用于利用离子淌度谱测量离子的碰撞截面的快速方法

摘要

在此公开用于利用离子淌度谱测量离子的碰撞截面的快速方法。可以通过测量样本离子耗费于行进通过离子淌度谱漂移单元到达离子检测器的总漂移时间来计算所述样本离子的碰撞截面(CCS)。可以基于所测量的总漂移时间以及定义所述样本离子耗费于行进通过漂移单元与检测器之间的淌度支配区域的时间的比例系数来计算CCS。可以根据测量基准离子的总漂移时间来确定所述比例系数。计算所述样本离子的CCS还基于定义所述样本离子耗费于行进通过淌度独立区域的时间的比例系数，在所述淌度独立区域中，所述离子的速度取决于所述离子的静电场强度、质量和电荷状态。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及离子淌度谱(IMS)和离子淌度-质谱(IM-MS)。本发明尤其涉及用于利用IM-MS器件来测量(计算)分析物离子的碰撞截面(CCS)的方法开发。

背景技术

离子淌度谱(IMS)是一种气相离子分离技术，其中，离子随着它们行进通过含有已知组分(例如氮)、压力和温度的缓冲气体(漂移气体)的已知长度的漂移单元(漂移管)而在时间上变为分离的。在这种行进期间，离子基于可以与它们的通过缓冲气体的不同淌度相关的它们的不同碰撞截面(CCS)而变为分离的。IMS系统通常包括用于对感兴趣样本的分子进行离子化的离子源，后随接收离子的漂移单元，后随用于对分离后的离子进行计数的离子检测器。离子检测器与被配置用于根据需要处理来自离子检测器的输出信号以产生用户可解释漂移谱的电子器件进行通信。漂移谱典型地呈现为包含指示所检测到的离子的相对丰度的一系列峰值作为它们通过漂移单元的漂移时间的函数的图线。漂移谱可以用于标识并且区分样本的不同分析物核素。

IMS可以与一种或多种其它类型的分离技术耦合，以增加化合物标识能力(例如气体色谱(GC)、液体色谱(LC)或质谱(MS))。例如，IMS漂移单元可以与MS系统内嵌耦合，以形成组合的IM-MS系统。MS系统通常包括用于基于离子的不同质荷比(或m/z比，或更简单地，“质量”)来分离离子的质量分析器，后随离子检测器。MS分析产生质谱，其为指示所检测到的离子的相对丰度的一系列峰值作为它们的m/z比的函数。质谱可以用于确定样本的成分的分子结构。IMS漂移单元一般耦合到飞行时间质谱仪(TOFMS)，其利用无电场飞行管形式的高分辨率质量分析器(TOF分析器)。离子提取器(或脉冲器)将脉冲(或包封)中的离子注入到飞行管中。不同质量的离子以不同速度行进通过飞行管，并且因此根据它们的不同质量而分离(分离开)，这使得能够进行基于飞行时间的质量分辨。

在组合式IM-MS系统中，离子源后随IMS漂移单元，IMS漂移单元后随质量分析器，然后是离子检测器。因此，离子在发送到MS之前据淌度而得以分离，在MS中，它们然后受质量解离。在包括生物聚合物(例如多聚核苷酸、蛋白质、碳水化合物等)的复杂化学混合物的分析中,串行执行两种分离技术是特别有用的，这是因为所加入的由IM分离提供的维度可以有助于分离彼此不同但呈现交叠质量峰值的离子。这种混合式分离技术可以进一步通过其与LC耦合而得以增强，因此提供LC-IM-MS系统。

在低场漂移时间IMS技术中，离子在漂移单元的电极所建立的均匀DC电压梯度的影响下行进通过漂移单元。对于低场IMS技术所利用的典型电场包括但不限于10至20V/cm，并且典型缓冲气体压力包括但不限于1至760Torr。在电场将离子移动通过漂移单元的同时，离子归因于与漂移单元中的静止缓冲气体的碰撞而经历拖拽力。拖拽力抵抗移动离子的电力。离子所经历的拖拽力取决于作为离子的大小和形状的函数的其碰撞截面(CCS或Ω)，并且取决于其电荷和质量。因为多个带电离子归因于电场而经历更大的力，所以多个带电离子比单个带电离子更高效地移动通过缓冲气体。具有较大CCS的离子因与缓冲气体的碰撞而更容易受阻。在进入漂移单元之后，快速地达到拖拽力与电力之间的均衡状态，并且离子以恒定漂移速度V_d开始移动，漂移速度V_d如下与所施加的强度E的电场成正比：

V_d＝KE，(1)

其中，比例常数K是离子的气相淌度，典型地以cm²x v^-1x s^-1为单位而给定。为了计量缓冲气体的压力和温度的差异，淌度K可以如下表达为减少的淌度(reduced mobility)K_o，其中，缓冲气体的压力P(以Torr为单位)和温度T(以开耳文为单位)是归一化的：

$>K_o=\frac{L}{t_{d}E}\frac{P}{760}\frac{273.2}{T},---\left(2\right)$>

其中，关于漂移单元的长度L和通过漂移单元的离子的漂移时间t_d(以ms为单位)表达离子漂移速度，760Torr是标准压力，273.2开耳文是标准温度。因此，可以通过测量离子的漂移时间t_d(即离子耗费于横穿已知长度L和所施加的电场强度E的时间)来以实验方式计算感兴趣离子的淌度。

如果离子通过漂移单元的漂移时间、漂移单元中的压力以及穿过漂移单元的电压是已知的，则我们可以计算离子的CCS。该CCS参数对于离子是特定的，并且是独立于器件的，并且因此可以用作用于化合物标识的唯一参数。CCS参数在分子的结构表征、理论分子动态仿真以及其它探究领域饶有感兴趣。通过Mason-Schamp公式，减少的淌度K_o可以与CCS，Ω(典型地以埃平方为单位)有关：

$>K_o=\frac{{\left(18\pi \right)}^{1/2}}{16}\frac{\mathrm{ze}}{{\left(k_{b}T\right)}^{1/2}}{[\frac{1}{m_I}+\frac{1}{m_B}]}^{1/2}\frac{1}{N}\frac{1}{\Omega },----\left(3\right)$>

