分析的 样本中添加具有已知的质量的一种或多种已知化学品。这样引入化学 品然后将会产生谱峰，其中，已知的质量允许使用这些谱峰来对每一 种质谱分别进行质量校准。但是，因为添加的化学品以低量供应从而 防止它们干扰正在分析的样本，所以对于谱峰的较差的质量精度会导 致更低质量的质量校准，这是由于统计变化而导致。使用小量的锁定 质量可以将质量变化从锁定质量转移到所有其它的质量。在单一锁定 质量情况中，锁定质量没有表现出质量变化。这使得谱内的所有其它 质量更加可变。

此外，在某些已知技术中使用的背景校准剂（calibrant）通常是 稀释的背景，使得不会显著地减少离子化容量。该低浓度会使得对各 个谱进行统计上较差的漂移评估。

该方法还涉及在谱内找出锁定质量，并且，因为引入小量的锁定 质量校准剂，所以会难以识别它们，尤其在强谱中，因为其它干扰谱 峰会在锁定质量峰附近。如果错误的谱峰被选择作为锁定质量峰，那 么这样引入明显错误的潜力。此外，该方法要求用户指定校准剂的确 切的质量并忽略潜在地更高的强度背景离子，在整个分析中，这些背 景离子通常以变化的程度保持。

发明内容

飞行时间质谱仪(TOF-MS)可以用来通过下述方式确定离子的质 量：使离子沿着飞行路径加速（例如，使用电场），测量离子的飞行 时间，并且，通过使用飞行时间作为质量的函数的关系，确定离子的 质量。飞行时间漂移由于测试环境的变化而会发生，并且导致对于同 一质量或离子的不同的飞行时间测量。由于飞行时间用来计算离子的 质量，所以对于给定质量的离子的测得的飞行时间的变化导致对该离 子的质量的较不精确的测量。

本公开的一个方面提供一种通过下述方式校正质谱仪中的飞行 时间漂移的方法：识别谱中的离子的质谱峰，在所有谱中检测具有基 本上相同的质量的离子，确定检测的离子的飞行时间漂移，并且，通 过对每一个相应的飞行时间应用校正因子来校正谱中的所有离子的飞 行时间漂移。

在某些实现方式中，在所有谱中检测具有基本上相同的质量的离 子可以包括：针对每一个识别的质谱峰的飞行时间，计算统计置信区 间。可以给具有重叠的置信区间的质量峰分配相同的质量簇（mass  cluster）。置信区间可以与质谱峰的期望的半高度全宽度成正比，并 且与在质量峰中包含的离子的评估数的平方根成反比。.然后，使用 各种质量簇来评估漂移。将质量峰一起分组到质量簇中，这可以对于 后续的处理步骤有用。

在某些实现方式中，在所有谱中检测具有基本上相同的质量的离 子可以包括：识别与第一和第二离子相对应的第一和第二谱峰，并且， 确定各个谱峰的第一飞行时间和第二飞行时间。可以给谱峰分配内阈 值，使得在其各个飞行时间的绝对差小于内阈值时，给第一和第二离 子分配相同的质量。

以相似的方式，可以给谱峰分配外阈值，并且，从任何飞行时间 漂移计算和/或校正排除其飞行时间的绝对差小于外阈值且大于内阈 值的任何离子。外阈值防止具有强干扰的离子参与漂移校正。

消除飞行时间(TOF)漂移可以提供改善了的质量精度。漂移校正 不必一定需要连续地注入校准剂。TOF漂移校正可以利用自然发生的 背景离子。但是，如果注入背景校准剂，那么TOF漂移校正可以使用 校准剂的离子。而且，由于可以使用很多离子，所以TOF漂移校正不 会过度校正离子的任何统计TOF变化。

在附图和下面的描述中阐述本公开的一个或多个实现方式的细 节。根据说明书和附图以及权利要求书，其它的方面、特征和优点将 会显而易见。

附图说明

图1是示例性飞行时间质谱仪（TOF-MS）系统的示意图。

图2提供用于校正TOF-MS中的飞行时间漂移的操作的示例性 布置。

图3提供谱中的示例性质谱峰的曲线图。

图4和5是用于校正飞行时间TOF漂移的用于确定两个离子是 否具有相同的质量的操作的示例性布置的示意图。

各图中的相同附图标记指示相同的元素。

具体实施方式

参照图1，在飞行时间(TOF)质谱仪(MS)100中，离子10的质量 M可以通过下述方式来确定：使一个或多个离子10沿着飞行路径（例 如，使用电场）加速，测量一个或多个离子10的飞行时间T，并且， 通过使用飞行时间T作为质量M的函数的关系（例如，质量校准公 式）来确定一个或多个离子10的质量M。例如，可以使用下式来确 定每一个离子10的飞行时间T：

