CN110596401A - 用于蛋白质检测的高场不对称波形离子淌度装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于蛋白质检测的高场不对称波形离子淌度装置，特点是：包括电喷雾离子源、第一组电极板、第二组电极板、质谱仪、正弦波电源、高场不对称波形电源、和直流电源，第一组电极板的一侧设置有进样入口，第一组电极板和第二组电极板前后同轴平行设置，第一组电极板间构成预退火区，第二组电极板间构成分离区，第二组电极板后端连接质谱仪，第一组电极板与正弦波电源及温度控制模块连接，第二组电极板与高场不对称波形电源及直流电源连接，电喷雾离子源产生的蛋白质样品离子在载气推动下通过预退火区和分离区。本发明适用于有立体异构体及中间体的复杂结构分子检测，尤其是蛋白质检测，优点是：提高检测的分辨率和灵敏度，重复性好。
Description
技术领域
本发明涉及离子分离检测技术领域，尤其涉及一种用于蛋白质检测的高场不对称波形离子淌度装置及方法。
背景技术
高场不对称波形离子淌度（Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry，FAIMS）是在传统离子淌度技术上发展起来的一种快速气相离子分离技术。高场不对称波形离子淌度利用其高低电场周期交替变化的特点，不同离子在极板间隙中根据高低电场条件下离子迁移率的差异进行分离。该技术具有结构简单、核心器件小、易于连续检测等优点，在现场分析检测领域具有巨大的发展潜力，目前已被应用于部分蛋白质同分异构体的分离检测。
现有的高场不对称波形离子淌度装置通常由离子化区、分离区和检测区构成，样品在离子化区被电离成样品离子后由载气带入分离区，分离区通过施加高场不对称波形电压用于分离目标离子，施加补偿电压用于补偿目标离子的高低场运动偏差，目标离子最终进入检测区被检测。
该技术用于蛋白质等复杂结构分子检测时仍存在以下不足：（1）分辨率低：由于蛋白质结构复杂，同分异构体众多，其还存在三维空间结构的差异，因此现有的高场不对称波形离子淌度技术在蛋白质分析上分辨率不足，难以确定其空间信息，实现完整蛋白质水平的立体异构体分离和鉴别；（2）灵敏度低：现有的高场不对称波形离子淌度技术同一时间只能通过相应补偿电压的离子，其他离子均被分离区上下电极板中和，因此被后续检测器检测到的离子大大减少，影响灵敏度；（3）可重复性差：由于蛋白质结构容易受温度影响，连续工作时分离区内过高的温度使分离过程中容易同时引发蛋白质产生“自清理”现象，即在消除更稳定的异构体间的中间体的同时，可能严重抑制信号，影响样品检测的可重复性。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于蛋白质检测的高场不对称波形离子淌度装置及方法，能够提高蛋白质检测的分辨率和灵敏度，可重复性好。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于蛋白质检测的高场不对称波形离子淌度装置，包括电喷雾离子源、第一组电极板、第二组电极板、质谱仪、正弦波电源、高场不对称波形电源、直流电源和气体发生器，所述的第一组电极板的一侧设置有供所述的电喷雾离子源电离产生的蛋白质样品离子进入的进样入口，所述的第一组电极板和所述的第二组电极板前后同轴平行设置，所述的第一组电极板与所述的第二组电极板之间留有间隙，所述的第一组电极板间构成预退火区，所述的第二组电极板间构成分离区，所述的第二组电极板后端连接所述的质谱仪的检测入口，所述的第一组电极板与所述的正弦波电源电连接，所述的第一组电极板的外侧设置有用于控制所述的预退火区温度的温度控制模块，所述的第二组电极板与所述的高场不对称波形电源及所述的直流电源电连接，所述的气体发生器设置在所述的第一组电极板的前端，其产生的载气推动电离后的蛋白质样品离子依次通过所述的预退火区和所述的分离区。
