[发明专利]质谱同位素精细结构与超精细结构的模拟方法及装置

说明书

本发明公开了一种质谱同位素精细结构与超精细结构的模拟方法及装置。其中，该模拟方法通过同位素矢量操作计算任一元素构成的分子式的同位素精细与超精细结构；其中，同位素矢量为质量矢量与丰度矢量的组合；质量矢量按照升序或降序排列，丰度矢量元素与质量矢量元素一一对应；建立了同位素元素簇矢量，提出了同位素精细结构的高效计算方法，并给出了指定质荷比同位素超精细结构的高效算法，用统一的算法实现了同位素精细结构与超精细结构的高效计算；发现矢量操作与“找零”方法内存消耗少、运算速度快、计算精度高，可以适用于任意元素的同位素分布计算,且支持自定义同位素分布。

技术领域

本发明属于高分辨质谱的数据分析领域，尤其涉及一种质谱同位素精细结构与超精细结构的模拟方法及装置。

背景技术

同位素分布的准确及快速模拟是解析高分辨质谱数据和获取分子组成与结构信息的关键。同位素分布的可以分为两个层次：一是普通高分辨质谱仪可以分辨的精细结构，其特点是去卷积的相邻峰间距约为1Da；二是超高分辨率傅里叶回旋共振质谱可以分辨的超精细结构，其特点是去卷积的峰形成“簇”，“簇”内峰间距远小于1Da。

精细结构可以看做是超精细结构在较低分辨率下的近似。可以证明，对同一元素构成的分子式X_n，其同位素精细结构中峰的数目为其中q表示X的稳定天然同位素的数目。不难看出，若q>2，同位素精细结构的峰数目是原子数目的高阶非线性函数。因此，对于分子量大、组成复杂或含有较多过渡金属元素的分子，利用计算机快速及准确模拟同位素结构一直是质谱学与计算化学的难题。

目前，模拟分子量大、组成复杂或含有较多过渡金属元素的分子的同位素结构的问题可以分为两类，第一类是通过傅里叶变换或多项式方法模拟精细同位素分布；第二类是基于多维傅里叶变换、动态规划、过渡树、质量状态分级等方法计算同位素超精细结构。

但是目前这些质谱同位素模拟方法还存在以下问题：

第一，同位素精细结构与超精细结构计算的算法框架差异迥然，二者之间的计算很难有效地切换；

第二，现有同位素超精细结构的算法的运算速度依然相对较慢且内存资源消耗较大。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种质谱同位素精细结构的模拟方法，其基于矢量操作与“找零”方法等运算，给出同位素精细结构的统一计算模型，使高分辨质谱数据的解析更为简洁高效，且适用范围广。

本发明的一种质谱同位素精细结构的模拟方法，通过同位素矢量操作计算任一给定分子式的同位素精细结构；其中，同位素矢量为质量矢量与丰度矢量的组合；质量矢量按照升序或降序排列，丰度矢量元素与质量矢量元素一一对应；所述模拟方法，包括：

步骤1：求取“找零”系统D；其中，“找零”系统D为一组正整数集合，正整数集合内元素为给定分子式中各个元素原子个数分解的次数，正整数集合内元素数目对应定分子式中元素的原子个数；

“找零”系统D是经过χ值优化且具有小于预设阈值的χ值；χ值的计算过程为：从1开始直至到给定分子式中相应元素原子个数，利用贪心算法计算将给定分子式中相应元素原子个数分解的次数，最后求取给定分子式中所有元素分解次数的均值即为χ值；

步骤2：将给定分子式中各个元素的原子数投影到“找零”系统D上，得到各个元素原子数的“找零”分组，并将“找零”分组中具有不同数目的原子团作为“原子簇”；

步骤3：对各个元素的每个“原子簇”的质量矢量和丰度矢量进行正则运算；

步骤4：计算各个元素正则运算后“原子簇”的矢量乘积矩阵和加和矩阵，对矢量乘积矩阵和加和矩阵进行卷积运算，得到新的质量矢量与丰度矢量，进而得到各个元素的新同位素，最终得到给定分子式的所有元素的同位素精细结构。