$T=\frac{d}{\sqrt{2U}}\sqrt{\frac{M}{z}},---\left(1\right)$

其中，d是离子10的飞行路径长度，M是离子10的质量，z是 离子10的电荷，U是用来使离子10加速的电位差（电压）。用已知 的电场强度U使离子10加速，导致每一个离子10具有与具有相同电 荷z的任何其他离子10相同的动能。由于离子10的速度取决于其质 荷比(m/z)，所以可以测量离子10随后沿着飞行路径行进并到达检测 器130所花费的时间（即，飞行时间T）。较重离子10比较轻离子 10行进得相对较慢且行进相对较长的飞行时间T。

图1提供示例性飞行时间质谱仪(TOF-MS)系统100的示意图， 该系统包括与TOF分析仪120（例如，平面多反射TOF(M-TOF)分 析仪）和检测器130通信的离子源组件110（例如，具有转移离子光 学器件和正交加速器的加速离子源）。离子源组件110使离子10（例 如，离子包）加速通过具有飞行路径和对应的飞行路径长度d的TOF 分析仪120并到达检测器130。

TOF漂移（以及因此质量漂移）可以是由于诸如TOF-MS100 的部件(例如，飞行管)的热膨胀和收缩以及电源变化的各种环境因素 而引入的。这些因素会导致离子10在获取过程开始时具有初始质量M 和飞行时间T₁，然后在获取过程结束时具有不同的飞行时间T₂= T₁+E，其中，E是由于例如环境因素的变化而引起的误差时间或漂移 时间。第二飞行时间T₂导致在获取过程期间确定的第二质量M₂不同 于第一质量M₁（例如，由于飞行管或者TOF分析仪120的热膨胀） 而不等于第一质量M₁，因为离子10的实际质量M尚未改变。

在某些实现方式中，TOF漂移使离子10的TOF以均匀的方式 在谱内偏置。例如，TOF漂移可以将离子10的TOF以因子D缩放。 通过检测该漂移并将离子10的TOF以校正因子C=1/D缩放，可以校 正离子10的TOF，使得对于第一谱的离子10的TOF（以及由此确定 的质量M）处于与随后的谱相同的尺度。

TOF漂移会导致在谱N₁中遇到的质量M只在随后的谱N_n中稍 微偏移。通过在所有谱N_n中检测具有相同质量M的离子10，可以确 定和校正TOF漂移的量。

图2提供用于校正TOF-MS100中的飞行时间漂移的操作的示例 性布置200。这些操作包括识别202至少一个谱N中的离子10的质谱 峰P（例如，参见图3）。这些操作还包括：在所有谱N中检测204 具有基本上相同的质量M的离子10，确定206检测到的离子10的飞 行时间漂移E，以及，通过对每一个相应的飞行时间T应用校正因子 C来校正208检测到的离子10的飞行时间漂移E。

图4提供用于校正TOF漂移E的用于确定两个离子10是否具有 相同的质量M的操作的示例性布置400。这些操作包括在至少两个不 同谱N_n中识别402离子10的质谱峰P_m，以及将每一个识别的质谱峰 P_m表示404为高斯分布。高斯分布是具有高于2的所有阶的0累积量 的绝对连续的概率分布。高斯分布可以由下式表示：

$f\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{{2\mathrm{\pi \sigma }}^2}}{e}^{-\frac{{(x-\mu )}^2}{2{\sigma }^2}}---\left(2\right)$

其中，μ和σ²是分布的中间数和方差。具有μ=0和σ²=1的高斯 分布被称为标准正则分布。这些操作还包括确定406每一个相应质谱 峰P_m的飞行时间(TOF)、宽度和强度，并且给离子10的真实TOF T 分配408置信级别。对于重叠置信级别，这些操作包括给相应的质谱 峰P_m和相应的离子10分配410相同的质量M。该置信级别可以与高 斯分布的中间数的偏差成正比。例如，在峰或中间数的一个标准偏差 内的质谱峰P_m具有比在两个标准偏差内的质谱峰P_m高的置信级别。