在一些实施方式中，所述的第一组电极板和所述的第二组电极板均由上下对称的两块平板型电极板构成，所述的第一组电极板和所述的第二组电极板的电极板间距相等。由此具有较优的蛋白质离子预退火及分离效果。
在一些实施方式中，所述的第一组电极板和所述的第二组电极板的电极板间距为0.1mm～10cm，优选为1mm～5mm。由此具有较优的效果，有利于提高检测分辨率。
在一些实施方式中，所述的正弦波电源的电压幅值不小于3kV。由此能够更好实现蛋白质样品离子在预退火区进行退火反应，提高后续分离过程中蛋白质离子的性能稳定性。
在一些实施方式中，所述的高场不对称波形电源可采用方波、半正弦波或双正弦波，所述的高场不对称波形电源的电压幅值不小于3kV，频率为1kHz～100MHz，优选为100kHz。由此具有较优的分离效果。
一种采用高场不对称波形离子淌度装置进行蛋白质检测的方法，包括以下步骤：
①使用电喷雾离子源，将溶液中的目标蛋白质样品离子化，产生蛋白质样品离子，蛋白质样品离子进入第一组电极板内并由载气推动向前运动；
②对第一组电极板提供正弦波电源，并通过温度控制模块对第一组电极板的预退火区提供稳定的温度场，蛋白质样品离子在载气、正弦波电源和温度场的共同作用下在预退火区振荡运动并完成预退火；
③对第二组电极板提供高场不对称波形电源和直流电源，蛋白质样品离子在载气的推动下继续向前运动至第二组电极板内的分离区，目标蛋白质离子在分离区被分离并进入质谱仪进行检测，获得扫描补偿电压的质谱信号，其余离子在分离区被中和；
④改变直流电源的补偿电压，重复步骤①-③，获得不同补偿电压下的质谱信号；
⑤整合不同补偿电压下的质谱信号，获得目标蛋白质离子的高场不对称波形离子淌度的信号谱图。
在一些实施方式中，所述的电喷雾离子源产生的蛋白质样品离子包括蛋白质正负离子和其他可离子化粒子。采用电喷雾离子源能够保证产生的蛋白质样品离子的空间结构不变。
在一些实施方式中，所述的载气为氢气、氦气、氮气、六氟化硫中的其中一种，或者氢气、氦气、氮气、六氟化硫中的多种按任意比例的混合，或者氢气、氦气、氮气、六氟化硫中的若干种与掺杂气体的混合，所述的掺杂气体选自醚类、醇类、酮类和芳香烃类气体，所述的载气的流速为0.001L/min～30L/min，优选为1L/min～5L/min。由此，载气采用氢气、氦气、氮气、六氟化硫中的若干种与掺杂气体的混合，并结合特定流速，能够进一步改善预退火及分离效果。
在一些实施方式中，所述的步骤②中正弦波电源的电压幅值不小于3kV，温度场的温度范围在0℃～500℃，优选为100℃～300℃。由此为蛋白质离子预退火提供稳定的温度场，能够更好地达到蛋白质离子经预退火后的性能，减少后续分离时“自清理”现象产生，保证离子信号强度。
在一些实施方式中，所述的直流电源的补偿电压的可调节范围为-200V～200V。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）通过设置电喷雾离子源产生蛋白质样品离子，在载气的推动下依次通过两组电极板，蛋白质样品离子在第一组电极板的高电压正弦波电源、温度场作用下振荡运动，并与载气分子发生碰撞转化热能，样品离子温度升高进行预加热，然后蛋白质样品离子能够自动向能势低点状态维持，在预退火区进行退火作用，有利于稳定蛋白质的空间结构和性能，能够减少蛋白质“自清理”现象的产生，将原来分离过程中同时发生的不可控制的“自清理”现象可控化，从而保证后续分离效果，提高离子信号强度；
