具有编码频繁脉冲的静电质谱仪
阅读：97发布：2021-03-23
专利汇可以提供具有编码频繁脉冲的静电质谱仪专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种用于操作具有延长的飞行路径的开放式静电阱（E－阱）或多通TOF质谱仪的方法、装置和 算法 。应用具有非同等时间间隔的起始脉冲串以触发离子包注入分析器，获取长谱以接收来自整个串的离子，通过在数据分析阶段去除或考虑重叠 信号 重建真实谱，同时使用对峰组的逻辑分析。所述方法特别适用于级联质谱法，其中谱是稀疏的。所述方法改善分析器和探测器的占空比、动态范围和空间电荷产出量，以及E－阱分析器的响应时间。在不降低E－阱灵敏度的条件下，所述方法容许飞行延伸。，下面是具有编码频繁脉冲的静电质谱仪专利的具体信息内容。
1.一种静电质谱仪，包括：
（a）脉冲离子源，用于形成离子包；
（b）离子探测器；
（c）多通静电质量分析器，提供在Z方向上通过所述分析器的离子包通道和在局部正交的方向X上的同步离子振荡；
（d）脉冲串发生器，用于以任意对起始脉冲之间的时间间隔触发所述脉冲离子源或脉冲转换器，所述时间间隔在探测器上的峰时间宽度ΔT内是唯一的；
（e）数据采集系统，用于记录所述脉冲串的持续时间内的探测器信号，和用于累加与多个脉冲串相对应的谱；
（f）主脉冲发生器，用于触发所述数据采集系统和所述脉冲串发生器；和（g）谱解码器，用于基于探测器信号和关于所述起始脉冲的预设时间间隔的信息，重建质谱。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在脉冲串内，对于任意非同等数量的起始脉冲i和j，起始时间Ti和Tj满足以下组中的一个条件：(i)|(Ti+1-Ti)-(Tj+1-Tj)|＞ΔT；
＊ ＊ ＊
(ii)Tj＝j (T1+T2 j (j-1))，其中1us＜T1＜100us且5ns＜T2＜1000ns。
3.根据权利要求1和2所述的装置，其特征在于，所述静电分析器的电极是平行的,并且在Z方向上线性延伸以形成平面对称的二维静电场。
4.根据权利要求1和2所述的装置，其特征在于，所述静电分析器包括平行的和同轴的环电极以形成具有柱状对称的二维静电场的环形体积。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述环形体积的平均半径大于每单次振荡的离子路径的六分之一，并且，所述分析器具有至少一个用于径向离子偏转的环电极。
6.根据权利要求1至5所述的装置，其特征在于，所述静电分析器包括以下电极组中的一组：（i）由无场区间隔的至少两个静电离子镜；（ii）至少两个静电扇区；和（iii）至少一个离子镜和至少一个静电扇区。
7.根据权利要求1至6所述的装置，其特征在于，所述静电分析器是具有非固定离子路径的开放式离子阱，并且，所述分析器中离子振荡的数量M具有以下组中的一个跨度ΔM：
（i）从2至3；（ii）从3至10；（iii）从10至30；和（iv）从30至100。
8.根据权利要求1至7所述的装置，其特征在于，所述静电分析器包括具有固定飞行路径的多通飞行时间质量分析器、以及以下组中的用于限制Z方向上的离子发散的一个部件：（i）一组周期透镜；（ii）在Z方向上调制的静电镜；（iii）在Z方向上调制的静电扇区；
和（iv）至少两个狭缝。
9.根据权利要求1至8所述的装置，其特征在于，所述脉冲源包括以下组中的一个正交脉冲转换器：（i）正交脉冲加速器；（ii）无网格正交脉冲加速器；（iii）具有脉冲正交提取的射频离子导向器；（iv）具有脉冲正交提取的静电离子导向器；和（v）其前具有上游累积射频离子导向器的上述加速器中的任意一个。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述转换器相对Z轴倾斜，并且在所述静电分析器内进行至少一次离子反射或转向后，附加偏转器以同一角度偏转离子包。
11.一种质谱分析的方法，包括以下步骤：
（a）脉冲源的频繁脉冲发生；
（b）以脉冲串进行信号编码，所述脉冲串具有不均匀间隔；
（c）在Z方向上将离子包通过静电分析器，以使所述包在正交的X方向上同步振荡；
（d）采集与串持续时间相对应的长谱；和
（e）随后使用关于预定不均匀脉冲间隔的信息进行谱解码。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括下组中的一个步骤：（i）舍弃重叠在序列之间的峰；和（ii）基于从相关序列内的非重叠峰推得的信息，部分分离重叠峰，并且分配这样的分离峰到相关序列。
13.根据权利要求11和12所述的方法，其特征在于，在脉冲串内，对于任意非同等数量的起始脉冲i和j，起始时间Ti和Tj满足以下组中的一个条件：(i)||Ti+1-Ti|-|Tj+1-Tj||＊ ＊ ＊
＞△T；(ii)Tj＝j T1+T2 j (j-1)，这里，T1＞＞T2；其中T1为从10us到100us且T2为从5ns到100ns。
14.根据权利要求11至13所述的方法，其特征在于，所述脉冲串中的起始脉冲数量S是以下组中的一个：（i）从3至10；（ii）从10至30；（iii）从30至100；（iv）在100和
300之间；和（v）超出300。
15.根据权利要求11至14所述的方法，其特征在于，所述脉冲离子源和所述探测器之间的离子路径等于在跨度ΔM内的整数M次振荡，并且根据反射数量的所述跨距ΔM是以下组中的一个：（i）从2至3；（ii）从3至10；（iii）从10至30；和（iv）从30至100。
16.根据权利要求11至15所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下组中的至少一个步骤：（i）调整源发射量低于20mm2＊eV；（ii）加速以提供小于20mm＊mrad的角空间发散；（iii）通过至少一个透镜调整包发散为小于1mrad；和（iv）通过所述静电分析器内的至少两个狭缝限制角发散。
17.根据权利要求11至16所述的方法，其特征在于，所述静电分析器场通过至少四个具有不同电势的电极形成；其中所述场包括加速透镜的至少一个空间聚焦场，以提供相对于在离子包的空间、角度和能量跨距上小偏移的飞行时间聚焦至Tailor展开的第n阶，其中所述像差补偿的阶是以下组中的一个：（i）至少第一阶；（ii）相对于所有跨距和包括交叉项的至少第二阶；和（iii）相对于离子包的能量跨距的至少第三阶。
18.根据权利要求11至17所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在所述脉冲包形成的步骤前的离子分离步骤，其中所述上游分离步骤包括以下组中的至少一个：（i）离子迁移率分离；（ii）差分迁移率分离；（iii）滤波质谱，以用于在一定时间内通过一种m/z成分；（iv）离子捕获，之后进行质量相关的序列释放；（v）具有飞行时间质量分离的离子捕获；和（vi）其后进行离子裂解的上述分离方法中的任意一个。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括起始脉冲的附加的第二编码串，以便同步前述离子分离步骤；所述第二串具有脉冲之间的非均等间隔；所述第二串的持续时间与前述离子分离的持续时间相当。
20.一种用于具有编码的快速脉冲的静电质谱法中的谱解码的算法，包括以下步骤：
（a）在已编码谱内拾取峰；
（b）聚集峰成组，所述组根据脉冲序列和或由于多重峰形成而在时间上隔开；
（c）基于组特性和已编码谱的积分特性使所述组生效；