图5提供用于校正TOF漂移E的用于确定两个离子10是否具有 相同的质量M的操作的示例性布置500。这些操作包括识别502第一 谱峰P₁和第二谱峰P₂（例如，参见图3）和确定504相应的谱峰P₁,P₂的第一TOF T₁和第二TOF T₂。这些操作包括定义506用于谱峰P₁,P₂的内阈值I和外阈值O。这些操作还包括：如果第一飞行时间T₁和第 二飞行时间T₂在相互的内阈值I内（例如，|(T₁–T₂)|<I），那么给 第一谱峰P₁和第二谱峰P₂分配508相同的质量M。外阈值O可以被 用来排除干扰。例如，如果存在在任意谱N中存在具有对应的第三离 子10，使得|(T₁–T₃)|<O或|(T₂–T₃)|<O，那么这些操作可以包括从 TOF漂移校正排除310第三离子10。

在一些实现方式中，用于校正TOF漂移的操作包括：选择具有 干扰性或不精确性的离子10；以及从漂移校正计算当中消除这些离子 10。例如，这些操作可以包括：针对N个最高离子10选择限定离子 对，以及排除相对较不强的离子10，在相关的TOF测量中，这些离 子具有相对较多的噪声。这些操作可以包括：针对每一个离子对确定 评估的TOF漂移E；以及在该评估组中消除与其它评估TOF漂移E 明显不同的评估TOF漂移E（例如，异常点）。例如，这些操作可以 包括：消除在与评估TOF漂移E的组的平均或中间评估TOF漂移E 相差一个标准偏差或一个平均绝对偏差之外的评估TOF漂移E。这些 操作还包括组合用于（例如，通过确定TOF漂移的算术中间数或中位 数）确定最终TOF漂移评估的其余评估的TOF漂移。

可以在TOF-MS100内保持历史质谱数据。具有较大强度或持久 性的离子10可以被选择用于获取和存储（例如，在存储器中）对应的 谱数据作为历史数据。当校正新谱内的离子10的TOF漂移时，可以 在历史谱数据和新获取的谱数据之间确定匹配。匹配历史谱数据可以 被用来计算漂移校正斜率，这可以被应用于新谱。在历史谱数据中的 第一离子10a和新谱中的第二离子10b之间可以确定TOF和/或强度 差。当确定的TOF和/或强度差在阈值内时，可以存在第一离子10a 和第二离子10b之间的匹配。而且，来自新获取的谱的离子10可以被 选择用于与历史谱（例如，匹配离子10）相加。在某一时间内没有看 到的离子10可以从历史谱数据中老化。

在一些实现方式中，在没有用于TOF漂移校正的特定离子质量 的用户指定或选择的情况下，TOF-MS100识别用于TOF漂移校正的 离子10。用户可以指定选择标准，以限制哪些离子质量用于TOF漂 移校正。质量范围和/或强度限制可以被用来排除某些离子10用于漂 移校正。

被选择用于漂移校正的离子10可以被动态地更新，由此允许使 用非背景离子10来执行TOF漂移校正程序。对于使用用于TOF漂移 校正的离子10的要求可以包括在多个相邻谱中遇到离子10。为了此 目的，也可以使用来自色谱峰的离子10。当色谱峰已经被完全洗提时， 漂移校正算法或程序可以使用另一离子10。

TOF漂移校正程序可以在多个样本之上扩展。如果多个样本具 有相似组的背景离子10，那么可以识别背景离子10，并且，可以对样 本进行校正，以使用同一TOF尺度（由此，质量校准）作为单一主样 本。而且，经由TOF漂移校正程序的质量校准可以在多个样本之上执 行。

饱和的离子峰会不适合于漂移校正。由于与饱和度的峰畸变，这 些离子可以具有不可预见的TOF。这会导致误差引入到漂移校正因 子。在一些实现方式中，这些饱和的离子峰可以被漂移校正算法而被 忽略，从而导致更高质量的校正。

低电平离子峰会不适合于漂移校正。这些离子可以具有明显变化 的TOF，因为它们代表非常少的独立的离子测量。在一些实现方式中， 低电平离子峰可以被漂移校正忽略。此外，仅仅由低电平离子峰构成 的谱会导致漂移校正算法去激活。这会避免引起比校正的误差更多的 误差。