其中，ze是离子上的电荷，k_b是玻尔兹曼常数，T是温度，m_I是离子的质量，m_B是缓冲气体分子的质量，N是缓冲气体的数密度。可见，离子淌度直接与离子上的电荷成正比，但与离子的CCS成反比。可以如下通过组合公式(2)和(3)并且对于Ω进行求解来直接根据以实验方式确定的变量(例如漂移时间t_d)计算CCS：

$>\Omega =\frac{{\left(18\pi \right)}^{1/2}}{16}\frac{\mathrm{ze}}{{\left(k_{b}T\right)}^{1/2}}{[\frac{1}{m_I}+\frac{1}{m_B}]}^{1/2}\frac{t_{d}E}{L}\frac{760}{P}\frac{T}{273.2}\frac{1}{N}.----\left(4\right)$>

在典型的基于离子淌度的系统中，存在离子从漂移单元的出口行进到离子检测器并且离子的飞行一点也不受淌度影响的某段距离。例如，在混合式IM-MS系统中，离子归因于漂移单元与质量分析器/检测器之间存在的离子光学元件而耗费附加时间以到达检测器。因此，所观测到的由检测器测量的离子的漂移时间t_D大于离子耗费于行进通过漂移单元的实际时间t_d。因此，Mason-Schamp公式中用于计算离子的CCS的漂移时间t_d是“校正的”漂移时间，其可以根据以下关系式得出：

t_d＝t_D–t₀，(5)

其中，t₀是离子花费于从漂移单元的出口行进到离子检测器的时间。正确计算时间t₀对于CCS测量的精度是关键的。

传统上，通过在不同漂移场强度E(V/cm)执行若干次离子淌度实验并且绘制所观测(测量)的漂移时间t_D(y轴)对于所施加的漂移电压的倒数(1/V)(或对于场强度(1/E))(x轴)来计算时间t₀。所得图线是沿着示出所观测的漂移时间与所施加的漂移场/电压的倒数之间的线性相关性的直线分布的数据点集合(1/V，t_D)。该图线在y轴(漂移时间轴)上的截距是用于感兴趣离子的时间t₀。

一般实践是对于一次CCS实验采用至少五个不同漂移电压并且在每个漂移电压执行至少五次离子淌度实验。假设这耗费大约60ms以执行一次离子淌度实验，则所需的总测量时间将是大约1.5s。遗憾的是，该测量时间量对于很多情况是不可接受地长的。例如，该测量时间量与现代色谱并非十分兼容，因为色谱峰值宽度可能如1s那样短，其中，3s的峰值宽度是很普遍的。

因此，需要提供一种用于更快CCS测量的方法，尤其是与色谱分离的时间规模兼容的方法。

发明内容

为了全部或部分解决前述问题和/或本领域技术人员已经观察到的其它问题，本公开提供如在以下所阐述的实现方式中通过示例的方式所描述的方法、处理、系统、装置、器件和/或设备。

根据一个实施例，一种用于测量样本离子的碰撞截面(CCS)的方法，包括：测量所述样本离子耗费于行进通过离子淌度谱漂移单元到达离子检测器的总漂移时间；以及基于所测量的总漂移时间以及与所述样本离子耗费于行进通过所述漂移单元外部的淌度支配区域的外部漂移时间有关的比例系数来计算所述样本离子的CCS。

根据另一实施例，一种用于从样本获取谱数据的方法，包括：从所述样本产生多个样本离子；发送所述样本离子通过所述漂移单元，以分离不同CCS的样本离子；将所述样本离子从所述漂移单元发送通过质量分析器，以分离不同m/z比的样本离子；将所述样本离子从所述质量分析器发送到所述离子检测器；根据在此所公开的任何方法来计算所述各个样本离子的CCS；以及根据所述离子检测器所输出的信号来生成漂移时间谱和质谱。

根据另一实施例，一种离子淌度-质谱(IM-MS)系统被配置用于执行所有或部分在此所公开的任何方法。

根据另一实施例，一种离子淌度-质谱(IM-MS)系统，包括：IM漂移单元，包括漂移单元入口和漂移单元出口；中间区域，跟随所述漂移单元出口并且包括淌度依赖区域；MS检测器，跟随所述中间区域；以及计算设备，被配置用于通过以下步骤来测量样本离子的碰撞截面(CCS)：测量所述样本离子耗费于从所述漂移单元入口行进到所述离子检测器的总漂移时间；以及基于所测量的总漂移时间以及与所述样本离子耗费于行进通过所述漂移单元并且通过所述淌度依赖区域的漂移时间有关的比例系数来计算所述样本离子的CCS。

根据另一实施例，一种用于测量样本离子的碰撞截面(CCS)的系统包括：至少一个处理器；以及存储器，被配置用于执行所有或部分在此所公开的任何方法。

根据另一实施例，一种计算机可读存储介质包括用于执行所有或部分在此所公开的任何方法的指令。

根据另一实施例，一种系统包括所述计算机可读存储介质。

在审阅以下附图和具体实施方式时，本发明的其它设备、装置、系统、方法、特征以及优点对于本领域技术人员将是或将变得清楚。意图所有这些附加系统、方法、特征和优点包括于该描述内、在本发明的范围内，并且受所附权利要求所保护。

附图说明

通过参照以下附图，可以更好地理解本发明。附图中的组件并不一定成比例，而是着重示出本发明的原理。在附图中，相同标号贯穿不同附图指定对应部分。

图1A是根据一些实施例的离子淌度-质谱(IM-MS)系统的示例的示意图，并且其可以用于实现在此所公开的主题内容。

图1B是可以作为图1A所示的IM-MS系统的一部分或与其进行通信的计算设备的示例的示意图。

图2是与根据在此所公开的方法来测量离子的碰撞截面结合而利用的用于基准化合物的t_D针对γΩ的图线。

图3是与根据在此所公开的方法来测量离子的碰撞截面结合而利用的用于基准化合物的t_D针对γΩ的另一图线。

具体实施方式

图1A是根据一些实施例的离子淌度-质谱(IM-MS)系统100的示例的示意图，并且其可以用于实现在此所公开的主题内容。IM-MS系统100可以被看作执行用于计算一个或多个感兴趣离子的碰撞截面(CCS)的方法的操作环境的非限定性示例。以下通过示例的方式来描述这些方法的代表性实施例。