（d）基于峰特性的相关性使组内的各个峰生效；
（e）查找组之间的峰重叠并舍弃重叠；和
（f）使用非重叠峰恢复谱。
21.根据权利要求20所述的算法，其特征在于，将峰分类至峰强度范围，并且，在分析较低强度范围时，去除已识别的较高强度范围的峰。
22.根据权利要求20和21所述的算法，其特征在于，所述方法进一步包括以下组的至少一个附加步骤：（i）谱解码前的级联质谱法谱中的背景减法；（ii）谱解码前的色谱质谱法数据的反卷积；（iii）确定各个峰之间的相关性。
23.一种用于具有编码的快速脉冲的静电质谱法中的低强度谱的解码的算法，包括以下步骤：
（a）将根据用于已解码谱中的每个区间的起始脉冲间隔而隔开的信号累加；
（b）丢弃具有低于预设阈值的多个非零信号的和；
（c）在已累加的谱内探测峰以形成正确峰的假设；
（d）聚集与每个来自已编码谱的假设相对应的信号组；
（e）基于已编码谱的积分特性，使组生效；
（f）查找组之间的峰重叠并舍弃重叠；和
（g）使用非重叠信号重建正确谱。
具有编码频繁脉冲的静电质谱仪
技术领域
[0001] 本发明总体上涉及质谱分析领域，更具体地涉及提高包括具有延长的飞行路径的开放式静电阱或飞行时间质谱仪在内的静电质谱仪装置的灵敏度、速度和动态范围。
背景技术
[0002] 飞行时间质谱仪（TOF MS）广泛应用于分析化学，用来识别和定量分析各种混合物。在实际应用中，这类分析的灵敏度和分辨率是一个重要的考虑。为了提高TOF MS的分辨率，通过引用结合到本文中的US4,070,862公开了一种用于有关离子能量的改善飞行时间聚焦的离子镜。为了把TOF MS用于连续离子束，通过引用结合到本文中的WO9103071公开了一种正交脉冲加速（OA）的方案。由于TOF MS的分辨率与飞行路径成比例，已经建议采用包括多反射（MR-TOF）和多匝（MT-TOF）质谱仪在内的多通飞行时间质谱仪（M-TOF MS）。通过引用结合到本文中的SU1725289介绍了一种使用二维无网格的和平面的离子镜的折叠路径MR-TOF MS。通过引用结合到本文中的GB2403063和US5017780公开了一组用于二维MR-TOF内离子包的空间限制的周期性透镜。通过引用结合到本文中的WO2007044696建议采用一种双正交注射方案来改善OA效率。然而，OA-MR-TOF的占空比仍然低于1％。
[0003] 为了改善OA占空比，OA中离子束的瞬间压缩能够通过以下方法实现：进行离子累加并从线性离子导向器中脉冲释放（通过引用结合到本文中的US5689111，US6020586和US730986），使用从离子阱释放与质量相关的离子（通过引用结合到本文中的US6504148，US6794640，WO2005106921和US7582864），或在RF离子导向器（通过引用结合到本文中的WO2007044696）内对离子进行速度调制。然而，该压缩导致以下问题：（a）质量范围的限制；（b）探测系统的饱和；（c）由于自身空间电荷导致的分析器内的离子包的膨胀。已知，空间电荷效应将M-TOF内的离子包限制在每峰每注料量小于1000个离子，并且每秒每质量峰低于1E+6个离子。该数据远低于现代离子源能够产生的数据：如果是电喷雾（ESI）、APPI和APCI离子源，能够产生1E+9离子/秒，如果是EI和辉光放电（GD）离子源，能够产生1E+10离子/秒，如果是ICP离子源，能够产生1E+11离子/秒。
[0004] 为了改善OA的占空比，通过引用结合到本文中的US6861645公开了一种方法，该方法使用短脉冲周期，记录短谱，通过峰宽度和峰图形（比如同位素分布或多带电峰图形）的形式解码谱。通过引用结合到本文中的WO2008087389公开了快速OA脉冲，记录和比较至少两组具有不同OA脉冲周期的数据。两种方法仅对具有强峰的低密度谱生效。
[0005] 通过引用结合到本文中的US6900431公开了一种阿达玛变换（HT）结合正交加速式TOF MS（o-TOF MS）的方法。将正交加速器（OA）的频繁脉冲排列成“伪随机”序列（如同具有预定二进制编码遗漏的周期序列），并且通过反向HT恢复谱。反向HT过程包括对相同长谱累加和相减，同时根据编码序列移动谱。然而，这种方法会引入来自反向HT的附加噪声。由于离子源通量和探测器响应的变化，实际上同等信号的预定相减会在恢复的谱中留下假峰。
[0006] 通过引用结合到本文中、同时待审的申请PCT/IB2010/056136公开了一种具有延长的但非固定离子路径的开放式E-阱。离子通过用于多重振荡周期（在静电扇区内的离子镜或匝之间反射）的延长脉冲转换器脉冲注入，并且经过在整数M（在某一跨度ΔM内）次的振荡后到达探测器上。在合成谱中，每个m/z成分由与整数振荡的跨度相对应的多重峰表示。这种谱恢复考虑了多重峰内的可重复的强度分布。该申请也提出了快速脉冲和多重峰记录相结合。然而，提出的起始脉冲串在脉冲间采用恒定的时间间隔，这限制了原始谱解码的能力。
[0007] 此处，我们提出了术语“静电质谱计”EMS，用来表示具有延长的和非固定离子路径的开放式静电阱（E-traps）和多通飞行时间静电（E-TOF）质谱仪。
[0008] 综上所述，现有技术EMS提高了分辨率，但是限制了脉冲转换器的占空比，并且不能在不降低分析器的参数的情况下，接受来自现代离子源的超过每秒1E+7个离子的大离子流。改善OA占空比的现有技术方法不适用于EMS。因此，需要改善EMS的灵敏度、速度、动态范围和离子产出量。
发明内容
[0009] 发明人认识到高分辨率静电质谱仪（EMS）的灵敏度、动态范围和响应时间能够通过以下方式得到实质上的改善：（a）离子源或脉冲转换器的快速脉冲；（b）在任意一对脉冲之间设置具有唯一时间间隔的预定脉冲序列，这在本发明中称为脉冲编码；（c）为一串快速脉冲采集长谱；和（d）在数据分析阶段，使用对峰重叠的逻辑分析对所述谱进行解码，同时在脉冲间隔上和多重峰内的实验确定的强度分布上使用该信息。
[0010] 与现有技术相比，脉冲以非均匀脉冲间隔编码。因此，在长编码谱中，与不同起始脉冲相对应的各个质量（m/z）成分之间可以出现单重叠，但是该方法避免了用于任意一对m/z成分和特定多重峰的系统重叠。在中等谱密度（占有时间比例的百分比）中，用于单质量（m/z）成分的多数峰将免于重叠，并且将用于信号累加。非周期脉冲也为正确的质量（m/z）假设提供尖锐的共振，而错误假设将有更少的出现（类似于拼图片）。在峰累加前，逻辑地找到的重叠或者已经被去除了，或者已经被考虑到了。
[0011] 所述方法主要应用于级联质谱法，其中谱是稀疏的，并且具有低化学背景。广义上，我们定义级联质谱仪是EMS和任意气相离子分离设备的结合，例如差分离子迁移率谱仪、迁移率谱仪或具有裂解单元的质谱仪。
[0012] 本申请公开了一种具有编码快速脉冲和谱解码器的新型EMS装置。一些特定实施例说明了所述新型装置和新型编码-解码方法的优点。本申请公开了用于谱恢复的多种新型算法，并且呈现了基于具有至少100种质量成分的模型MS-MS谱的谱恢复的模拟结果。
[0013] 根据本发明的第一方面，提供了一种静电质谱仪（EMS），其包括：
[0014] （a）脉冲离子源，用于离子包形成；
[0015] （b）离子探测器；
[0016] （c）多通EMS分析器，提供离子包在z方向上通过所述分析器的通道和在正交方向X上的同步离子振荡；
[0017] （d）脉冲串发生器，用于以任意对起始脉冲之间的时间间隔触发所述脉冲离子源或脉冲转换器，所述时间间隔在探测器上的峰时间宽度ΔT内是唯一的；