这里描述的系统和技术的各种实现方式可以在数字电子电路、集 成电路、专门设计的ASIC（专用集成电路）、计算机硬件、固件、 软件和/或其组合中实现。各种这样的实现方式可以包括在包括至少一 个可编程处理器的可编程系统上可执行和/或可解释的一个或多个计 算机程序中实现，所述至少一个可编程处理器可以是特殊或普通的目 的，被耦接用来接收来自存储系统、至少一个输入装置和至少一个输 出装置的数据和指令，并且发送数据和指令给存储系统、至少一个输 入装置和至少一个输出装置。

这些计算机程序（也被称为程序、软件、软件应用或代码）包括 用于可编程处理器的机器指令，并且可以用高级程序和/或面向对象的 程序语言和/或组件/机器语言实现。如本文中使用的术语“机器可读介 质”、“计算机可读介质”是指用来提供机器指令和/或数据给可编程处 理器的任何计算机程序产品、设备和/或装置（例如，磁盘、光盘、存 储器、可编程逻辑装置（PLD）），该可编程处理器包括接收机器指 令作为机器可读信号的机器可读介质。术语“机器可读信号”是指用于 提供机器指令和/或数据给可编程处理器的任何信号。

为了提供与用户的交互，这里描述的系统和技术可以在计算机上 实现，该计算机具有用于向用户显示信息的显示装置（例如，CRT（阴 极射线管）或LCD（液晶显示器）监视器）和键盘以及指向装置（例 如，鼠标或跟踪球），通过该指向装置，用户可以向计算机提供输入。 其它类型的装置也可以用来提供与用户的交互；例如，向用户提供的 反馈可以是传感反馈（例如，视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈）的任 何形式；并且，来自用户的输入可以以包括声音、语音或触觉输入的 任何形式被接收。

这里描述的系统和技术可以在计算机系统中实现，该计算机系统 包括后端部件（例如，数据服务器），或者包括中间件部件（例如， 应用服务器），或者包括前端部件（例如，具有图形用户界面或Web 浏览器的客户端计算机，通过图形用户界面或Web浏览器，用户可以 与这里描述的系统和技术的实现方式交互），或者包括这种后端部件、 中间件部件或前端部件的任何组合。系统的部件可以通过数字数据通 信的任何形式或媒体（例如，通信网络）互连。通信网络的例子包括 局域网（“LAN”）、广域网（“WAN”）和互联网。

计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器通常相互远 离并且通常通过通信网络交互。借助于在各个计算机上运行的且相互 之间具有客户端-服务器关系的计算机程序，发生客户端和服务器的关 系。

在本说明书中描述的功能操作和主题的实现方式可以在数字电 子电路中，或者在包括在本说明书中公开的结构和其结构等同物的计 算机软件、固件或硬件、或者其中的一个或多个的组合中实现。在本 说明书中描述的主题的实现方式可以被实现为一个或多个计算机程序 产品，即，在由数据处理设备执行（或者，控制数据处理设备的操作） 的计算机可读介质上编码的计算机程序指令的一个或多个模块。计算 机可读介质可以是机器可读存储装置、机器可读存储基板、存储器装 置、实现机器可读传播信号的主体的构成、或者其中的一个或多个的 组合。术语“数据处理设备”包括用于处理数据的所有的设备、装置和 机器，例如，其包括可编程处理器、计算机或多个处理器或计算机。 除了硬件以外，设备还可以包括产生用于正在讨论的计算机程序的执 行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议堆、数据库管理系统、 操作系统、或者其中的一个或多个的组合的代码。传播信号是人工产 生的信号，例如，产生用来编码用于传输到合适的接收器设备的信息 的机器产生电信号、光信号或电磁信号。

计算机程序（也被称为程序、软件、软件应用、脚本或代码）可 以以包括编译或解释的语言的编程语言的任何形式写，并且，计算机 程序可以以包括作为独立程序或者作为模块、部件或子程序或适用于 计算环境的其它单元的任何形式部署。计算机程序不必一定对应于文 件系统中的文件。程序可以被存储在保持其它程序或数据（例如，在 标记语言文档中存储的一个或多个脚本）的文件的一部分、专用于正 在讨论的程序的单一文件或者多个协调文件（例如，存储一个或多个 模块、子程序或代码的部分的文件）中。计算机程序可以被部署用来 在一个计算机或多个计算机上执行，所述多个计算机位于一个位点处 或者被分布在多个位点之上，并且通过通信网络互连。

