本发明涉及一种分析离子结构的方法， 尤其涉及一种可应用于傅里叶 变换设备并通过碰撞截面积测定分析离子结构 的方法。 背景技术

质谱分析法 （mass spectrometry) 是将化合物按不同质荷比 （m/z) 进 行分离检测， 实现成分和结构鉴别的一种分析方法。 质谱技术因其具有的 高特异性和灵敏度， 在生物分析领域中的重要地位日益凸显。 生物质谱

( Bio-mass spectrometry, Bio-MS ) 是应用于生物分子分析的质谱技术， 其在蛋白质和多肽研究中有着广泛的应用： 如蛋白质相对分子质量测定、 肽谱测定、 肽序列测定技术、 巯基和二硫键定位、 蛋白质翻译后修饰、 定 量蛋白质组分析、 蛋白质相互作用研究等。 此外， 生物质谱还应用于多糖 结构测定、 寡核苷酸和核酸分析、 微生物鉴定、 药物研发等领域。

质谱法可获得样品的质量信息， 而对于具有相同质量的不同样品， 质 谱法则不能有效给出更多信息， 例如质谱法难以分析离子的结构。 现在一 般使用二级与多级质谱 （tandem MS ) 方法和离子迁移谱方法来分析离子 结构。 二级与多级质谱方法通过施加能量使待测离子 碎裂， 通过分析碎片 离子来重构离子结构。 离子迁移谱方法则通过分析待测离子的碰撞截 面积 来分析离子的结构。 二级与多级质谱方法通常需要高真空条件下 （<1 mTorr) ， 而离子迁移谱方法工作在高气压条件下 （>1 Torr) ， 且具有较 低的分辨率（通常低于 1000 ) 。 这些方法由于工作气压差别较大， 使得仪 器的结构复杂， 真空功耗增大。 同时， 因为涉及离子在多个真空腔体间的 迁移运动， 待测离子的实验控制条件苛刻， 离子损失情况明显。

2012年， Fan Yang、 Jacob E. Voelkel与 David V. Dearden在《Collision Cross Sectional Areas from Analysis of Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Line Width: A New Method for Characterizing Molecular Structure (由傅立叶变换离子回旋共振线宽来分析碰撞� �面积： 一种表征分子结构 的新方法） 》 （Anal. Chem., 2012, 84 (11), pp 4851-4857 ) 中提出利用分 析傅立叶变换离子回旋共振频谱谱线的宽度来 分析离子的碰撞截面积， 从 而分析离子结构。 该方法通过提高傅立叶变换离子回旋共振离子 阱内部的 气压， 使得离子分子碰撞主导离子镜像电流衰减。 衰减速度决定了谱线的 半峰宽 （FWHM) ， 时域衰减速度越快， 则对应的频域半峰越宽。 通过测 量半峰宽能够计算离子碰撞面积， 从而通过离子镜像电流衰减分析出离子 碰撞面积， 最终获悉离子结构。

另外， 传统的离子淌度谱方法， 能在获得样品质量的同时， 获得样品 空间尺寸信息， 即检测样品的碰撞截面积 （CCS ) ， 继而有效鉴别相同质 量的多种同分异构体。 但该离子淌度谱方法增加了分析成本， 降低了分析 效率。 发明内容

为了至少部分解决上述问题， 本发明提供一种分析离子结构的方法， 其可以通过分析来自离子质量分析器的待测离 子时频信号来分析离子的 结构。

根据本发明的一个方面， 提供一种分析离子结构的方法， 包括以下步 骤：

囚禁、 激发离子步骤： 向一离子质量分析器施加一射频电场， 使样品 离子囚禁于所述离子质量分析器中， 所加射频电场具有高阶成分； 并向所 述离子质量分析器施加一辅助交流电场或施加 一宽频激发电场使样品离 子被激发到一运动幅度， 但不超过离子质量分析器的囚禁能力， 此时运动 幅度记为初始运动幅度， 对应于该初始运动幅度的时刻记为第一时刻； 信号采集步骤： 向所述离子质量分析器持续通入载气， 并使离子质量 分析器中的真空度小于 1.333Pa， 样品离子与载气发生碰撞， 运动幅度逐 渐减小， 直到第二时刻， 采集从第一时刻到第二时刻过程中样品离子产 生 的镜像电流的时域信号；

信号处理步骤： 通过时频分析方法对所述时域信号进行分析， 分别获得 样品离子中各尺寸的离子的运动频率随时间变 化的时变特征曲线，每条所述 时变特征曲线包含有相应尺寸的离子的运动频 率与该离子与载气的碰撞截 面积的对应关系， 以区别出不同尺寸的离子。