[0018] （e）数据采集系统，用于记录所述脉冲串持续时间内的探测器信号，和累加用于与多个脉冲串相对应的谱；
[0019] （f）主脉冲发生器，用于触发所述数据采集系统和所述脉冲串发生器；和[0020] （g）谱解码器，用于基于探测器信号和所述起始脉冲的预设时间的信息，重建质谱。
[0021] 优选地，在脉冲串内，对于任意非相等数量的起始脉冲i和j，起始时间Ti和Tj，满＊ ＊足以下组中的一个条件：(i)|(Ti+1-Ti)-(Tj+1-Tj)|＞ΔT；(ii)Tj＝j (T1+T2 (j-1))，其中
1us
1us
[0022] 在一个实施例中，所述多通道EMS分析器的电极是平行的,并且在Z方向上线性延伸以形成平面对称的二维静电场。在另一实施例中，所述EMS分析器包括平行的和同轴的环电极以形成具有柱状对称的二维静电场的环形体积。优选地，所述环形体积的平均半径大于每单振荡离子路径的三分之一，其中所述分析器具有至少一个用于径向离子偏转的环电极。优选地，每次单反射的弓形离子偏移小于3度。所述EMS分析器可以包括以下电极组中的一组：（i）至少两个静电离子镜；（ii）至少两个静电扇区；和（iii）至少一个离子镜和至少一个静电扇区。
[0023] 在一组实施例中，所述EMS分析器可以是具有非固定离子路径的开放式E－阱，其中所述分析器中离子振荡的数量M可以具有跨度ΔM，所述ΔM低至2，且高至100。优选地，所述振荡的数量M可以从3变化到超过100。优选地，所述起始脉冲串中的脉冲数量S可以根据振荡数量的跨距ΔM调整，使得在编码的原谱中峰的总数量（ΔM＊S的乘积）的变化范围可以从3到100。优选地，将所述E－阱分析器的所述静电场调整到，对于每个离子循环，提供离子包时间聚焦在探测器平面X＝XD。在另一组实施例中，所述EMS分析器包括可以是具有固定离子路径的多通道飞行时间质谱仪。所述多通道TOF分析器可以具有以下组中的用于以在z方向上限制离子发散的一个部件：（i）一组周期透镜；（ii）在z方向上调制的静电镜或静电扇区；和（iii）至少两个狭缝。
[0024] 在一个实施例中，所述脉冲离子源可以包括以下组中的一个本征脉冲源：（i）MALDI源；（ii）DE MALDI源；（iii）具有脉冲提取的裂解单元；（iv）具有脉冲提取的电子碰撞；和（iv）SIMS源。在另一实施例中，为采用连续离子源，所述脉冲源可以包括以下组中的一个正交脉冲加速器（OA）：（i）正交脉冲加速器；（ii）无网格正交脉冲加速器；（iii）具有脉冲正交提取的射频导向器；（iv）具有脉冲正交提取的静电离子导向器；和（v）其前具有上游累积射频离子导向器的任意上述加速器。优选地，来自所述上游气态RF离子导向器的离子提取可以与触发所述脉冲串的所述主发生器同步，其中将所述脉冲串的持续时间被选择为与离子进入所述OA内的到达时间的跨距（spread）相当。所述OA可以比E－阱EMS分析器中的每单离子循环的离子包位移Z1长。所述OA可以偏移所述分析器的X-Z对称轴；其中通过脉冲偏转器将离子包返回到所述X-Z对称轴。所述OA可以相对Z轴倾斜，并且在所述EMS分析器内进行至少一个离子反射或返回后，附加偏转器在同一角度调整离子包。
[0025] 所述数据采集系统可以包括ADC或TDC，具有板上谱累加，或者具有在数据记录范围内通过总线的数据转移，其中阈值以上的数字化信号经过存储缓冲器和接口总线通过，同时在PC内实现信号分析和累加。所述谱解码器可以包括多核PC。作为替换，可以将所述谱解码器以快速可编程的门阵列的方式被实现于数据采集板上，以用于多核并行谱解码。
[0026] 本发明适用于各种级联。优选地，所述装置可以进一步包括在EMS前用于样品分离的上游色谱。所述装置可以进一步包括这样的在先离子分离设备，比如：（i）离子迁移率谱仪；（ii）差分迁移率谱仪；和（iii）质量滤波器；（iv）序列分离器，作为具有序列离子喷射的离子阱或其后具有飞行时间质谱仪的阱；和（vi）其后具有裂解单元的任意上述离子分离设备。具有前述分离设备的所述装置可以进一步包括附加编码发生器,用于提供第二串编码起始脉冲以触发前述分离设备。
[0027] 根据本发明的第二方面，提供了一种质谱分析的方法，该方法包括以下步骤：
[0028] （a）脉冲源的频繁脉冲发生；
[0029] （b）以脉冲串进行信号编码，所述脉冲串具有不均匀间隔；
[0030] （c）在Z方向上将离子包传送通过静电分析器，以使所述包在正交的X方向上同步振荡；
[0031] （d）采集与串持续时间相对应的长谱；和
[0032] （e）使用关于预定不均匀脉冲间隔的信息进行谱解码。
[0033] 所述方法可以进一步包括以下组中的一个步骤：（i）去除重叠在串之间的峰；和（ii）基于演绎自相关串内的非重叠峰的信息，部分分离重叠峰，并且分配这样的分离峰到相关串。优选地，在脉冲串内，对于任意非均等数量的起始脉冲i和j，起始时间Ti和Tj满＊ ＊足以下组中的一个条件：(i)|(Ti+1-Ti)-(Tj+1-Tj)|＞△T；(ii)Tj＝i (T1+T2 (j-1))，其中T1＞＞T2；(iii)其中10usi之间的关系定义为：Ti＝i T1+T2 j (j-1)，其中整数指数j是变化的，以平滑间隔变化的过程。所述脉冲串中的起始脉冲数量S可以低至3，且高于1000。
[0034] 在一组方法（开放式E－阱质谱法）中，所述离子包可以与所述X轴成一定角度注入所述静电场，以使分析器的离子路径等于整数M次振荡，所述M的跨度为ΔM，且ΔM从2变化到至少100。所述反射次数M可以为3，或高至1000。所述起始脉冲串中的脉冲数量S可以根据反射数量ΔM的跨距调整，以使已编码的原始谱中峰的总数量N＝ΔM＊S可以为3，或高至100。所述静电场中离子飞行时间可以低至0.1ms，或高至10ms。所述静电场中的离子飞行路径可以低至3米或高至100米。优选地，可以调整所述脉冲源和所述分析器场，对于每个离子循环，提供离子包时间聚焦在探测器平面X＝XD。
[0035] 在另一组方法（M-TOF质谱法）中，通过调整离子脉冲源和EMS分析器的参数来固定EMS分析器内的离子路径。所述方法包括以下组中的至少一个步骤：（i）调整源出射量低于20mm2＊eV；（ii）加速离子至高于3kv的电势以提供小于20mm＊mrad的角空间发散；（iii）通过至少一个透镜调整包发散至小于1mrad；（iv）通过所述EMS分析器中的至少两个狭缝或一组周期透镜，限制角发散。
[0036] 所述方法适用于静电分析器的各种静电场。优选地，所述静电分析器场可以包括以下组的至少一个静电场：（i）X方向上提供离子反射和Y方向上的空间离子聚焦的离子镜的静电场；（ii）提供离子轨道环路的柱状偏转静电场；（iii）无场空间；和（iv）用于轨道离子阱的径向对称场。所述静电分析器场可以是二维平面对称并在Z方向上线性延伸。作为替换，所述静电分析器场可以是二维柱状对称并沿圆形Z轴圆形延伸。
[0037] 优选地，所述分析器场通过至少四个具有不同电势的电极形成，其中所述电场包括至少一个加速透镜的空间聚焦场，以提供沿沿中央离子轨迹的飞行时间聚焦，所述轨迹在空间、角度和离子包的能量跨距上相对Tailor展开的n阶中有相对于小的偏移，其中偏差补偿的所述阶可以是以下组中的一组：（i）至少第一阶；（ii）相对于所有跨距和包括交叉项的至少第二阶；和（iii）相对于离子包的能量跨距的至少第三阶。