（2）第二组电极板的高场不对称波形电源用于分离蛋白质样品离子，直流电源用于补偿样品离子在第二组电极板间的高低场运动偏差，最终目标离子被分离后进入质谱仪检测，与传统的FAIMS结构相比，电极板间距能够从1.9mm提升至5mm，分离时间从0.2～0.4s提升至1～1.5s，并且在不损失灵敏度前提下，分辨率能够从200～400较大幅度提升至800左右，实现完整蛋白质水平的立体异构体的准确鉴别；
（3）能够合理控制蛋白质离子在预退火阶段和分离阶段的时长，且经过预退火后蛋白质离子不受连续工作时过高温度的影响，从而避免出现进一步的异构化，提高检测图谱的可重复性。
附图说明
图1为本发明一种用于蛋白质检测的高场不对称波形离子淌度装置的结构示意图。
其中，电喷雾离子源1，第一组电极板2，第二组电极板3，质谱仪4，正弦波电源5，高场不对称波形电源6，直流电源7，载气8，进样入口9，预退火区10，分离区11，温度控制模块12。
具体实施方式
以下结合附图对本发明用于蛋白质检测的高场不对称波形离子淌度装置及方法作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
实施例一
如图所示，本发明的一种用于蛋白质检测的高场不对称波形离子淌度装置，包括电喷雾离子源1、第一组电极板2、第二组电极板3、质谱仪4、正弦波电源5、高场不对称波形电源6、直流电源7和气体发生器，第一组电极板2的一侧设置有供电喷雾离子源电离产生的蛋白质样品离子进入的进样入口9，第一组电极板2和第二组电极板3前后同轴平行设置，第一组电极板2与第二组电极板3之间留有间隙，第一组电极板2间构成预退火区10，第二组电极板3间构成分离区11，第二组电极板3后端连接质谱仪4的检测入口，第一组电极板2与正弦波电源5电连接，第一组电极板2的外侧设置有用于控制预退火区温度的温度控制模块12，第二组电极板3与高场不对称波形电源6及直流电源7电连接，气体发生器设置在第一组电极板2的前端，其产生的载气8推动电离后的蛋白质样品离子依次通过预退火区10和分离区11。
本实施例中，在第一组电极板2的上极板开设有进样入口9，电喷雾离子源电离产生的蛋白质样品离子的进样方向与载气方向呈一定角度，能够更好地降低样品离子的损失。
本实施例中，温度控制模块12包括紧密设置在第一组电极板***的加热板和温度传感器，加热板与外部电源连接，温度传感器与控制***连接，用于准确控制预退火区的温度，保证稳定的温度场。气体发生器还连接有气体流量控制器，用于控制载气保持稳定的流速。
本实施例中，第一组电极板2和第二组电极板3均由上下对称的两块平板型电极板构成，第一组电极板2和第二组电极板3的电极板间距相等，均为4mm，在其他实施例中，电极板间距可以是0.1mm、1mm、3mm、5mm、1cm、10cm等。
本实施例中，正弦波电源5的电压幅值不小于3kV。高场不对称波形电源6采用双正弦波叠加形成, 其中叠加形成的波形满足一个周期的积分为0，即高场部分与低场部分的积分面积相同，其他实施例中高场不对称波形电源6可采用方波、半正弦波或其他高阶拟合波形实现近似效果。高场不对称波形电源6的电压幅值不小于3kV，频率为100kHz，在其他实施例中，高场不对称波形电源6的频率可以是1kHz、10kHz、500kHz、10MHz、100MHz等。
质谱仪4的质荷比（m/z）范围在1～1000000amu之间，优选为1000～200000amu，质谱仪4的质量分辨率在100～20000000之间。本实施例中，质荷比1000amu和质谱仪的最高灵敏度条件下，质谱仪的质量分辨率不小于10000，具有较优的效果。
实施例二
本发明一种采用高场不对称波形离子淌度装置进行蛋白质检测的方法，包括以下步骤：
①使用电喷雾离子源，将溶液中的目标蛋白质样品离子化，产生蛋白质样品离子，保证蛋白质样品离子的空间结构不变，蛋白质样品离子进入第一组电极板内并由载气推动向前运动；