根据本发明的一个实施方式， 其中在所述信号处理步骤之后， 还包括对 时域信号进行滤波步骤， 将所述时域信号通过滤波器滤波， 以获得干扰较小 的时域信号。

根据本发明的一个实施方式，其中所述信号处 理中的时频分析方法为傅 里叶变换方法、 快速傅里叶变换方法、 短时傅里叶变换方法、 分数阶傅里叶 变换方法或小波分析方法。

根据本发明的一个实施方式， 其中所述信号处理步骤中， 样品离子运动 频率 （f) 随时间变

其中 为样品离子运动幅度； f。为无高阶场时离子运动频率； e ₃ , £ ₅ , £ 为偶阶场微扰系数，

其中 a _Q 为样品初始运

Langevm衰减系数； δ ₂ = Orr ² ) ^； 为硬球模型衰减系数； r为样品离子有 效半径； ί?为样品离子电荷； 《 _ρ 为极化率； ε。为真空介电常数； ρ为真空度; Γ为热力学温度； /c为 Boltzmann常数； M为载气质量； m为样品离子质量； 将式 （2 )代入式 （1 ) ， 则得到样品离子有效半径与样品离子运动频率 随时间变化的关系等式。

根据本发明的一个实施方式， 其中， 还包括如下步骤：

根据样品离子有效半径与样品离子运动频率随 时间变化的关系等式通 过数值法绘出样品离子有效半径与样品离子运 动频率随时间变化的关系曲

根据本发明的一个实施方式， 其中， 还包括信号分 '求：

通过分析所述信号处理步骤的各时变特征曲线 获得相应的特征值， 并建 立各所述特征值与所述相应尺寸的离子的碰撞 截面积的对应关系，从而确定 样品离子中各尺寸离子之间的尺寸关系。

根据本发明的一个实施方式， 其中所述信号分析步骤中， 针对每一条所 述时变特征曲线， 其特征值由如下方法获得：

连接所述第一时刻的样品离子运动频点与第二 时刻的样品离子运动频 率点， 构造一条直线， 将所述直线与所述时变特征曲线所围成的封闭 曲线从 第一时刻到第二时刻积分， 获得该条所述时变特征曲线的特征值。

根据本发明的一个实施方式， 其中， 所述信号处理步骤中， 样品离子运 动频率随时间变

其中： 为样品离子运动幅度； f。为无高阶场时离子运动频率； e ₃ , e

ap(M+m)

mM p M 其中 a _Q 为样品初始运动幅度； c = 3πδ 为常 2 ε, Tk m+M为

Langevm衰减系数； δ ₂ = Orr ² ) 为硬球模型衰减系数； r为样品离子有 效半径； g为样品离子电荷； 《 _ρ 为极化率； ε。为真空介电常数； ρ为真空度; Τ为温度； /c为 Boltzmann常数； M为载气质量； m为样品离子质量， 将式（2 )代入式 （1 ) ， 则得到样品离子有效半径与样品离子运动频率 随时间变化的关系等式； 并在相同测量条件下， 针对频率与样品离子有效半 径的关系等式， 将等式两边分别对时间积分， 则得到特征值 S与相应尺寸的 离子有效半径的对应关系。

本发明的分析离子结构的方法中， 提供了基于傅里叶变换设备及时频 分析的碰撞截面积测定方法实现离子结构分析 ， 可广泛应用于基于傅里叶 变换的设备中， 拓展了傅里叶变换设备的检测能力， 实现了样品离子空间 尺寸信息的无损检测。 在样品离子空间尺寸精确测定的基础上， 可一次性 分辨同分异构体， 如同一蛋白质的不同构象； 或者检测具有相同质量不同 尺寸的复杂混合样品， 提高了样品离子的检测效率， 降低了检测成本。 附图说明

附图提供了对本发明的进一步理解， 并且附图示出了本发明的实施例 并且与说明书一起用于解释本发明的原理。 在附图中：

图 1示出了两种同分异构体在仿真条件下的运动� �减曲线， 即镜像电 流强度衰减曲线；

图 2示出了对图 1中所示的两种同分异构体中的一种的时域信� �经时 频分析得到的时频质谱图；

图 3a示出了图 1中所示两种同分异构体的时频曲线图；

图 3b示出了图 1 中所示两种同分异构体时频曲线经处理得到的 特征 值；

图 4示出了特征值与同分异构体有效半径对应关� �的曲线图。 具体实施方式

现在将详细参照附图描述本发明的具体实施例 。 应理解的是， 具体实 施例仅是说明性的示例， 而不应理解为对本发明的限制。

参见图 1至图 4。 根据本发明的一实施例的分析离子结构的方法 中， 样品离子参数： 其至少包含质荷比 m/z=524的两种同分异构体样品， 分别 为大离子和小离子， 其中小离子尺寸（以小离子有效半径 rl 表 示:) rl=0.883nm， 碰撞截面积为 Ti rl , 大离子尺寸 (：以小离子有效有效半径 r2表示) r2=2.883nm， 碰撞截面积为 7i(r2) ² 。 所述方法包括以下步骤：