[0038] 所述方法适用于各种脉冲电离方法，比如：(i)MALDI;(ii)DEMALDI;(iii)SIMS;(iv)LD;和（V）具有脉冲提取的EI电离。作为替换，所述的离子包形成步骤可以包括连续或准连续离子束的形成，其后跟随以下组中的一种正交脉冲加速的方法：（i）注入离子到无场区，之后进行正交脉冲加速；（ii）通过RF离子导向器传播离子，之后进行脉冲正交提取；（iii）在RF离子导向器中捕获离子，之后进行正交离子提取；和（iv）通过具有脉冲正交提取的静电离子导向器传播离子束。在所述的正交离子加速步骤之前，可以进行离子累积和来自与所述主发生器同步的RF离子导向器的离子聚束的脉冲提取的步骤。优选地，编码脉冲串的持续时间与离子进入所述正交加速器区的到达时间的跨距相当。所述正交加速器区可以比E－阱分析器中每单离子循环的离子包位移Z1长，以改善占空比。优选地，所述正交加速器区可以从中央离子轨迹平面（或表面）移位；其中通过脉冲偏转将离子包返回所述表面上。
[0039] 所述方法特别适用于级联质谱仪分析。当谱稀疏时，谱解码更准确。另外，快速脉冲允许EMS前面的离子含量的快速跟踪。优选地，所述方法可以进一步包括电离步骤前的样品色谱分离步骤。优选地，脉冲包形成的所述步骤前，所述方法可以进一步包括以下组中的一个离子分离步骤：（i）离子迁移率分离；（ii）差分迁移率分离；（iii）源离子质量滤波；（iv）离子捕获，之后进行质量相关的序列释放；（v）具有飞行时间质量分离的离子捕获；和（vi）其后进行离子裂解步骤的任意上述分离方法。在先离子分离的步骤可以进一步包括第二串起始脉冲的附加编码步骤，以同步前述离子分离步骤；所述第二串具有脉冲之间的非均等间隔；所述第二串的持续时间与前述离子分离的持续时间相当，其中主脉冲周期与第二串和数据采集同步。优选地，所述方法可以进一步包括离子累积和脉冲提取步骤，所述脉冲提取自累积RF离子导向器，或者裂解单元。优选地，所述脉冲提取和所述起始脉冲串的开始同步，并且串持续时间根据离子包持续时间调整。
[0040] 根据本发明的第三方面，提供一种用于具有编码快速脉冲的多通静电质谱法中的谱解码的算法；所述算法包括以下步骤：
[0041] （a）在已编码谱内拾取峰；
[0042] （b）聚集峰成组，所述组根据脉冲序列和或由于多重峰形成而在时间上隔开；
[0043] （c）基于组的特性和编码谱使所述组生效；
[0044] （d）基于峰特性的关联使组内的各个峰生效；
[0045] （e）查找组之间的峰重叠并舍弃重叠；和
[0046] （f）使用非重叠峰恢复谱。
[0047] 优选地，可以将峰分类至峰强度范围，其中在分析较低范围谱时，去除已识别的较高强度峰。所述组生效的步骤可以包括基于每个强度范围内编码信号的动态范围和谱密度的程度，进行算法参数的自动选择。所述组生效步骤可以包括生效组标准的计算：（i）用于组确认的组内峰最小数量；（ii）峰强度内的可接受的跨距；和（iii）组内峰之间可接受的时间偏差和宽度偏差。所述组内峰生效步骤可以包括组内分布的分析，所述分布用于峰强度、峰宽度和质心及组内相关的偏差的一致性。优选地，所述算法进一步包括以下组的至少一个附加步骤：（i）谱解码前的级联质谱法谱中的背景减法；（ii）谱解码前的色谱质谱法数据的反卷积。谱处理的速度可以通过分离谱或任意解码步骤的并行多核解码提高。
[0048] 根据本发明的第四个方面，提供一种用于具有快速编码脉冲的多反射质谱法内的低强度谱解码的算法；所述解码算法包括以下步骤：
[0049] （a）将根据用于解码谱内的每个区间（bin）的起始脉冲间隔而隔开的信号累加；
[0050] （b）去除具有低于预设阈值的非零信号数量的和；
[0051] （c）在已累加的谱内探测峰以形成正确峰假设；
[0052] （d）聚集与每个来自编码谱的假设相对应的信号组；
[0053] （e）基于编码谱的积分特性，使组生效；
[0054] （f）查找组之间的峰重叠并舍弃重叠；
[0055] （g）使用非重叠信号重建正确谱；和
[0056] （h）考虑多重峰内的峰分布，进一步重建谱。
[0057] 优选地，通过确认分析的编码谱具有在每峰每编码起始从0.1至100个离子的范围内的信号，自动做出应用所述算法的决定。所述组生效步骤可以包括以下组中的一个步骤：（i）自动计算组内峰的最小数量，所述可接受阈值基于编码谱统计和信号的强度分布自动确定；（ii）分析已累加的区间组内的信号重复频率，和计算观测信号强度和时间跨距的统计概率的步骤。逐区间的累加可以将信号扩散考虑至下一脉冲串（谱超越）。可以通过将区间分组到更大尺寸的区间（具有与峰宽度相大致相对应的宽度）内来加速所述累加步骤。附图说明
[0058] 现在参考附图，仅通过实例描述本发明的各种实施例和已知指示性的目的，其中：
[0059] 图1示出了在正交加速器中具有周期和背面脉冲的现有技术的多反射M-TOF的方块图和同步示意图；
[0060] 图2示出了本发明的静电质谱仪（EMS）的方框图和同步示意图；
[0061] 图3示出了时序图和表示编码脉冲串的实例；
[0062] 图4示出了本发明静电分析器的优选实施例；
[0063] 图5示出了本发明优选方法的主步骤的图；
[0064] 图6示出了本发明优选解码算法的图；
[0065] 图7示出了具有离子迁移率谱仪（IMS）的EMS级联示意图和用于IMS编码的时序图；
[0066] 图8示出了具有离子迁移率谱仪（IMS）的EMS级联示意图和用于相关m/z迁移率离子滤波的时序图；
[0067] 图9示出了算法测试，并表示了在强信号条件下，与不同阶段的谱编码和解码相对应的谱；
[0068] 图10示出了在5.5阶动态范围内的质谱恢复的结果；
[0069] 图11示出了算法测试，并表示了在弱MS-MS信号条件下，与不同阶段的谱编码和解码相对应的谱；
[0070] 图12示出了算法测试，并表示了质谱恢复的结果。
具体实施方式
[0071] 现有技术：参考图1，现有技术的具有延长的飞行路径11的MR-TOF质谱仪包括具有离子镜12M的MR-TOF分析器12、正交加速器OA 13、具有前置放大器16的TOF探测器15、和周期脉冲的主发生器14，其用于触发加速器13和模拟数字转换器（ADC）17，可选地，具有板上的谱累加。
[0072] 在操作中，连续离子束（如白箭头所示）沿着Z轴进入正交加速器13。周期地，将离子束的各片段沿着X方向脉冲加速，由此形成的离子包进M-TOF分析器12。在MR-TOF内多重反射后，离子包击中探测器15，通常为MCP或SEM。通过快速放大器16放大探测信号，并通过ADC 17记录。将信号累加用于多重主起始。通常，在众所周知的“模拟计数”方式下操作ADC，其中将单个离子的振幅设置到至少几个ADC位数（典型地5-8位数），并且通过1-2比特阈值消除ADC噪声和物理噪声。在低信号强度时，通过TDC获取信号。每0.5-1ms（18）周期地应用OA脉冲。选择比最重的m/z成分的飞行时间稍大的脉冲周期，以允许所有离子在起始（19）之间清除分析器。累加重复的信号以用于多重起始脉冲（20）。对于具有长路径的M-TOF，OA的罕有脉冲将占空比限制至低于1%。
[0073] 如果使用比最重质量成分的飞行时间短的起始周期，可以潜在地改善TOF MS的灵敏度和动态范围。然而现有技术没有提出有效的编码-解码方法。在通过引用结合到本文中的US6861645和WO2008087389中，周期性地应用频繁脉冲，短谱被记录下来，这导致大量的峰重叠。这两种方法仅可以在低密度谱和强峰条件下工作。在通过引用结合到本文的US6900431中，由于起始之间的信号变化，阿达玛变换（HT）导致合成恢复谱中的假峰。通过引用结合到本文的同时待审的申请PCT/IB2010/056136中，开放式E－阱中的快速脉冲采用脉冲之间的固定时间间隔，这影响解码。