IM-MS系统100通常包括离子源104、IMS 108和MS 116。IM-MS系统100通常可以还包括以下进一步描述的IMS 108与MS 116之间的离子处理112。IM-MS系统100可以还包括离子源104与IMS 108之间的离子捕集部和/或离子门134。在离子源104被配置用于输出离子的脉冲或包封的一些实施例中，可以不包括离子捕集部和/或离子门134。IM-MS系统100还包括真空系统，用于将IM-MS系统100的各种内部区域保持在受控的亚大气压力级别。真空线120-128示意性地描述真空系统。本领域技术人员应理解，真空线120-128示意性地表示一个或多个真空生成泵和关联管件以及其它组件。真空线120-128也可以通过IM-MS系统100从离子路径移除任何残余非分析中性分子。IM-MS系统100可以还包括计算设备118，被配置用于控制IM-MS系统100的各个组件，并且其可以进一步被配置用于提供并且控制用户接口。IM-MS系统的各种组件的操作和设计通常对于本领域技术人员是已知的，并且因此无需在此详细描述。反之，简要描述特定组件以促进理解目前所公开的主题内容。

离子源104可以是任何类型的适合于产生用于谱的分析物离子的连续束状或脉冲式离子源。离子源104的示例包括但不限于电喷雾电离(ESI)源、其它大气压力电离(API)源、光电离(PI)源、电子电离(EI)源、化学电离(CI)源、场电离(FI)源、等离子体或电晕放电源、激光解吸附电离(LDI)源以及矩阵辅助激光解吸附电离(MALDI)源。在一些实施例中，离子源104可以包括两个或更多个电离设备，其可以是相同类型或不同类型的。取决于所实现的电离的类型，离子源104可以驻留在真空腔室中，或可以操作在大气压力或其左右。可以通过任何合适的手段将待分析的样本材料引入到离子源104，包括联用技术，其中，样本材料是分析物分离器件(例如比如气体色谱(GC)或液体色谱(LC)器件(未示出))的输出136。通常，包括GC或LC器件确定哪些类型的电离技术对于IM-MS系统100是适当的。

IMS 108包括在腔室中所封闭的漂移单元142。腔室与泵浦连通，泵浦将漂移单元142保持在范围从例如1至760Torr的缓冲(漂移)气体压力。气体入口144将惰性缓冲气体(例如氮气)导向到漂移单元腔室中。漂移单元142包括沿着轴相隔的一系列漂移单元电极(典型地环形)。漂移单元电极处于与电压源进行信号通信，以沿着轴生成DC电压梯度。如上所述，轴向DC电压梯度在存在漂移气体的情况下移动离子通过漂移单元142，由此，离子基于它们的不同CCS而在时间上变为分离的。DC电压梯度可以通过已知方式得以生成(例如通过在最先与最后漂移单元电极之间施加电压)，并且通过最先与最后漂移单元电极之间的电阻分压器网络，从而较低电压不断地沿着漂移单元142的长度施加到各个漂移单元电极。

MS 116通常可以包括腔室中所封闭的质量分析器148和离子检测器150。真空线128将质量分析器148的内部保持在十分低的(真空)压力。在一些实施例中，质量分析器148压力范围从10^-4到10^-9Torr。质量分析器148可以是被配置用于基于分析物离子的各个m/z比来分离、排序或过滤它们的任何设备。质量分析器的示例包括但不限于多极电极结构(例如四极质量过滤器、离子捕集器等)、飞行时间(TOF)分析器、离子回旋加速谐振(ICR)捕集器以及基于电场或磁场的区段器件。离子检测器150可以是任何被配置用于收集并且测量从质量分析器148输出的质量差别离子的通量(或流)的设备。离子检测器150的示例包括但不限于多通道板、电子乘法器、光子乘法器和法拉第杯。

通常，离子处理区段112可以被看作漂移单元142的出口与质量分析器148的入口之间的区段(例如TOF分析器的脉冲器)。通常，离子处理区段112可以被看作被配置用于接收从漂移单元142洗净的离子，并且将离子传送到MS 116。如下所述，本公开计量离子耗费于横穿离子处理区段112的时间，即离子在漂移单元142与MS 116之间所花费的时间。离子处理区段112所包括一个或多个位于漂移单元142与MS 116之间的组件(结构、设备、区域等)。这些组件可以提供各种功能，例如比如压力减少、中性气体移除、离子束汇聚/引导、离子过滤/选择、离子分段等。构成离子处理区段112的各组件的确切组合将随着IM-MS系统设计而变化。在所示示例中，离子处理区段112包括接收并且汇聚从漂移单元142洗净的离子的离子漏斗154、四极质量过滤器156以及碰撞单元158。离子处理区段112可以还包括在沿着漂移单元142与MS 116之间的离子路径的一个或多个点处的静电离子光器件(例如透镜)。离子处理区段112可以在此又称为漂移单元142与离子检测器(即MS 116)之间的“中间区域”。

因此，在一些实施例中，与离子处理区段112(或其一部分)组合的MS 116可以形成级联MS或MSⁿ系统。作为示例，级联MS可以包括质量过滤器，后随碰撞单元，碰撞单元进而后随质量过滤器(例如三元四重或QQQ系统中的的最终质量过滤器或扫描器或qTOF系统中的TOF分析器)。