本说明书中描述的处理和逻辑流程可以由执行一个或多个计算 机程序的一个或多个可编程处理来执行，以通过对输入数据进行操作 并产生输出来执行功能。这些处理和逻辑流程也可以由专用逻辑电路 来执行，并且，设备也可以被实现为专用逻辑电路，该专用逻辑电路 例如是FPGA（场可编程门阵列）或ASIC（专用集成电路）。

适合于计算机程序的执行的处理器包括，例如，通用微处理器和 专用微处理器二者，以及任何类型的数字计算机的任何一个或多个处 理器。通常，处理器将从只读存储器或随机访问存储器或二者接收指 令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器和用于存储指 令和数据的一个或多个存储器装置。通常，计算机也将包括用于存储 数据的一个或多个海量存储装置，例如，磁盘、磁光盘或光盘，或者， 该计算机可操作地耦接以从所述一个或多个海量存储装置接收数据或 者将数据传送到所述一个或多个海量存储装置，或者从所述一个或多 个海量存储装置接收数据以及将数据传送到所述一个或多个海量存储 装置。但是，计算机不必具有这些装置。而且，计算机可以被嵌入在 另一个装置中，所述另一装置例如是移动电话、个人数字助理（PDA）、 移动音频播放器、全球定位系统（GPS）接收器，这仅仅列举几个。 适用于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质包括所有形式的 非易失性存储器、介质和存储器装置，其包括，例如，半导体存储器 装置（例如，EPROM、EEPROM和闪速存储器装置）；磁盘，例如， 内部硬盘或可移动盘；磁光盘；以及CD ROM和DVD-ROM盘。处 理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或者被合并在专用逻辑电路 中。

为了提供与用户的交互，本说明书中描述主题的实现方式可以在 计算机上实现，该计算机具有用于向用户显示信息的显示装置（例如， CRT（阴极射线管）或LCD（液晶显示器）监视器）和键盘以及指向 装置（例如，鼠标或跟踪球），通过该指向装置，用户可以向计算机 提供输入。其它类型的装置也可以用来提供与用户的交互；例如，向 用户提供的反馈可以是传感反馈（例如，视觉反馈、听觉反馈或触觉 反馈）的任何形式；并且，来自用户的输入可以以包括声音、语音或 触觉输入的任何形式被接收。

尤其，描述的实现方式的有益特征包括：(i)对相关光源的减少 的需求和增加的热稳定性；(ii)不必被指定的背景离子；(iii)该方法允 许组合多个持久质量计算漂移校正的加权评估并在加权评估中使用它 们之前限定质量；(iv)该方法允许实时地应用校正并使校正率与谱报告 率匹配；(v)漂移校正可以被继续到下一次分析，使得在分析之间尽可 能多地保留质量校准；以及(vi)可以在存储器中保留持久质量，使得如 果数据片段具有低离子丰度，使得禁用漂移校正，那么当充分的丰度 被恢复并锁定回到前一谱时，可以重新激活该漂移校正。

虽然本说明书包含很多细节，但是，这些不应当被解释为限制本 发明的范围或者本发明会要求包含的范围，但是，确切地，作为对本 发明的具体实现方式所特有的特征的描述。在不同实现方式的背景中 在本说明书中描述的某些特征也可以组合在单一实现方式中实现。相 反，在单一实现方式的背景中描述的各种特征也可以分别在多个实现 方式中或者在任何合适的子组合中实现。而且，虽然上面可以描述特 征作为在某些组合中操作并甚至同样地要求原样保护，但是，在某些 情况中来自要求保护的组合的一个或多个特征可以从该组合中被切 除，并且，要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变型、

类似地，虽然在图中按照特定的顺序描绘操作，但是，这不应当 被理解为要求这些操作按照示出的特定顺序或以序列的顺序执行或者 所有图示的操作都执行以实现期望的结果。在某些情形中，多任务和 并行处理可能是有利的。而且，上述的实现方式中的各种系统部件的 分离不应当被理解为在所有的实现方式中要求这种分离，并且，应该 理解，描述的程序部件和系统通常可以被集成在单一软件产品中或者 被封装到多个软件产品中。

已经描述大量的实现方式。但是，将会理解，可以在不脱离本公 开的精神和范围的情况下进行各种修改。例如，可以通过重新排序步 骤、添加步骤或者去除步骤来使用上面示出的各种形式的流程。此外， 虽然已经描述了系统和方法的若干应用，但是应该认识到，预想到大 量的其它应用。因此，其它实现方式在下述权利要求的范围内。