囚禁、激发离子步骤： 向一几何尺寸例如 5 X 5mm线性离子阱,电极距 阱中心 5mm的离子质量分析器施加一射频电场 （RF ) ， 所加射频电场具 有高阶成分， 高阶场成分例如可通过改变电极形状等方式获 得， 使样品离 子囚禁于线性离子阱中， 该射频电场的频率为 ΙΜΗζ, 幅度为 400V， q值 为 0.3 ; 并向 5 X 5mm线性离子阱施加一辅助交流电场 AC， 使样品离子中 的大、 小离子被激发到不超过线性离子阱的囚禁能力 的同一运动振幅， 此 时运动幅度记为初始运动幅度 a _Q 。用于激发样品离子运动的辅助交流电场 AC也可以由一宽频激发电场 SWIFT代替， 如图 1所示， 囚禁于 5 X 5mm 线性离子阱中的样品离子运动可采用马修方程 描述， 在通入载气后， 离子 与中性气体发生碰撞并产生能量交换， 导致离子运动幅度从初始运动幅度 ao不断减小。 如图 1所示， 初始运动幅度 a _Q 为 3mm， 对应于该初始运动 幅度 a _Q 的时刻记为第一时刻 t0。

该步骤中 5 X 5mm线性离子阱也可以由其它类型的离子质量分 析器代 替。

信号采集步骤： 向所述 5 X 5mm线性离子阱持续通入氦气作为载气， 使线性离子阱真空度保持在 0.1333Pa(lmTor) ， 使样品离子从所述初始运 动幅度 a _Q 逐渐减小， 如图 1 所示衰减过程， 信号采样时间从第一时刻 t0 到第二时刻 tt为 5ms，采集该过程中样品离子产生的镜像电流的 时域信号。 其中的氦气还可以由氮气等其它适于作为载气 的气体替换。

滤波步骤： 将上述步骤获得的时域信号通过低通滤波器两 次滤波， 直 到获得干扰较小的时域信号。 滤波器还可以是带通滤波器等。

信号处理步骤： 参见图 2和图 3a， 通过短时傅里叶变换 （STFT) 方法 对前述时域信号进行分析，分别获得样品离子 中小离子的运动频率 随时间 变化的时变特征曲线 Cl， 以及大离子的运动频率 随时间变化的时变特征 曲线 C2，小离子的时变特征曲线 C1包含有小离子的运动频率与小离子和载 气碰撞截面积的对应关系， 大离子的时变特征曲线 C2包含有大离子的运动 频率 f ₂ 与大离子和载气碰撞截面积的对应关系， 因此， 通过识别不同的运动 频率信息即可以区别出大离子和小离子。同样 可以区别出样品离子中的其它 尺寸的离子或其它同分异构体。

下面以图 1中小离子（中间浅色部分）为例说明如何获� �时变特征曲线 Cl。 参见图 2。 在 5 X 5mm线性离子阱中由于非理想四级场、 非均匀磁场等 原因， 会导致样品离子处于不同运动幅度时的运动频 率不同， 经短时傅里叶 变换变换后可获得连续频率变化图， 即时频质谱图。 放大峰值部分， 可观测 到明显的中心频率偏移。连接各频率的中心频 率可获得小离子运动频率随时 间变化曲线， 即时频曲线 Cl。 该时频曲线 C1于 xy平面内则如图 3 中 C1 所示。

该信号处理步骤中， 短时傅里叶变换方法 （STFT ) 也可以由傅里叶变 换方法 （FT ) 、 快速傅里叶变换方法 （FFT ) 、 分数阶傅里叶变换方法或小 波分析方法等其它时频分析方法代替。 进一步地， 该信号处理步骤中， 小离 子运动频率 fl随时间变化的时变特征曲线 C1满足方程: fi = foj + e ₃ + e _{5 +} ¾ e _{7 +} ... (1) 其中 ^为样品离子运动幅度； f。为无高阶场时离子运动频率； e ₃ , £ ₅ , £ ₇ 为偶阶场微扰系数，