计算设备118示意性地描述为表示被配置用于对IM-MS系统100的各个功能方面(例如比如离子源104、IMS 108和MS 116以及可以在IM-MS系统100中提供但在图1A中并未具体地示出的任何真空泵浦、离子光器件、上游LC或GC器件、样本引入设备等)进行控制、监控和/或定时的一个或多个模块或组件。一个或多个模块或组件可以是或可以实施在例如台式计算机、膝上型计算机、便携式计算机、平板计算机、手持计算机、移动计算设备、个人数字助理(PDA)、智能电话等中。计算设备118也可以示意性地表示将电压施加到IM-MS系统100的各个组件所需的未具体示出的所有电压源以及时序控制器、时钟、频率/波形发生器等。计算设备118也可以被配置用于从离子检测器128接收离子检测信号并且根据需要而执行与数据获取和信号分析有关的任务以生成表征待分析的样本的色谱图、漂移谱和质谱。计算设备118也可以被配置用于提供并且控制用户接口，用户接口提供谱数据以及用户可以交互的其它数据的屏幕显示，如下所述。计算设备118可以包括一个或多个读取设备，在所述一个或多个读取设备上或其中，可以加载包括用于执行所有或部分在此所公开的任何方法的指令的有形计算机可读(机器可读)介质。出于所有这些目的，计算设备118可以经由有线或无线通信链路(如部分地表示的那样，例如，通过计算设备118与MS 116之间的虚线)与IM-MS系统100的各个组件进行信号通信。也是出于这些目的，计算设备118可以包括一种或多种类型的硬件、固件和/或软件以及一个或多个存储器和数据库。

图1B是可以作为例如图1A所示的IM-MS系统的一部分或与其进行通信的计算设备118的非限定性示例的示意图。在所示实施例中，计算设备118包括处理器162(典型地，基于电子的)，其可以表示提供总体控制的主电子处理器以及被配置用于专用控制操作或特定信号处理任务的一个或多个电子处理器(例如图形处理单元或GPU)。计算设备118还包括一个或多个存储器164(易失性和/或非易失性)，用于存储数据和/或软件。计算设备118可以还包括一个或多个设备驱动器166，用于控制一种或多种类型的用户接口设备并且在用户接口设备与和用户接口设备进行通信的计算设备118的组件之间提供接口。这些用户接口设备可以包括用户输入设备168(例如键盘、键区、触摸屏、鼠标、操纵杆、轨迹球等)以及用户输出设备170(例如显示屏、打印机、视觉指示器或告警器、听觉指示器或告警器等)。在各个实施例中，计算设备118可以被看作包括一个或多个用户输入设备168和用户输出设备170，或至少与它们进行通信。计算设备118可以还包括存储器中所包含的一种或多种类型的计算机程序或软件172和/或一种或多种类型的计算机可读介质174。计算机程序或软件可以包含用于执行所有或部分在此所公开的任何方法的指令(例如逻辑指令)。计算机程序或软件可以包括应用软件和系统软件。系统软件可以包括操作系统(例如Microsoft 操作系统)，用于控制并且管理计算设备118的各种功能，包括硬件与应用软件之间的交互。具体地说，操作系统可以提供可经由用户输出设备170(例如显示屏)显示的图形用户接口(用户接口)，用户可以通过使用用户输入设备168(例如键盘或指点设备(例如鼠标))与之交互。计算设备118可以还包括一个或多个数据获取/信号调节组件176(同样可以通过硬件、固件和/或软件来实施)，以用于接收并且处理离子检测器150所输出的离子测量信号，包括对用于由GUI以图形形式进行呈现的数据进行格式化。

应理解，图1A和图1B是与本公开一致的IM-MS系统100和关联计算设备118的示例的高级示意性描述。对于实际实现，可以根据需要而包括其它组件(例如附加结构、真空泵浦、气体管件、离子光器件、离子引导器、电子器件以及计算机或电子处理器相关组件)。还应理解，计算设备118在图1B中示意性地表示为目的是表示可以提供的各结构(例如电路、机构、硬件、固件、软件等)的功能块。各个功能块和信号链路已经随意地定位，目的仅是说明而不是以任何方式进行限制。本领域技术人员应理解，在实践中，可以通过各种方式而不一定以图1A和图1B所示并且在此所公开的确切方式来实现计算设备118的功能。

例如以上所描述的并且在图1A和图1B中所示的基于IM的系统可以用于基于计算离子通过IMS漂移单元的漂移时间来计算感兴趣离子的CCS。可以通过以下步骤来计算通过IMS漂移单元的漂移时间：测量离子的总漂移时间(即从离子受脉冲进入漂移单元中的点到离子到达离子检测器的点的时间持续段)，确定t₀(离子从漂移单元的出口到离子检测器的飞行时间)，以及从总测量漂移时间减去t₀。如上所述，传统上，这种CCS分析已经要求在若干不同漂移电压执行若干次IM实验。根据本公开，可以在单个IM实验内执行用于测量CCS的方法，因此实质上改进分析的速度。所述方法在CCS测量的速度是高度期望的情况下(例如当分析涉及在IM分析之前的色谱(例如LC)分离时，其中，分析物被洗净作为仅持续几秒的聚集的峰值)是特别有用的。

在一些实施例中，所述方法部分地基于这样的假设：在给定的基于IMS的系统中，离子在退出漂移单元之后归因于物理和器件设置而可能经历一些淌度支配(淌度依赖)区域、淌度独立区域以及一些固定延迟。“淌度支配区域”(或“淌度依赖区域”)是离子飞行时间受CCS影响的漂移单元外部的区域。淌度支配区域的非限定性示例是漂移单元与气体压力相对很高(例如大约10^-3Torr或更高)的离子检测器或质量分析器之间的区域。这些淌度支配区域的示例包括但不限于可以在漂移单元与离子检测器或质量分析器之间提供的相对高压力离子漏斗和碰撞单元。因此，如以上结合图1A所描述的那样中间地定位在漂移单元与离子检测器之间的离子处理设备可以包括一个或多个淌度支配区域。在这种近似下，并非限制本公开的范围，用于离子在没有气体压力(或具有可忽略的气体压力)的情况下(例如比如四极质量过滤器或离子引导器)在电场中行进的时间可以被看作是固定的或可忽略的。对于固定时间延迟的另一贡献实际上可以出自与器件时间测量关联的延迟。因此，在一些实施例中，离子在漂移单元外部花费的时间t₀可以被看作包括两个分量：固定延迟时间和外部(在漂移单元外部)淌度依赖漂移时间，其可以表示如下：

t₀＝t_fix+β₁γΩ，(6)