②对第一组电极板提供正弦波电源，并通过温度控制模块对第一组电极板的预退火区提供稳定的温度场，蛋白质样品离子在载气、正弦波电源和温度场的共同作用下在预退火区振荡运动并完成预退火；
③对第二组电极板提供高场不对称波形电源和直流电源，蛋白质样品离子在载气的推动下继续向前运动至第二组电极板内的分离区，目标蛋白质离子在分离区被分离并进入质谱仪进行检测，获得扫描补偿电压的质谱信号，其余离子在分离区被中和；
④改变直流电源的补偿电压，重复步骤①-③，获得不同补偿电压下的质谱信号；
⑤整合不同补偿电压下的质谱信号，获得目标蛋白质离子的高场不对称波形离子淌度的信号谱图。
电喷雾离子源产生的蛋白质样品离子包括蛋白质正负离子和其他可离子化粒子。
载气为氢气、氦气、氮气、六氟化硫中的其中一种或多种按任意比例的混合，或者氢气、氦气、氮气、六氟化硫中的若干种与掺杂气体的混合，掺杂气体选自醚类、醇类、酮类和芳香烃类气体，由此能够改善目标样品的分离效果。载气的流速为0.001L/min～30L/min，优选为1L/min～5L/min。步骤②中正弦波电源的电压幅值不小于3kV，温度场的温度范围在0℃～500℃，优选为100℃～300℃。
本实施例中，载气选用纯氮气或75%氮气和25%氢气的混合，流速为2～3L/min，预退火温度为100～150℃。直流电源的补偿电压的可调节范围为-200V～200V。基于上述特定的载气流速、预退火温度和正弦波电压，使蛋白质在分离之前进行预退火，将原来分离过程中同时发生的不可控制的“自清理”现象可控化，保证了蛋白质检测的信号强度。
本发明的一种用于蛋白质检测的高场不对称波形离子淌度装置及方法，基本工作原理如下：蛋白质样品离子通过电喷雾离子源1电离形成样品离子后，在载气的推动下依次通过两组平板型电极板，样品离子在第一组电极板2间（预退火区10）受到高电压正弦波电源5和温度控制模块12稳定的温度场作用，样品离子振荡运动并与载气分子发生碰撞，部分动能转化为热能，使样品离子温度升高进行预加热，然后蛋白质样品离子能够自动向能势低点状态维持，进行退火作用。该过程能够减少蛋白质“自清理”现象的产生，有利于稳定蛋白质的空间结构和性能，利于后续分离，提高离子信号强度。随后蛋白质样品离子在第二组电极板3间（分离区11）受到高场不对称波形电源6的作用而分离，目标离子受到直流电源7的补偿作用而飞出分离区，最终被质谱仪4检测，而其余离子则撞击到电极板上被中和。
基于上述特征，本发明的一种用于蛋白质检测的高场不对称波形离子淌度装置及方法，通过引入蛋白质预退火阶段，采用平均电压更高的正弦波使蛋白质在分离之前进行预退火，有利于稳定蛋白质的空间结构和性能，能够减少蛋白质“自清理”现象的产生，将原来分离过程中同时发生的不可控制的“自清理”现象可控化，从而保证后续分离效果，提高离子信号强度；与传统的FAIMS结构相比，本发明的电极板间距能够从1.9mm提升至5mm，分离时间从0.2～0.4s提升至1～1.5s，延长了离子在分离区的滞留时间，并且在不损失灵敏度前提下，分辨率能够从200～400较大幅度提升至800左右，实现完整蛋白质水平的立体异构体的准确鉴别；能够通过电极板长度和载气流速来合理控制蛋白质离子在预退火阶段和分离阶段的时长，且经过预退火后蛋白质离子不受连续工作时过高温度的影响，能够避免出现进一步的异构化，提高检测图谱的可重复性。
本发明的一种用于蛋白质检测的高场不对称波形离子淌度装置及方法，还适用于其他有立体异构体及中间体的复杂结构分子的检测。
值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。
Claims (10)