[0074] 优选方法：为了提高静电质谱仪（开放式E-阱和M-TOF）的灵敏度、速度、动态范围和空间电荷产出量，本发明的优选方法包括以下步骤：（a）脉冲源的频繁脉冲；（b）以脉冲串进行信号编码，所述脉冲串具有不均匀间隔；（c）在Z方向上将离子包传送通过静电分析器，以使所述包在正交的X方向上同步振荡；（d）采集与串持续时间相对应的长谱；和（e）接下来使用关于预定不均匀脉冲间隔的信息进行谱解码。
[0075] 优选实施例：参考图2，本发明的质谱仪21的优选实施例包括：静电质谱仪（此处示为平面的开放式M-TOF或E-阱分析器）22、正交加速器23、主脉冲发生器24、具有前置放大器26的快速响应探测器25、具有谱累加的ADC 27、谱解码器29和具有起始脉冲之间的不均匀间隔的串起始脉冲的发生器28。所述主发生器24触发ADC采集和所述串发生器28，而解码器29考虑关于串内起始脉冲之间的时间周期的信息。串发生器28触发OA 23。
[0076] 参考图3，通过实验时间内一组时序图32-34示出了EMS 21的操作，所述实验时间起始于发生器24的最开始脉冲，且图35-36在起始于发生器24的每个脉冲的DAS时间内绘制。在子图（panel）34-36中，仅考虑三个m/z核素，和M-TOF静电分析器的例子（ΔM＝1）。子图32表示具有周期T（37）的主发生器的触发。子图33显示串发生器起始在时间
0，t1，t2…，tN＝T时的时序。选择具有数量j脉冲的时间以形成串脉冲之间的不均匀时间间隔。这种时序的实例显示为ti＝i＊T1+T2＊i＊（i-1）。子图34显示探测器25上的离子信号。子图35显示主发生器24的脉冲之间的周期累积的ADC信号。子图36显示看作在S=1时的TOF谱的解码的谱，但是它是使用高得多的OA占空比获得的。
0，t1，t2…，tN＝T时的时序。选择具有数量j脉冲的时间以形成串脉冲之间的不均匀时间间隔。这种时序的实例显示为ti＝i＊T1+T2＊i＊（i-1）。子图34显示探测器25上的离子信号。子图35显示主发生器24的脉冲之间的周期累积的ADC信号。子图36显示看作在S=1时的TOF谱的解码的谱，但是它是使用高得多的OA占空比获得的。
[0077] 这是本质上重要的：不均匀起始序列消除了特定对的m/z成分的系统峰重叠。可能发生偶然的重叠，但是不会在其他起始脉冲重复。很可能将所述偶然重叠与系统峰系列区别开，并且期望其在谱解码阶段考虑或舍弃。同样本质上重要的是，非周期脉冲序列消除峰系列之间的可能的混淆，因为非周期性允许起始脉冲和相对应的峰之间的明确配置。编码和解码问题是本发明的中心主题。
[0078] 非周期性可以是微小的，但是足够在每对开始脉冲之间布置唯一的时间间隔。每个单独m/z成分的信号峰的数目大约是N=S＊ΔM，其中S是在串中起始脉冲的数量，ΔM是在开放E－阱中的多重峰内的峰的数量。编码的谱的密度是正常TOF谱的N倍，所以解码依赖于下面描述的编码-解码算法的详细内容。
[0079] 本发明的关键特征是在快速脉冲之间的非重复性时间间隔，也就是，在任何对开始脉冲之间的间隔是唯一的，并且相差至少一个峰宽度：对于任何i，j，k，和l，||ti-tj|-|tk-tl||>ΔT＊C，其中ΔT是峰宽度，C是系数，C>1。具有唯一间隔的序列的一个实例是：Tj＝j＊T1+T2＊j＊(j-1)，其中时间T1大约是T/N，T2<ΔT＊C；C>1。
[0080] 对于具有1ms飞行时间和3-5ns窄峰的E－阱和M-TOF，T1的优选值是从1到100us，T2的优选值是从5到100ns。T1和T2的值可以基于串中脉冲的最大合理数量N优化，所述的串是基于谱密度。另一个实例是：Ti=i＊T1+T2＊j＊(j-1),其中指数j从0到N变化，以平滑间隔变化的过程。也可以使用具有非均等脉冲的多重其它序列，同时仍以尖锐的共振解码以得到正确的假设。
[0081] EMS的场结构：静电质量分析器可以采用各种场结构，只要它们允许离子在Z方向通过分析器，并且同步离子在正交平面上振荡。这些实例包括：（i）由用于在X方向上离子排斥的两个静电离子镜构成的分析器；（ii）由至少两个用于在XY平面上将中央轨迹闭合成环路的静电偏转扇区构成的多匝分析器；和（iii）由至少一个静电扇区和至少一个离子镜构成的混合分析器，用于在XY平面上布置曲线的具有端面反射的离子轨迹。可选地，所述Z轴通常是曲线的，其中曲面通常与所述中央离子轨迹的平面成一个任意角。所述静电分析器内的离子轨迹可以具有任意曲线的线锯形状，或者可以是具有以下组中一种字母形状的螺旋投影的任意螺旋形状：（i）O；（ii）C；（iii）S；（iv）X；（v）V；（vi）W；（vii）UU；（viii）VV；（ix）Ω；（x）γ和8字轨迹形状。
[0082] 分析器类型：可以将相同类型的静电场结构应用到开放E－阱和M-TOF，这取决于离子源和离子轨迹布置。在一组实施例中，所述静电分析器是开放静电阱，其布置为与X轴成一个角度的将离子包注入到所述分析器，以使所述脉冲离子源和所述探测器之间的离子路径等于整数的振荡M，所述M在ΔM的跨度内；其中所述振荡数量中的跨距ΔM是下面组中的一个：（i）1；（ii）从2到3；（iii）从3到10；（iv）从10到30；（v）从30到100。优选地，所述振荡数量中的跨距ΔM是下面组中的一个：（i）1；（ii）低于3；（iii）低于10；（iv）低于30；（v）小于100；和（vi）大于100。优选地，所述起始脉冲串中的脉冲数量S根据振荡数量ΔM中的跨距调整，以使得在编码的原始谱中的总的峰数量（ΔM＊S的乘积）是以下组中的一种：（i）从3到10；（ii）从10到30；和（iii）从30到100。优选地，所述E－阱分析器的静电场被调整为对于每一个离子周期提供离子包时间聚焦在检测平面X=XD上。
[0083] 在另一组实施例中，所述静电分析器包括以下组中的一种多通路飞行时间（M-TOF）质量分析器：（i）具有线锯飞行路径的MR-TOF分析器；（ii）具有螺旋飞行路径的MT-TOF分析器；和（iii）轨道TOF分析器。优选地，所述M-TOF包括以下组中一种空间聚焦在Z方向上的部件：（i）在无场区域内的一组周期透镜；（ii）空间调制的离子镜；和（iii）至少一个辅助电极用于离子镜静电场的空间调制。作为替换，在Z方向上的角发散由一组周期透镜或者一组周期狭缝（>2个狭缝）限制。
[0084] 同时待审的专利申请“静电阱”描述了具有平面对称或者柱状对称的二维静电场的多重分析器，所述平面对称中，E－阱电极平行并在Z方向上线性延伸，所述柱形对称中，E－阱电极是圆形的，并且环形场体积沿着圆形Z轴延伸。
[0085] 参考图4，最优选的EMS是环形静电分析器41，其包含两个由无场空间43隔开的平行和同轴的离子镜42。此分析器可以用于两种状态-开放式E－阱和M-TOF，这取决于离子包Z尺寸，相对X轴的离子倾斜角α和角离子跨距Δα。在M-TOF模式，所述分析器包括一组周期透镜或一个周期狭缝（都表示为44），用于将离子包跨距限制在Z方向上。每个镜42包括两组同轴电极42A和42B。优选地，每组电极42A和42B包括至少三个具有不同电势的环形电极，以在镜的入口处形成加速透镜45，使得允许飞行时间聚焦在相对于能量跨距的至少三阶上，并且相对于在空间，角度和离子包的能量跨距的小偏移的至少二阶上，包括交叉项。进一步优选地，至少一个电极组42A或42B包括一个附加环形电极46用于径向离子偏转。与现已技术的平面分析器相比较，环形分析器41在紧凑的分析器封装中沿着圆形的Z方向延伸。为了避免相对于环形几何结构的附加偏差，环形场体积的半径RC应该大于盖到盖距离L的六分之一，并且相对于X轴的离子倾斜角α应该小于3度，以提供分辨率大于100,000的偏差限制。图标47示出了与正交加速器OA 48耦合的环形分析器的离子光学模拟。为了给OA提供空间，OA相对Z轴倾斜了角度γ，并且附加的偏转板49在单次离子反射后使束偏转角度γ。