其中，t_fix是固定延迟时间参数，其包括淌度独立飞行时间以及器件依赖时间测量延迟，β₁γΩ是外部淌度依赖时间。值β₁是取决于系统中的气体压力、电场以及漂移单元外部的系统的区域的几何的比例系数。值γ是修正的减少的质量系数，γ＝(m_I/(m_I+m_B))^1/2/q，其中，m_I是离子的质量，m_B是漂移气体分子的质量，q是离子的电荷状态。值Ω是离子的CCS。

因此，离子的总测量(观测)漂移时间t_D被看作包括三个分量：固定延迟时间参数、外部淌度依赖漂移时间以及内部淌度依赖(即离子实际上耗费于从入口到出口横穿漂移单元的内部的时间)。总测量漂移时间t_D可以表示如下：

t_D＝t_fix+((β₁+β₂)γΩ)，(7)

其中，β₂γΩ是漂移单元中的漂移时间(内部淌度依赖时间)，β₂是取决于气体压力、电场以及漂移单元自身的几何的比例系数。

从公式(7)可见，绘制总测量漂移时间t_D值(y轴)针对γΩ值(x轴)产生两个参数t_fix和β＝(β₁+β₂)所定义的直线(即y＝mx+b)，其中，β是由公式(7')定义的斜率，t_fix是y截距：

t_D＝t_fix+βγΩ，(7’)

β参数是作为第一比例系数β₁和第二比例系数β₂的组合的器件依赖比例系数。β可以在此被称为组合的比例系数或淌度依赖漂移时间系数。

根据所述方法的一个实施例，可以通过以下步骤来确定两个参数t_fix和β：从一组具有已知CCS(基准CCS)的基准离子获取基准数据点(γΩ，t_D)，以及对基准数据点的图线(公式(7))执行简单线性回归。在分析未知CCS的样本离子之前获得已知CCS。可以使用与随后用在分析未知CCS的样本离子中的相同缓冲气体从基于例如在本公开的背景技术部分中以上所描述的漂移时间的迭代测量执行传统技术来获得已知CCS。然后通过使得基准分子行走通过相同IM-MS系统(具有相同物理结构和设备的集合)以用于分析未知CCS的样本离子并且在对于测量样本离子的总漂移时间所利用的基本上相同操作条件(例如缓冲气体组分、压力、温度、漂移场强度等)下获取总测量漂移时间t_D。

可以结合确定用于IM-MS系统的参数t_fix和β来计算样本离子的未知CCS。可以通过对样本离子执行单个IM实验并且测量其总漂移时间t_D来完成该操作。也就是说，样本离子通过同一IM-MS系统并且在测量基准离子的总漂移时间t_D中所利用的相同操作参数下仅需受处理一次。一旦已经获取样本离子的总测量漂移时间t_D，就可以根据作为公式(7)的重排的以下公式来计算其CCS：

Ω＝(t_D–t_fix)/βγ.(8)

如上所述，可以“结合”确定参数t_fix和β来计算样本离子的未知CCS。因此，可以“结合”测量基准离子的总漂移时间t_D——即在测量基准离子的总漂移时间t_D之前、期间或之后——来测量样本离子的总漂移时间t_D。因此，在一些实施例中，基准离子可以与样本离子共同引入到漂移单元中。在此情况下，在同一帧中获取基准离子和样本离子的总测量漂移时间t_D。在每个所获取的帧中，可以通过将简单线性回归技术应用于与基准离子对应的基准数据点(γΩ，t_D)的图线来标识参数t_fix和β。对于同一帧中具有未知CCS的样本离子，可以根据公式(8)从样本离子的总测量漂移时间t_D标识CCS。在一些实施例中，与样本离子共同引入的基准离子可以是典型地为了MS器件的质量校准的目的而与样本离子共同引入的所谓的质量基准离子(例如内部校准)。

在其它实施例中，可以在具有未知CCS的样本离子之前或之后将基准离子引入到漂移单元中。只要器件压力和电压充分恒定达到整个实验的持续时间，在此所描述的方法就可以用于计算未知CCS。

使用两个基准化合物可以足以建立用于参数t_fix和β的值。使用多于两个的基准化合物可以改进方法的精度。此外，使用多于两个的基准化合物使得能够计算所执行的简单线性回归的回归系数R²。计算为接近单位1的回归系数指示在基准离子淌度范围内各数据点之间的高相关性。

在一些实施例中，t_fix参数可以是可忽略地小的，在此情况下，将t_fix设置为零并且利用没有截距项的简单线性回归以标识β参数是实际的。

在一些实施例中，漂移气体可以是气体的混合物。在此情况下，在用于γ＝(m_I/(m_I+m_B))^1/2/q的公式中，缓冲气体质量值m_b可以被处理为未知参数，其可以例如通过在存在三个或更多个基准化离子的情况下使得来自t_D针对γΩ的线性回归图线的回归系数R最大化而得以标识。应理解，根据该实施例，由于背景气体总是出现在漂移管中并且实际上漂移管内的100％漂移气体纯度可能是难以实现的，因此甚至单个漂移气体可以被处理为气体的混合物。

虽然在此所公开的方法的特定实施例基于在离子经历淌度依赖区域以及淌度独立区域的情况下在系统中存在良好定义的区域的一些理论考虑，但所述方法的更宽泛方面并不限于这些假设。

示例1

该示例涉及根据通常以上所描述并且在图1A中示出的实施例所构造的IM-MS系统的操作。在氮气(N₂)缓冲气体中具有已知(基准)CCS的十种基准化合物被注入并且通过系统发送，并且它们的漂移时间根据上述方法受测量。下表1提供与基准化合物对应的数据。