1.一种用于蛋白质检测的高场不对称波形离子淌度装置，其特征在于，包括电喷雾离子源、第一组电极板、第二组电极板、质谱仪、正弦波电源、高场不对称波形电源、直流电源和气体发生器，所述的第一组电极板的一侧设置有供所述的电喷雾离子源电离产生的蛋白质样品离子进入的进样入口，所述的第一组电极板和所述的第二组电极板前后同轴平行设置，所述的第一组电极板与所述的第二组电极板之间留有间隙，所述的第一组电极板间构成预退火区，所述的第二组电极板间构成分离区，所述的第二组电极板后端连接所述的质谱仪的检测入口，所述的第一组电极板与所述的正弦波电源电连接，所述的第一组电极板的外侧设置有用于控制所述的预退火区温度的温度控制模块，所述的第二组电极板与所述的高场不对称波形电源及所述的直流电源电连接，所述的气体发生器设置在所述的第一组电极板的前端，其产生的载气推动电离后的蛋白质样品离子依次通过所述的预退火区和所述的分离区。
2.根据权利要求1所述的用于蛋白质检测的高场不对称波形离子淌度装置，其特征在于，所述的第一组电极板和所述的第二组电极板均由上下对称的两块平板型电极板构成，所述的第一组电极板和所述的第二组电极板的电极板间距相等。
3.根据权利要求2所述的用于蛋白质检测的高场不对称波形离子淌度装置，其特征在于，所述的第一组电极板和所述的第二组电极板的电极板间距为0.1mm～10cm，优选为1mm～5mm。
4.根据权利要求1所述的用于蛋白质检测的高场不对称波形离子淌度装置，其特征在于，所述的正弦波电源的电压幅值不小于3kV。
5.根据权利要求1所述的用于蛋白质检测的高场不对称波形离子淌度装置，其特征在于，所述的高场不对称波形电源可采用方波、半正弦波或双正弦波，所述的高场不对称波形电源的电压幅值不小于3kV，频率为1kHz～100MHz，优选为100kHz。
6.一种采用权利要求1的高场不对称波形离子淌度装置进行蛋白质检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
①使用电喷雾离子源，将溶液中的目标蛋白质样品离子化，产生蛋白质样品离子，蛋白质样品离子进入第一组电极板内并由载气推动向前运动；
②对第一组电极板提供正弦波电源，并通过温度控制模块对第一组电极板的预退火区提供稳定的温度场，蛋白质样品离子在载气、正弦波电源和温度场的共同作用下在预退火区振荡运动并完成预退火；
③对第二组电极板提供高场不对称波形电源和直流电源，蛋白质样品离子在载气的推动下继续向前运动至第二组电极板内的分离区，目标蛋白质离子在分离区被分离并进入质谱仪进行检测，获得扫描补偿电压的质谱信号，其余离子在分离区被中和；
④改变直流电源的补偿电压，重复步骤①-③，获得不同补偿电压下的质谱信号；
⑤整合不同补偿电压下的质谱信号，获得目标蛋白质离子的高场不对称波形离子淌度的信号谱图。
7.根据权利要求6所述的高场不对称波形离子淌度装置进行蛋白质检测的方法，其特征在于，所述的电喷雾离子源产生的蛋白质样品离子包括蛋白质正负离子和其他可离子化粒子。
8.根据权利要求6所述的高场不对称波形离子淌度装置进行蛋白质检测的方法，其特征在于，所述的载气为氢气、氦气、氮气、六氟化硫中的其中一种，或者氢气、氦气、氮气、六氟化硫中的多种按任意比例的混合，或者氢气、氦气、氮气、六氟化硫中的若干种与掺杂气体的混合，所述的掺杂气体选自醚类、醇类、酮类和芳香烃类气体，所述的载气的流速为0.001L/min～30L/min，优选为1L/min～5L/min。
9.根据权利要求6所述的高场不对称波形离子淌度装置进行蛋白质检测的方法，其特征在于，所述的步骤②中正弦波电源的电压幅值不小于3kV，温度场的温度范围在0℃～500℃，优选为100℃～300℃。
10.根据权利要求6所述的高场不对称波形离子淌度装置进行蛋白质检测的方法，其特征在于，所述的直流电源的补偿电压的可调节范围为-200V～200V。
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