[0086] 脉冲源：本发明适用于各种本征脉冲离子源，比如MALDI，DE MALDI，SIMS，LD，或者具有脉冲提取的EI。在一个特定实施例中，采用具有1-10kHz重复率的Nd:YAG激光的DE MALDI源，以加速样品轮廓成型。这样并不会禁止将飞行路径延伸到大约40-50米，也不会禁止100kDa离子的飞行时间至10ms，以提高分析的分辨能力。类似地，在SIMS脉冲源中，主要离化脉冲可以以大约100kHz速率（10us周期）应用，而分析器内的飞行时间花费大约1ms。甚至更快的脉冲也可以用于表面或深度轮廓成型应用。在EI积累源中，更快的提取脉冲通过降低电子束饱和来提高分析的动态范围。这种新型的编码-解码方法允许采用更长的飞行时间，因此在不限制脉冲频率的情况下提高了分辨率，以及由此而来的速度和灵敏度。
[0087] 脉冲的转换器：如果采用比如正交脉冲加速器或者具有离子积累和脉冲喷射的射频阱的脉冲转换器，可以采用采用多种连续的或准连续的源。正交加速器（OA）的组将例如以下的转换器联合在一起：一对脉冲电极，其中之一内具有覆盖网格的窗口，一个使用具有狭缝的板的无网格OA，一个具有脉冲正交提取的RF离子导向器，和一个具有脉冲正交提取的静电离子导向器。为了提高OA的占空比，开放式E－阱允许采用延长的OA-比在E－阱中每个离子周期离子包位移Z1长。
[0088] 累积离子导向器：优选地，任何脉冲转换器进一步包括上游气态RF离子导向器（RFG），例如RF离子多极，RF离子通道，离子多极或离子通道的RF阵列。优选地，所述气态RF离子导向器包括用于离子加速和离子聚束脉冲提取的部件，其中所述提取与OA脉冲同步。进一步优选地，起始脉冲串的持续时间被选择为与进入所述OA的离子到达时间中的跨距相当。进一步优选地，所述主发生器的周期比谱中最重的m/z的飞行时间更长，以避免谱“超越”。这种布置允许提高OA的整体占空比。为了降低探测器饱和，RFG累积模式与RFG通过模式相交织。
[0089] 离子包偏转：考虑在EMS分析器中离子轨迹的小（1-3度）倾斜角α，应该采取特殊的措施：（a）在不倾斜离子时间曲线（ion time front）的情况下，布置倾斜角度；和（b）避免离子源或转换器与返回的离子包空间干涉。在一个方法中，从分析器的X-Z对称轴移位所述离子源或转换器，通过至少一个脉冲偏转器将离子包返回到所述X-Z对称轴。在另一方法中，将平行发射源（比如MALDI、SIMS，具有径向喷射的离子阱）倾斜到角度α/2，然后朝向角度α/2偏转离子包以布置相对于X轴的离子倾斜角度α。
[0090] 再参考图4，另一方法适用于OA脉冲转换器48，所述转换器48在相对入射连续离子束的倾斜角度90-β处发射离子。角度β由连续离子束内的加速电压UZ和脉冲加速处1/2
的加速电压UX定义为：β＝（UZ/UX） 。在该方法中，将OA 48以角度γ（相对于Z轴）反向倾斜，然后在分析器内的至少一个离子反射后，将离子包反向偏转在角度γ处，其中角度γ=（β-α）/2。倾斜和偏转互相补偿时间曲线的旋转。OA更大的离子位移为OA提供更多空间。
的加速电压UX定义为：β＝（UZ/UX） 。在该方法中，将OA 48以角度γ（相对于Z轴）反向倾斜，然后在分析器内的至少一个离子反射后，将离子包反向偏转在角度γ处，其中角度γ=（β-α）/2。倾斜和偏转互相补偿时间曲线的旋转。OA更大的离子位移为OA提供更多空间。
[0091] 离子包的发散：对于具有大角度发散的离子源，优选使用开放式E-阱分析器。然而，我们对多实用脉冲源和转换器的自主分析表明离子包能够以低于1mrad的低发散形2
成，这就允许使用M-TOF分析器。对于多离子源，两个横向内的预计发射是Φ<1mm ＊eV：
成，这就允许使用M-TOF分析器。对于多离子源，两个横向内的预计发射是Φ<1mm ＊eV：
[0092] ·对于DE MALDI源，在＜200m/s径向速度处M/z＜100kDa时；Φ＜1mm2＊eV；
[0093] ·对于通过RF导向器的OA转换器：在热离子能量处，Φ＜0.1mm2eV；
[0094] ·对于脉冲RF阱：在热离子能量处M/z＜2kDa时，Φ＜0.01mm2eV。
[0095] 由于最初形成的低于0.1mm的离子包的小横向尺寸，令人惊讶地出现了小发射。2
在径向对称离子源的情况中，1mm ＊eV的最大发射可以通过将离子包加速到10keV能量而转化成小于D<20mm＊mrad的角空间发散。这种发散可以通过透镜系统适当地转化到在XY平面上小于20mm＊10mrad发散（这被离子镜容忍）；并且在XZ平面小于20mm＊1mrad,这可以在没有离子损失和在Z方向上不需要附加的重新聚焦的情况中,通过MR-TOF静电分析器转化。
在径向对称离子源的情况中，1mm ＊eV的最大发射可以通过将离子包加速到10keV能量而转化成小于D<20mm＊mrad的角空间发散。这种发散可以通过透镜系统适当地转化到在XY平面上小于20mm＊10mrad发散（这被离子镜容忍）；并且在XZ平面小于20mm＊1mrad,这可以在没有离子损失和在Z方向上不需要附加的重新聚焦的情况中,通过MR-TOF静电分析器转化。
[0096] 优化脉冲串：可以优化串中脉冲的数量S，以恢复脉冲转换器的占空比（DC），同时将多起始谱的整体密度保持在低于20-30%，以便进行有效的谱解码。作为一个实例，对于具有每起始1%DC的M-TOF，可以将起始的数量设置为S＝50，以达到在OA中由死区限制的最大可能的DC～50%。在具有5倍延长的OA的开放式E－阱的情况中，DC提高至5%，而多重峰的数量增长至ΔM=5。然后，起始的最优值是S=10。在采用射频导向器内的离子累积的情况中，应该将脉冲串及时压缩，以便与OA内的离子包的持续时间相匹配。在所有的情况中，灵敏度增益=ΔM＊S。另一方面，谱中峰的数量N也等于相同的乘积N=ΔM＊S。类似地，探测器的动态范围以正比于N的方式改善。因此，对于M-TOF和开放式E－阱，选择峰的数目N以最大化DC，同时保持谱密度低于20%以进行有效的谱解码。
[0097] 在LC-MS的情况中，期望主峰的谱密度<1%。然而，小峰的恢复将被具有约30-70%的谱密度的化学背景所限制。这种化学背景可以通过如下的方法降低：离子分子化学反应，或者离子传送界面中延长且柔和的离子加热，以去掉有机簇离子，差分离子迁移率分离，带有中度软裂解的双步质量分离，通过探测器阈值的单带电离子抑制，通过在RFQ离子导向器的出口处的弱势垒的单带电离子抑制，等等。
[0098] 级联：当使用以下组中的一个附加的样品分离步骤时，也可以降低谱密度：单色谱或双色谱分离；离子迁移率或差分离子迁移率分离；或者离子的质谱分离，例如，在四级滤波器，线性离子阱，具有质量相关的序列释放的离子阱，或者具有飞行时间质量分离器的离子阱。对于MS-MS目的，离子分离器后跟随着离子裂解单元。