表1

图2是用于这些基准化合物的t_D针对γΩ的图线。简单线性回归应用于根据上述方法的数据，得到y＝0.1397x–0.4456所定义的直线。因此，参数β和t_fix分别得出为0.1397和-0.4456。回归系数R²得出为0.9999，说明淌度范围中坐标所描述的数据之间存在的十分高的线性相关性。

为了评估该方法，具有已知CCS的两种附加化合物在十种基准化合物之后立即被注入，并且它们的漂移时间受测量。使用对于β和t_fix得出的值，根据上述方法计算这两种化合物的CCS。下表2提供与这两种化合物对应的数据。

表2

因此，实验误差对于两种离子都小于0.5％，展现了在此所公开的方法的精度。

示例2

该示例再次涉及根据通常以上所描述并且在图1A中示出的实施例所构造的IM-MS系统的操作。在该示例中，在氮气(N₂)缓冲气体中具有已知CCS的六种基准化合物(在示例1中所利用的相同的前六种化合物)被注入并且通过系统发送，并且它们的漂移时间根据以上所描述的方法受测量作为CCS校准标准。下表3提供与这些基准化合物对应的数据。

表3

图3是用于这些基准化合物的t_D针对γΩ的图线。简单线性回归应用于根据上述方法的数据，得到y＝0.11271x–0.15332所定义的直线。因此，参数β和t_fix分别得出为0.11271和-0.15332。回归系数R²得出为0.99996，再次说明淌度范围中坐标所描述的数据之间存在的十分高的线性相关性。

为了评估该方法，具有已知CCS的若干肽在六种基准化合物之后立即被注入，并且它们的漂移时间受测量。使用对于β和t_fix得出的值，根据上述方法计算这两种化合物的CCS。下表4提供与这些肽对应的数据。

表4

因此，实验误差对于所有离子都小于1％，再次展现了在此所公开的方法的精度。

在所述方法的一些实施例中，可以基于具有在与CCS待进一步受校正的离子相同的帧中所出现的具有已知CCS的单个离子来进一步校正(校准)所测量的一个或多个离子的CCS。也就是说，具有已知CCS的帧内离子可以用作用于校准所测量的其它离子的CCS的基准离子。可以通过对于β参数线性标定为产生确切地匹配帧内基准离子的已知CCS的所测量的帧内基准离子的CCS的标度而根据公式(8)来执行校正。例如，如果以上表4的单电荷肽1用作帧内基准离子，则在同一帧中所测量的其它离子的所有所测量的CCS值被标定高达0.70％。下表5呈现在执行这种精细校正之后的减少的实验性误差。

表5

因此，在精细校正之后，所有所测量的CCS都处于基准CCS的0.5％内。

在另一实施例中，公式(7)可以概括为包括二次项。二次项可以考虑外部质量依赖飞行时间，即离子耗费于行进通过漂移单元出口与离子检测器之间的淌度独立区域的时间。淌度独立区域是离子飞行时间主要受其m/z比和电场强度影响的漂移单元外部的区域。淌度独立区域的非限定性示例是漂移单元与气体压力相对很低(即高真空)(例如大约10^-3Torr或更低)并且包含电场的离子检测器或质量分析器之间的区域。这些淌度独立区域的示例包括但不限于可以在漂移单元与离子检测器之间提供的高真空静电区域(例如离子光器件区域)、高真空离子引导器以及质量过滤器(例如四极质量过滤器)。在该上下文中，术语“高真空”离子引导器包括在高真空操作(例如操作以发送离子而不导致碰撞所导致的解离)的碰撞单元，基本上没有离子冷却和/或汇聚。因此，如以上结合图1A所描述的那样中间地定位在漂移单元与离子检测器之间的离子处理设备可以包括一个或多个淌度独立区域以及淌度支配区域。在该实施例中，总测量漂移时间可以表示如下：

t_D’＝t_fix+(β₁+β₂)γΩ+A(m_I/q)^1/2，(9)

其中，A(m_I/q)^1/2是淌度独立或质量依赖飞行时间，A是取决于电场(E)的(第三)比例系数(淌度独立飞行时间系数)，m_I是离子的质量，q是离子的电荷状态。应注意，在公式(9)中，固定延迟项t_fix如(7)的情况下那样计量器件依赖时间测量延迟，但在公式(9)中，飞行时间项A(m_I/q)^1/2计量淌度独立飞行时间。也就是说，通过采用公式(9)，虽然典型地用于淌度独立飞行时间的值相当小，但并不假设淌度独立飞行时间是恒定的或可忽略的。例如，在系统的最终质量分析器是TOF分析器的情况下，公式(9)不考虑通过TOF分析器的飞行时间。反之，t_D跨越从漂移单元的入口到TOF分析器的推送器区域的飞行时间。可以通过使用三个或更多个基准离子的已知参数(质量m_I、CCSΩ和电荷状态q)用最小二乘法来求解公式(9)而从具有已知的质量m_I、CCSΩ和电荷状态q的至少三个基准离子标识用于固定延迟时间参数t_fix和比例系数β(再次，β＝β₁+β₂)和A的值。利用多于三个的基准离子可以改进最小二乘技术的精度。然后，可以根据公式(8)的广义形式来计算感兴趣离子的CCS：

Ω＝(t_D–t_fix–(A(m_I/q)^1/2))/βγ.(10)

根据前面描述，可见，在此所公开的用于测量样本离子的CCS的方法可以在单个IM实验内得以执行，因此可以在分析的速度方面提供优于传统方法的明显改进。根据在此所公开的方法计算CCS对于化合物标识可以是有用的。以此方式所获取的CCS值可以因此结合其它分析物特定数据(例如IM漂移时间、m/z比等)充当正交数据。在利用公式(8)或更通用的公式(10)与它们的上述关联方法来计算CCS之间的选取取决于各种因素，例如所期望或所需要的精度的程度、对于样本分析所采用的在特定系统中存在的组件和区域的组合等。