其中 a _Q 为样品初始运

Langevin 衰减系数； δ ₂ = π(Γΐ) ² ——为硬球模型 (hard-sphere)衰减系数； rl为样品离子有效半径； ί?为样品离子电荷； 《 _ρ 为极化率； ε。为真空介电常 数； ρ为真空度； Γ为热力学温度， 单位为开尔文； /c为 Boltzmann常数； M为 载气质量； m为样品离子质量。 将式 (2)代入式 (1)，则得到小离子有效半径 rl与小离子运动频率 fl随时 间变化的关系等式， 并进一步根据公式 σ1 = π ·ΐ ) ² 得出频率 fl 与小离子的 碰撞截面积 σΐ之间的对应关系。 进一步地， 根据小离子有效半径 rl 与小离 子运动频率 fl随时间变化的关系等式通过数值法绘出小离� ��有效半径 rl与 小离子运动频率 fl 随时间变化的关系曲线。 同理， 可获得大离子有效半径 r2与大离子运动频率 Ω随时间变化的关系等式， 以及大离子有效半径 r2与 大离子运动频率 G随时间变化的关曲线。

应用本发明的方法， 经前述的囚禁、 激发离子步骤， 滤波步骤， 信号采 集步骤和信号处理步骤已能够区别出样品离子 中包含的大、小离子两种同分 异构体以及其它尺寸离子和同分异构体。为进 一步辩识出这些同分异构体及 离子之间的关系， 例如尺寸比例大小等， 本发明的方法还可进一步包括信号 分析步骤：通过分析信号处理步骤中各同分异 构体及不同尺寸离子的时变特 征曲线获得相应的特征值 S， 并建立特征值 S各自与对应的同分异构体及不 同尺寸离子碰撞截面积的对应关系， 从而确定尺寸比例关系。

该针对小离子的时变特征曲线， 其特征值由如下方法获得： 如图 3a和图 3b所示， 连接第一时刻 tOl的小离子运动频率 ftOl点与第 二时刻 ttl的小离子运动频率 fttl点， 构造一条直线 Ll， 将直线 L1与时变 特征曲线 C1所围成的封闭曲线从第一时刻 tOl到第二时刻 ttl积分，获得小 离子的时变特征曲线的特征值 Sl。依据同样方法， 连接第一时刻 t02的大离 子运动频率 ft02点与第二时刻 tt2的大离子运动频率 ftt2点， 构造一条直线 L2，将直线 L2与时变特征曲线 C2所围成的封闭曲线从第一时刻 t02到第二 时刻 tt2积分， 获得大离子的时变特征曲线的特征值 S2。 同样道理， 可获得 其它尺寸离子、 同分异构体的特征值。

特征值与碰撞截面积之间的对应关系可以通过 如下方法建立的： 对前述信号处理步骤中获得的离子有效半径与 样品离子运动频率随时 间变化的关系等式等号两边对时间进行积分， 得到同分异构体或不同尺寸离 子的特征值与其离子有效半径的对应关系， 并进一步以数值法绘制出曲线， 如图 4所示。 该曲线是在上述测量条件下唯一确定， 在同条件下如上述方法 测得任意离子该特征值 S， 根据曲线中该特征值 S对应点得到该离子有效半 径 r的值。 例如， 图 4中两种离子的特征值 Sl、 S2对应的离子有效半径为 rl=0.8nm、 r2=2.8nm， 因此可计算出 r2=3.5rl， 继而可计算出两种离子的尺 寸比例关系。在相同实验条件下， 可通过未知样品离子特征值的测量获得样 品离子有效半径精确值。 这里， 由 Fan Yang, Jacob E. Voelkel与 David V. Dearden的文献可知， 离子有效半径为 rl、 r2可对应于离子与载气的碰撞截 面积。故可通过未知样品离子特征值的测量获 得样品离子碰撞截面积精确值。

应指出的是， 构建特征值的方法不唯一， 凡由离子时频曲线经积分、 微 分等方法处理得到的面积、 斜率、 曲率半径等特征值， 均为可行。

采用本发明分析离子结构的方法，可快速鉴别 样品离子中出不同的同分 异构体或者质量相同但空间尺寸不同的离子， 并精确测定各同分异构体或不 同尺寸离子之间有效半径的比例关系。 工业实用性

本发明的分析离子结构的方法中， 提供了基于傅里叶变换设备及时频 分析的碰撞截面积测定方法实现离子结构分析 ， 可广泛应用于基于傅里叶 变换的设备中， 拓展了傅里叶变换设备的检测能力， 实现了样品离子空间 尺寸信息的无损检测。 在样品离子空间尺寸精确测定的基础上， 可一次性 分辨同分异构体， 如同一蛋白质的不同构象； 或者检测具有相同质量不同 尺寸的复杂混合样品， 提高了样品离子的检测效率， 降低了检测成本。

上述各实施例的特征可以通过拆分组合得到新 的实施例， 这并未脱离 本发明的范围。 另外， 对本领域技术人员显而易见的各种修改和变型 可能 并不偏离本发明的原理和范围。 因此， 只要其落入所附的权利要求及其等 同方案的范围内， 本发明也覆盖对本发明的这些修改和变型。