[0099] 参考图7，级联质谱仪71包括离子源72，离子阱73（由第一编码脉冲发生器78触发），作为样本离子分离器的离子迁移率谱仪（IMS）74，由第二编码脉冲发生器79触发的OA75，EMS分析器76，谱解码器77。在操作中，脉冲串发生器78和79被同步，比如第一发生器78可以在第二发生器79的每N次的起始被触发，以具有类似Tj=j＊T1+T2＊j＊(j-1)的时间串，从而保证在两个触发串中的不均匀的时间间隔。来自发生器78的IMS串触发从离子阱73到IMS74的离子注入。串的持续时间可以为大约10ms，以匹配IMS分离时间，并且，脉冲之间的间隔可以是大约1ms，以提高IMS的空间电荷产出量。在IMS分离之后，形成具有100-200us持续时间的离子聚束。将离子引OA 75中，所述OA 75由来自具有约10us的非均匀时间间隔的第二发生器79的OA脉冲串触发。信号在整个IMS循环内在EMS探测器处被捕获，并且在多个IMS循环内被累加。结果，每个离化成分将以约10个IMS峰和约
100个EMS峰呈现，与传统的IMS-TOFMS分析相比，这将探测器的动态范围提高了100倍。
100个EMS峰呈现，与传统的IMS-TOFMS分析相比，这将探测器的动态范围提高了100倍。
[0100] 再参考图7，实施例71可以进一步包括在IMS 74和OA 75之间的裂解单元80。这个裂解可以采用现有技术的裂解方法实现，比如碰撞诱导解离（CID），表面诱导解离（SID），光诱导解离（PID），电子传输解离（ETD），电子俘获解离（ECD），和通过激发的Ridberg原子或者臭氧的裂解。时间图仍相同，OA工作在编码的频繁脉冲（大约100kHz），以便跟随单元80后的离子流的快速改变。然后，级联71可以提供全质量伪MS-MS。在这种组合中，IMS用于母体离子的粗略（分辨率50-100）但是快速的分离，EMS用于裂解谱的甚至更快的采集。可选地，在中等离子流的情况中，可以切断第一发生器的编码。优选地，裂解单元（通常是RF器件）装备有用于离子累积和脉冲提取的部件，并且OA脉冲串在提取离子聚束的时间过程中被同步。
[0101] 参考图8，级联质谱仪的另一个特定实施例81包括离子源82，由主脉冲发生器88触发的离子阱83，IMS 84，由第二编码串发生器89触发的OA 85，M-TOF分析器86，谱解码器87和在M-TOF分析器86内的时间门质量选择器90，所述时间门选择器由延迟串89D触发。在操作中，主脉冲发生器88具有周期T～10ms，这与IMS分离时间相匹配。OA串发生器89形成一串具有非均匀间隔和主发生器T=tN的总持续时间的N个脉冲。延迟的串89D与OA串发生器88同步，但是具有数量j脉冲τj-tj的可变延迟，这个延迟正比于时间tj。时间选择门90（例如一组脉冲双极线）位于M-TOF86内的一个离子循环后，并且能够在特定
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的飞行时间范围内通过离子,所述时间正比于离子(m/z) 。作为结果，被选择的离子m/z范围变得与IMS分离时间tj相关联，以分离特定类别的化合物，或者特定电荷态，这种方法降低了化学噪声。
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的飞行时间范围内通过离子,所述时间正比于离子(m/z) 。作为结果，被选择的离子m/z范围变得与IMS分离时间tj相关联，以分离特定类别的化合物，或者特定电荷态，这种方法降低了化学噪声。
[0102] 解码算法：编码谱的密度是主要的考虑。在LC-MS和GC-MS的情况中，我们期望编码谱的密度从1到10%，在IMS-MS和MS-MS的情况中，期望的密度是从0.01到1%。优化的峰重复数N根据谱的密度，从10s变化到100s，而不论峰重复数的起始点－这是由于多重峰形成或者由于频繁的编码脉冲。
[0103] 参考图6，提供了一种在具有快速不编码脉冲的静电质谱中的谱解码的算法，且包括以下步骤：（a）以快速不均匀脉冲串编码谱；（b）在编码谱中采集峰；（b）将峰聚集在组中，所述组根据起始脉冲序列和或由于多重峰形成在时间上间隔开；（c）基于组中峰的数量或者基于编码谱的积分特性使峰生效；（d）基于组内的峰特性的相关性使各个峰生效；（e）找到组之间的峰重叠，并且考虑或者舍弃重叠；和（g）使用非重叠峰恢复谱以得到解码后的谱。
[0104] 采集峰的步骤意味着在编码的谱中找到峰，确定它们的时间中心（centroid），峰宽度和积分。将峰信息聚集到一个表格中，接下来的步骤针对表格化的峰特性操作，而不是针对原始谱操作。将峰聚集到组中的下一个步骤采用起始脉冲的已知时序和预测的和校准的多重峰形成，所以该算法搜索相应地间隔开的峰。预期在低强度组中一些峰可能会被错过，或者峰的有限的部分可能受到组之间的重叠影响。所以对于每个峰，聚集算法尝试多个起始数量和多重峰内峰的数量的假设。算法的实际实现可以采用数据库和索引的原理以加速这个过程。优选地，峰聚集步骤通过将峰预先分类至重叠强度范围内而加速。该范围的跨度取决于强度，因为在较低强度下，表现出更宽的统计跨距。作为替换，聚集组的步骤采用相关算法。
[0105] 应用下一步组生效以聚集与各个m/z核素可能相对应的组。这个步骤是需要的，因为具有取自其它组的峰的弱共振可以形成一个不存在的主m/z成分的错误假设。应该为生效组中的最小峰的数目设置一个阈值，以滤除掉多数由于与其它组重叠而形成的组，而且也去除掉形成自随机噪声信号的组。这种生效组中的最小峰数量的标准可以基于编码谱的积分特性形成，例如对于所有信号强度或者特定动态范围跨度内测量到的密度强度。
[0106] 采用使组内的单个峰生效的步骤，以便更容易地滤除源自于其它组的重叠的错误峰。通过分析组特性，可以采用多个标准以便更容易的检测错误取用的峰：这种峰可能具有不同的强度（这可能也会在较早的聚集强度范围内的峰的步骤中被滤除掉）；这种峰可能会较宽，或者与组中的其它峰相比，它的中心被移位了。该滤除可以采用组相关原理。错误取用峰的滤除可以通过以下方法辅助：对更强的峰的更早的分析和在接下来的分析中将它们从总的峰表格中去除（更早描述的以降序排列强度范围工作的策略）。该滤除也可以在确定主要成分的过程完成之后迭代地重复。
[0107] 可以通过在比如视频板或多核PC上使用并行处理来加速算法。这种并行处理可以应用在例如组生效的步骤，或者应用在在降序排列强度范围时将峰聚集至组的步骤（每个处理器分析分离的强度范围）。作为替换，组之间的分隔可以根据基于宽时间间隔的粗略谱分段实现。作为实例，可能注意到起始脉冲间的间隔在10到11us之间变化，所以可以在以10.5us为间距的1us间隔内分析谱。
[0108] 标准：对于组生效（先于舍弃重叠或者最终反卷积部分重叠），应该选择标准，该标准应该基于编码谱的积分特性。一种标准可以基于观测到的谱密度D和基于在记录的编码谱中的离子的总数（根据积分信号估计）。然后使用这种标准来计算组中要求的最小的峰数量，以考虑该组是正确的，或者换言之，合理地最小化错误组的可能性，所述的错误组仅是聚集的偶然重叠。在组中的错误命中的平均数H可以估计为：H～P＊N＊W/T，或者H～P＊N/B，其中P是记录的编码谱中的离子峰的数量，N是峰期望的多重数量，也就是，多重峰中峰数量ΔM与串中的脉冲数量S的乘积，即N=ΔM＊S，W是强峰的基部宽度，T是谱长度，B是谱长度内可能的峰位置的数量，即B=T/W。然而，在每个组中实际出现的错误命中的数量具有统计变化，为了去掉大多数错误的假设（考虑大量的测试组），应当估计组中的峰的最小数量C的统计标准阈值，以便考虑组生效。一个简单的估计是在具有平均值等于HC -H的Poisson分布中，C命中的概率是：P(H,C)=H ＊exp /C!在希望获得小于一个的错误组采集的更仔细的计算中，需要满足以下标准：
[0109]
[0110] 其中， 是来自一组m元素乘n元素的二项式系数。