示例性实施例

根据本公开的主题内容所提供的示例性实施例包括但不限于以下：

1.一种用于测量样本离子的碰撞截面(CCS)的方法，所述方法包括：测量所述样本离子耗费于从离子淌度谱漂移单元的入口行进到所述漂移单元的出口外部的离子检测器的总漂移时间；以及根据以下公式来计算所述样本离子的CCS：Ω＝(t_D-t_fix)/βγ，其中，Ω是CCS，t_D是所测量的总漂移时间，t_fix是固定延迟时间参数，β是比例系数，并且γ＝(m_I/(m_I+m_B))^1/2/q，其中，m_I是样本离子的质量，m_B是所述漂移单元中的漂移气体分子的质量，q是样本离子的电荷状态。

2.如实施例1所述的方法，其中，所述淌度依赖区域包括在大约10^-3Torr或更大的气体压力的区域。

3.如实施例2所述的方法，其中，所述淌度依赖区域包括离子漏斗或碰撞单元。

4.如前述实施例中的任一项所述的方法，其中，所述固定延迟时间t_fix计量器件依赖时间测量延迟或淌度独立飞行时间或时间测量延迟与淌度独立飞行时间二者。

5.如前述实施例中的任一项所述的方法，包括：确定所述比例系数β。

6.如实施例5所述的方法，其中，确定所述比例系数β包括：通过在对于测量所述样本离子的总漂移时间所利用的基本上相同操作条件下测量各个已知CCS的多个基准离子耗费于行进通过所述漂移单元到达所述离子检测器的各个总漂移时间。

7.如实施例6所述的方法，其中，确定所述比例系数β包括：应用多个数据点的简单线性回归，每个数据点是作为γΩ的函数对于各个基准离子所测量的总漂移时间，并且其中：Ω是所述基准离子的已知CCS；γ＝(m_I/(m_I+m_B))^1/2/q，其中，m_I是所述基准离子的质量，m_B是所述漂移单元中的漂移气体分子的质量，q是所述基准离子的电荷状态；以及所述比例系数是穿过所述数据点的直线的斜率。

8.如实施例7所述的方法，其中，所述漂移单元含有漂移气体的混合物，应用简单线性回归包括：计算用于m_B的值。

9.如实施例7或8所述的方法，包括：将所述固定延迟时间t_fix确定为所述直线的y截距。

10.如前述实施例中的任一项所述的方法，其中，在测量所述样本离子的所述总漂移时间之前、期间或之后完成测量所述基准离子的所述总漂移时间。

11.如实施例6至10中的任一项所述的方法，其中，所述离子检测器是质谱仪的一部分或与之进行通信，并且所述基准离子是适合于校准所述质谱仪的质量基准离子。

12.如前述实施例中的任一项所述的方法，包括：同时将多个样本离子注入到所述漂移单元中，测量所述各个样本离子的总漂移时间，计算各个样本离子的CCS，确定至少一个所选择的样本离子的所计算的CCS与用于所选择的样本离子的基准CCS值之间的百分比误差，以及将所计算的所述各个样本离子的CCS缩放所述百分比误差。

13.如前述实施例中的任一项所述的方法，其中，计算CCS进一步基于所述样本离子耗费于行进通过所述漂移单元与所述离子检测器之间的淌度独立区域的淌度独立飞行时间。

14.如实施例13所述的方法，其中，所述淌度独立区域包括在大约10^-3Torr或更小的气体压力的区域。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述淌度独立区域包括以下区域中的至少一个：离子光器件区域；离子引导器；质量过滤器；以及四极质量分析器。

16.如前述实施例中的任一项所述的方法，其中，计算CCS包括：根据以下公式来计量所述淌度独立飞行时间：Ω＝(t_D–t_fix–(A(m_I/q)^1/2))/βγ，其中，A(m_I/q)^1/2是所述淌度独立飞行时间，A是取决于所述淌度独立区域中的电场强度的比例系数。

17.如实施例16所述的方法，包括：通过以下步骤来确定所述固定延迟时间t_fix和所述比例系数A：在对于测量所述样本离子的所述总漂移时间所利用的基本上相同操作条件下测量各个已知CCS的三个或更多个基准离子耗费于行进通过所述漂移单元到达所述离子检测器的各个总漂移时间，以及使用所述各个三个或更多个基准离子的已知参数质量m_I、CCSΩ和电荷状态q来通过最小二乘法求解如实施例16所述的公式。

18.一种用于从样本获取谱数据的方法，所述方法包括：从所述样本产生多个样本离子；发送所述样本离子通过所述漂移单元，以分离不同CCS的样本离子；将所述样本离子从所述漂移单元发送通过质量分析器，以分离不同m/z比的样本离子；将所述样本离子从所述质量分析器发送到所述离子检测器；根据如前述实施例中的任一项所述的方法来计算所述各个样本离子的CCS；以及根据所述离子检测器所输出的信号来生成漂移时间谱和质谱。

19.一种离子淌度-质谱(IM-MS)系统，被配置用于执行所有或部分如前述实施例中的任一项所述的方法。

20.一种离子淌度-质谱(IM-MS)系统，包括：IM漂移单元，包括漂移单元入口和漂移单元出口；中间区域，跟随所述漂移单元出口并且包括淌度依赖区域；MS检测器，跟随所述中间区域；以及计算设备，被配置用于通过以下步骤来测量样本离子的碰撞截面(CCS)：测量所述样本离子耗费于从所述漂移单元入口行进到所述MS检测器的总漂移时间；以及基于所测量的总漂移时间以及与所述样本离子耗费于行进通过所述漂移单元并且通过所述淌度依赖区域的漂移时间有关的比例系数来计算所述样本离子的CCS。

