[发明专利]用于质谱法的数据采集系统和方法

说明书

发明领域

本发明涉及用于在质谱仪中检测离子的数据采集系统和方法、以及这些数据采集系统和方法的、以及与它们相关的改进。这些系统和方法对于质谱仪(优选地，飞行时间(TOF)质谱仪)来说是有用的，并且因此本发明进一步涉及将数据采集系统和数据采集方法合并的质谱仪和质谱法。本发明可以用于高动态范围和高分辨率的质谱的产生，并且这些谱可以用于有机化合物例如活性药理成分、代谢物、小肽和/或蛋白质的鉴别和/或定量。

发明背景

质谱仪被广泛用于根据离子的质/荷比(m/z)来对其进行分离和分析，并且许多不同类型的质谱仪是已知的。尽管本发明的原意是设计用于飞行时间(TOF)质谱法并且将出于用TOF质谱法进行说明的目的而进行描述，但本发明适用于其他类型的质谱法。在此将把离子作为带电粒子的一个实例进行参考，而不排除其他类型的带电粒子，除非上下文需要。

飞行时间(TOF)质谱仪是根据离子沿一条固定飞行路径的飞行时间来确定其质/荷比(m/z)。这些离子是以离子短包的形式从一个脉冲源发射出来、并且沿该固定飞行路径被引导通过一个抽空的区域而抵达一个离子检测器。离子包包括离子群，该群通常包括多种质/荷比，该群至少初始是在空间上受限的。

以恒定动能离开该脉冲源的离子在一段时间之后抵达该检测器，这段时间取决于它们的质量，离子的质量越大就越慢。TOF质谱仪要求具有(除其他特性之外)快速响应时间和高的动态范围(即，检测小和大的离子电流两者、包括在二者之间进行快速切换的能力)、优选没有如检测器输出饱和的问题的离子检测器。这种检测器还应该不过度复杂以便减少成本和操作问题。

针对动态范围的一种现有方法使用一个检测器的输出，该输出在两个不同的水平下被放大，例如，如GB 2457112 A中所描述。这个放大在电子倍增装置内或在前置放大器阶段中进行。然后，来自同一个检测器的这两个放大的输出用于产生一个高动态范围谱。对于TOF质谱法中的检测器动态范围问题的其他提出的解决方案包括使用具有不同表面积的两个收集电极用于收集从一个电子倍增器发射出的次级电子(US 4,691,160；US 6,229,142；US 6,756,587以及US 6,646,252)并且在阳极附近使用电势或磁场来改变所谓的阳极部分(US 6,646,252和US 2004/0227070 A)。另一个解决方案是使用两个或更多个单独的并且完全独立的检测系统来检测入射粒子所产生的次级电子(US 7,265,346)。一个进一步的解决方案是使用位于TOF分离区域中的一个中间检测器，它提供反馈来控制最后的电子检测器的增益(US 6,674,068)。后一种检测的问题是它要求检测器上的增益的快速改变并且也难以跟踪这个增益来维持线性。又一个在US 2004/0149900 A中提出的检测安排使用了一个光束分离器来将一个离子束分成两个不相等的部分，用单独的检测器对它们进行检测。总之，这些检测解决方案的实施可能是复杂且昂贵的、和/或它们的灵敏度和/或它们的动态范围可能低于所希望的。

TOF质谱仪的另一个问题是它们还以一个非常高的速率产生数据，这是因为检测器的输出在一个非常短的时间间隔内顺次包括大量离子检测信号，例如，可以在几毫秒内以例如1GHz或更高的数据采样率检测整个TOF质谱。此外，对于有待分析的一个给定样本来说，可能需要许多谱，例如，多达一百万个谱或更多。因此，来自TOF质谱仪的数据的采集和处理中的改进也是令人希望的，例如，减少用于处理的数据的量以及数据处理的持续时间和效率的方法。

WO 2008/08867描述使用微处理器和现场可编程门阵列(FPGA)用于将数学变换应用于离子检测器的输出。对于高速应用来说，这些谱因此至少是即时(on the fly)预处理的。在US 6,870,156中描述了使用在FPGA中产生质量-强度对的数学变换，然后将这些质量-强度对传递到一个计算机上。这类方法使用如上所述在两个不同的水平下放大的一个检测器，以便提供两个不同的增益信号，对这些增益信号应用了这些数学变换。在US 5,995,989中描述了一种用于减少数据集的方法，该方法包括使用一个背景噪声阈值，该背景噪声阈值被连续地确定并且用于过滤数据并决定保留哪些数据用于随后的处理。因此，该阈值在此方法中的应用涉及连续计算。