[0111] 去除峰重叠的步骤可以通过使用数据库方式实现，或者通过从不同组将指示器累积到谱峰上实现。通过重复循环提高算法的可靠性：在舍弃重叠和找到主要成分后，峰组的有效性被修正了。为了更好的性能，可以在减小检查峰的强度范围的情况下循环该算法。可以通过一个背景相减或者色质谱数据的反卷积的先前步骤来改善解码。
[0112] 用于MS-MS的算法：以上描述的算法主要设计用于分析具有强峰的编码谱。一种时间有效的方法可以对MS-MS谱中的低数量离子有效。根据本发明的第四个方面，提供了一种在采用时间编码快速脉冲的静电分析器（E－阱和M-TOF）中解码低强度谱的算法。该解码算法包括以下步骤：（a）累加根据编码谱中用于每个区间的脉冲序列间隔的信号；（b）去除具有多个低于预设阈值的非零信号的和；（c）在累加的谱中检测峰以形成正确峰的假设；（d）从编码谱中提取对应于每个假设的信号组；（e）逻辑地分析并舍弃组之间的信号重叠；（f）使用非重叠信号重建正确谱；和对于E－阱实例（g）考虑多重峰内的峰分布，进一步重建谱。
[0113] 累加信号的步骤（a）可以实现为直接扫描，其中对于编码谱中的每个时间区间，存在具有与脉冲间隔相对应的间隔的累加信号。这种累加应该考虑信号扩展到下一个脉冲串中，也就是在累加谱中的谱超越。具有每个区间100个累积的跨越1E+6个区间的扫描可以分成多重峰程用于并行处理。在一个特定的算法中，累积可以通过将较大尺寸区间分组为等于峰的基部宽度而进一步加速。
[0114] 在典型的MS-MS编码谱中，1000个离子仅占时间尺度的0.1%。在串中的100个脉冲中，组中单次错误命中的几率<10%，即，组中单次错误命中的几率<0.1。因此，期望直接累加以在没有精细分析重叠的情况下，提供主要成分的首次识别（或者组识别）。在这个阶段，优选地将单次离子信号转化成1位信号，因此消除了由于每单个离子的探测器响应带来的附加噪声。作为替代，可以通过TDC记录信号。假设每组小于1的平均击中，组中的8次错误峰的可能性小于1e-5，考虑1e+5次可能峰位置，将会出现小于1次错误组。错误组很可能在组生效、峰生效或在考虑组重叠时去除。因此，该算法可以可靠地检测核素，所述核素在每个起始串大约8个离子的总的信号的情况下，每个起始仅有0.08个离子！这是一个显著的结果：在不考虑编码和解码的情况下，用于开放式E－阱的峰检测的阈值达到了传统TOF的灵敏度（～每峰5个离子），而具有编码快速脉冲的EMS提供了脉冲转换器的高得多的占空比，和探测器的高得多的动态范围。两个增益都是N=ΔM＊S。
[0115] 测试算法：在我们的测试中，图5示出的算法对于每1ms的谱花费大约10秒钟。然而，通过多核板（例如NVIDIA TESLA M2070）上的并行处理，处理时间预期可以降3-4个量级。作为一个实例，每个处理器核可以分析各个已累加的编码谱，或谱的时间分离的片段，或至少做单独的峰组的并行生效。然后谱解码将不再限制任意可预见应用（比如快速MS-MS、表面轮廓成型或IMS-MS）的采集速度。
[0116] 参考图9，示出了具有高峰强度MS-MS谱的实例中使用上述算法解码高分辨TOF谱的结果。基于肽YEQTVFQ和LDVDRVLVM序列产生谱，同时以裂解的总数量等于152来假定a、b、x和y裂解的可能性。主要裂解谱的强度随机分布在量级从0.01变化到3000离子每峰每起始（多串累加）的5.5阶内。针对每个起始脉冲统计地产生信号，同时假定Gaussian峰形具有FWHM=3ns。不均匀100脉冲序列应用于编码具有Tj＝j＊T1+j＊(j-1)T2的谱，其中T1=10us和T2=5ns。在不使用原始谱的任何信息，但是使用起始之间的时间间隔的信息的情况下应用解码算法。子图A表示每单个起始脉冲的一个统计上产生的谱。纵标度对应于多个离子的峰高度。所述谱与具有后脉冲的现有技术的M-TOF相对应。子图B显示了真实累加的100个未编码的单独谱。能够在传统M-TOF中以较长采集方式获得所述谱。子图C显示通过具有100个不均匀分布脉冲的串编码的谱。时间尺度的全部密度仅为3％。子图D显示已编码谱的水平放大，以提供谱密度的视觉印象。对于谱解码，我们采用通过应用在两个阶段内的图5的算法。在第一阶段，已经使用3个离子的离子阈值进行了峰探测。对于组生效，我们需要组内存在多于30个峰。在此阶段，所述算法探测110种质量成分。然后，将相应峰从编码的谱处去除。在第二阶段，将阈值设置到0.5个离子，并且将组内的组生效设置到5个峰。第二阶段允许另一24种质量成分的探测。所述算法未采集18种范围内低于每起始0.05个离子的质量成分。
[0117] 参考图10-A，解码的结果通过两个位置对称谱呈现：顶部谱对应于真和（似乎M-TOF获得长于100次的谱），并且底部谱对应于编码/解码谱。通过强度上的中等损失，恢复所有强质量成分，因为所述算法不补偿去除的重叠峰的强度。参考图10-B，示出了呈现每个强度范围内的大量离子的直方图。直方图的暗部分对应于恢复的真实峰，直方图的阴影部分对应于当前存在于真实累加的谱内的非恢复峰。所述峰分布在5.5阶的量级内（注意对数横轴）。在强侧（从5至1E＋6个离子），分布保持不变，但低强度侧（低于每100脉冲的循环5个离子），一些峰丢失了。这对应于具有0.05个离子/起始的信号的可靠探测。因此，与具有低于1％的正交加速器占空比的传统M-TOF相比较，本发明提供灵敏度上的大约100倍增益。如果是强信号，所述算法允许至少5阶动态范围内的谱的可靠解码。如果是LC-MS分析，动态范围很可能受到来自溶剂和离子源材料的化学噪声的限制。然而，本发明的所述方法提高数据采集的速度，这对于级联配置（比如LC-IMS-MS LCFAIMS-MS，或MS-MS，或描绘样品轮廓成型）是重要的。
[0118] 参考图11，示出了MS-MS谱（具有从0.01离子/起始至10离子/起始的低峰强度）的实例上解码E-TOF（ΔM=1）谱的结果。基于具有破裂总数等于100的肽YEQTVFQ序列产生谱。破裂强度随机分布在3个量级内。将不均匀100个脉冲序列应用于编码谱。类似上述测试，子图A表示针对每单起始脉冲统计地产生谱的样品，子图B显示未编码的真实地累加的100个单独谱，子图C显示了通过具有100个不均分布脉冲和时间尺度上具有1.25％总密度的串编码的谱；以及子图D显示编码谱的缩放以提供谱密度的视觉印象。对于谱解码，我们应用图5的相同的一步骤算法，其中对于组生效，我们仅需要组内存在多于3峰。
[0119] 参考图12-A，解码的结果通过两个位置对称谱呈现：上面的对应于真和（似乎M-TOF获得100次更长的谱），下面的谱对应于编码/解码谱。图12-B提供垂直标度的缩放，以显示出现在低强度峰的一些差异。图12-C显示了信号恢复的直方图，其中对数水平标度表示大致与因子2对应的峰强度范围。直方图的暗部分对应于已恢复的真实峰，直方图的阴影部分对应于当前在真实已累加的谱中的非恢复峰。在强侧（5至1000离子）处，分布保持未变，而在从3至5离子的强度范围内，大约一半的峰丢失了。
[0120] 测试算法是公开算法的简化版本。在这些测试中，我们未应用峰测距、组内已省略峰的分析，未考虑重叠峰的动态范围内的差异，未试图对通过可分辨峰部分的恢复重叠，等等。另一方面，测试没有考虑真实化学噪声，此噪声对LC-MS数据是典型的，也没有考虑每单个离子的探测器响应的变化。这些测试仍然确认所述方法的可行性，并且证明即使在存在1e＋4编码峰的情况下，稀疏谱也能够在高分辨谱内形成。
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