21.如实施例20所述的IM-MS系统，其中，所述淌度依赖区域包括在大约10^-3Torr或更大的气体压力的区域。

22.一种用于测量样本离子的碰撞截面(CCS)的系统，所述系统包括：至少一个处理器；以及存储器，被配置用于执行所有或部分如前述实施例中的任一项所述的方法。

23.如实施例22所述的系统，包括：用户输出设备、用户输入设备或用户输出设备和用户输入设备二者。

24.如实施例22或23所述的系统，包括：离子检测器，被配置用于将离子测量信号发送到所述处理器。

25.如实施例24所述的系统，包括：离子淌度谱仪以及质谱仪，与所述离子检测器进行通信。

26.一种计算机可读存储介质，包括指令，被配置用于执行所有或部分如前述实施例中的任一项所述的方法。

27.一种系统，包括如实施例26所述的计算机可读存储介质。

可以例如在包括可以在例如与用户输入设备和用户输出设备进行通信的计算设备中实施的处理器和存储器的系统中执行(实行)例如以上所描述并且在附图中示出的用于测量离子的CCS的方法。在一些实施例中，所述用于测量离子的CCS的系统(或关联计算设备)可以被看作包括所述用户输入设备和/或所述用户输出设备。例如以上所描述并且在附图中示出的IM-MS系统可以包括用于测量离子的CCS的系统，或作为其一部分，或与之进行通信。如在此使用的那样，术语“执行”或“实行”可以囊括例如控制和/或信号或数据传输的动作。例如，计算设备118或其处理器可以通过控制在执行方法步骤中所涉及的另一组件来执行所述方法步骤。执行或控制可以包括进行计算，或发送和/或接收信号(例如控制信号、指令、测量信号、参数值、数据等)。

如在此所使用的那样，“接口”或“用户接口”通常是用户与计算设备进行交互的系统。接口可以包括用于允许用户操控计算设备的输入(例如用户输入设备)，并且可以包括用于允许系统呈现信息和/或数据，指示用户的操控的效果等的输出(例如用户输出设备)。计算设备上的接口的示例包括图形用户接口(GUI)，其允许用户通过除了录入之外的方式与程序进行交互。相对于(或外加于)基于文本的接口、录入的命令标记或文本导航，GUI典型地可以提供显示对象和视觉指示符，以表示对于用户可用的信息和动作。例如，接口可以是显示窗口或显示对象，其可由计算设备的用户选择，以用于交互。显示对象显示在计算设备的显示屏幕上，并且可以由用户使用接口进行选择并且与用户交互。在一个非限定性示例中，计算设备的显示器可以是触摸屏，其可以对显示图标进行显示。用户可以按压对显示图标进行显示的触摸屏的区块，以用于选择显示图标。在另一示例中，用户可以使用计算设备的任何另外合适的接口(例如键区)，以选择显示图标或显示对象。例如，用户可以使用轨迹球或箭头键，以用于将光标移动到高亮区并且选择显示对象。

应理解，在此所描述的处理、部分处理和处理步骤中的一个或多个可以由一个或多个电子或数控设备上的硬件、固件、软件或前述项中的两个或更多个的组合执行。软件可以驻留在合适的电子处理组件或系统(诸如例如图1A和图1B中示意性描述的计算设备118)中的软件存储器(未示出)中。软件存储器可以包括用于实现逻辑功能(即可以通过数字形式(例如数字电路)或源代码或通过模拟形式(例如模拟源(例如模拟电、声音或视频信号))实现的逻辑摂)的可执行指令的有序列表。指令可以在处理模块内执行，处理模块包括例如一个或多个微处理器、通用处理器、处理器的组合、数字信号处理器(DSP)或专用集成电路(ASIC)。此外，示意图描述具有不受限于功能的架构或物理布局的物理(硬件和/或软件)实现的功能的逻辑划分。在此所描述的系统的示例可以通过各种配置而实现并且操作为单个硬件/软件单元或分离硬件/软件单元中的硬件/软件组件。

可执行指令可以实现为具有其中所存储的指令的计算机程序产品，其当由电子系统的处理模块(例如图1A和图1B中的计算设备118)执行时命令电子系统执行指令。计算机程序产品可以有选择地实施在任何由指令执行系统、装置或设备(例如基于电子计算机的系统、包含处理器的系统或可以有选择地从指令执行系统、装置或设备取得指令并且执行指令的其它系统)使用或与之结合的非瞬时计算机可读存储介质中。在本公开的上下文中，计算机可读存储介质是可以存储由指令执行系统、装置或设备使用或与之结合的程序的任何非瞬时部件。非瞬时计算机可读存储介质可以有选择地例如是电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置或设备。非瞬时计算机可读介质的更多具体示例的非囊括性列表包括：具有一个或多个引线的电连接(电子)；便携式计算机盘(磁)；随机存取存储器(电子)；只读存储器(电子)；可擦除可编程只读存储器，诸如例如闪存(电子)；压缩盘存储器，诸如例如CD-ROM、CD-R、CD-RW(光)；数字多功能盘存储器，即DVD(光)。注意，非瞬时计算机可读存储介质可以甚至是打印程序的纸张或另一合适的介质，因为程序可以经由例如纸张或其它介质的光学扫描而以电子方式得以捕获，然后编译、解释或另外根据需要而以合适的方式受处理，然后存储在计算机存储器或机器存储器中。

还应理解，如在此使用的术语“通过信号通信”表示两个或更多个系统、设备、组件、方法或子模块能够经由在某种类型的信号路径上行进的信号而彼此进行通信。信号可以是通信、功率、数据或能量信号，其可以沿着第一与第二系统、设备、组件、模块或子模块之间的信号路径将信息、功率或能量从第一系统、设备、组件、模块或子模块传送到第二系统、设备、组件、模块或子模块。信号路径可以包括物理、电、磁、电磁、电化学、光、有线或无线连接。信号路径可以在第一与第二系统、设备、组件、模块或子模块之间还包括附加系统、设备、组件、模块或子模块。

更一般地，例如“连通”以及“与……连通”的术语(例如第一组件与第二组件“连通”或“处于连通”)在此用于指示两个或更多个组件或要素之间的结构、功能、机械、电、信号、光、磁、电磁、离子或流控关系。故此，一个组件被称为与第二组件连通的事实并非意图排除附加组件可以在第一与第二组件之间出现和/或与之可操作地关联或结合的可能性。

应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以改变本发明的各个方面或细节。此外，前面的描述目的仅是说明，而并非限制的目的——本发明由权利要求限定。