用於通過質譜分析快速篩選樣本的系統及方法與流程
2023-11-10 12:01:37
本申請是國際申請號為PCT/IB2011/002594，申請日為2011年11月02日，優先權日為2010年11月8日，發明名稱為「用於通過質譜分析快速篩選樣本的系統及方法」的PCT申請進入中國國家階段後申請號為201180045135.4的中國發明專利申請的分案申請。
相關申請案的交叉參考
本申請案主張2010年11月8日申請的第61/411,028號美國臨時專利申請案的權益，所述臨時專利申請案以全文引用方式併入本文中。
技術領域
本發明大體上涉及樣本分析。更具體地說，本發明涉及用於通過質譜分析快速篩選樣本的系統及方法。
背景技術：
在許多應用中，需要快速分析，這是因為需要分析(run)許多樣本或迅速地需要結果。需要許多樣本的應用包括，但不限於，藥品篩選、藥品發現代謝、網絡生物學及生物實驗、食品分析、過程監測、用於取證的DNA分析及小幹擾RNA(siRNA)篩選。需要迅速返回結果的應用包括，但不限於診斷、藥品摻雜、食品分析及治療監測。
一種提供快速樣本分析的方法結合了快速分離技術與傳統高解析度質譜分析方法。舉例來說，將樣本以高樣本速率注入到系統中。針對每一樣本產生一個高解析度質譜。接著，比較不同樣本的質譜。
雖然此方法可在樣本之間識別小分子及大分子的明顯差異，但這些差異中的極少數可指示所關注項目，例如疾病。最後，使用此方法，細微但重要的差異可歸因於額外複雜化(其包括，但不限於離子抑制、未分辨同核異能素、基體效應或同核異能素類)而失去或隱藏。
技術實現要素：
本發明的一個方面涉及一種用於快速篩選樣本的系統。所述系統包含：串聯質譜儀；快速樣本引入裝置，其是非色譜的且其向所述串聯質譜儀供應多個樣本中的每一樣本；及處理器，其與所述串聯質譜儀及所述快速樣本引入裝置通信，所述處理器指令所述快速樣本引入裝置將所述每一樣本供應到所述串聯質譜儀且指令所述串聯質譜儀在所述每一樣本的整個所關注質量範圍上以兩個或兩個以上質量選擇窗執行碎片掃描。
本發明的另一方面涉及一種用於快速篩選樣本的方法。所述方法包含：使用處理器指令非色譜的快速樣本引入裝置將多個樣本中的每一樣本供應到串聯質譜儀；及使用所述處理器指令所述串聯質譜儀在所述每一樣本的整個所關注質量範圍上以兩個或兩個以上質量選擇窗執行碎片掃描。
本發明的又一方面涉及一種電腦程式產品，其包含非暫時性且有形計算機可讀存儲媒體，其內容包括程序，所述程序具有在處理器上執行以執行用於快速篩選樣本的方法的指令。所述方法包含：提供系統，其中所述系統包含一個或一個以上不同軟體模塊，且其中所述不同軟體模塊包含快速樣本引入模塊及串聯質譜分析模塊；使用所述快速樣本引入模塊指令非色譜的快速樣本引入裝置將多個樣本中的每一樣本供應到串聯質譜儀；及使用所述串聯質譜分析模塊指令所述串聯質譜儀在所述每一樣本的整個所關注質量範圍上以兩個或兩個以上質量選擇窗執行碎片掃描。
附圖說明
所屬領域的技術人員將理解，下文描述的圖式僅用於說明目的。所述圖式不希望以任何方式限制本教示的範圍。
圖1為說明可在其上實施本教示的實施例的計算機系統的框圖。
圖2為根據多種實施例的展示用於快速篩選樣本的系統的示意圖。
圖3為根據多種實施例的展示用於快速篩選樣本的方法的示範性流程圖。
圖4為根據多種實施例的包括執行用於快速篩選樣本的方法的一個或一個以上不同軟體模塊的系統的示意圖。
在詳細描述本教示的一個或一個以上實施例之前，所屬領域的技術人員將理解本教示在其應用方面不限於以下詳細描述中闡述或圖式中說明的構造細節、組件布置及步驟布置。並且，應理解，本文中使用的措辭及術語是出於描述目的且不應被認為是限制性的。
具體實施方式
計算機實施系統
圖1說明為可在其上實施本教示的實施例的計算機系統100的框圖。計算機系統100包括總線102或用於傳送信息的其它通信機構及與總線102耦合以用於處理信息的處理器104。計算機系統100還包括存儲器106(其可為隨機存取存儲器(RAM)或其它動態存儲裝置)，其耦合到總線102以用於存儲待由處理器104執行的指令。存儲器106還可用於在執行待由處理器104執行的指令時存儲臨時變量或其它中間信息。計算機系統100進一步包括只讀存儲器(ROM)108或其它靜態存儲裝置，其耦合到總線102以用於存儲用於處理器104的靜態信息及指令。提供存儲裝置110(例如磁碟或光碟)且將其耦合到總線102以用於存儲信息及指令。
計算機系統100可經由總線102耦合到顯示器112，例如陰極射線管(CRT)或液晶顯示器(LCD)以用於向計算機用戶顯示信息。輸入裝置114(包括字母數字鍵盤及其它鍵盤)耦合到總線102以用於將信息及命令選擇傳送到處理器104。另一類型的用戶輸入裝置為光標控制項116，例如滑鼠、軌跡球或光標方向鍵，其用於將方向信息及命令選擇傳送到處理器104且用於控制顯示器112上的光標移動。此輸入裝置通常在兩個軸線(第一軸線(即，x)及第二軸線(即，y))上具有兩個自由度，其允許裝置在平面中指定位置。
計算機系統100可執行本教示。與本教示的某些實施方案一致，計算機系統100響應於處理器104執行包含在存儲器106中的一個或一個以上指令的一個或一個以上序列而提供結果。此類指令可從另一計算機可讀媒體(例如存儲裝置110)讀取到存儲器106中。執行包含在存儲器106中的指令序列使處理器104執行本文中描述的過程。替代地，硬接線電路可代替軟體指令或與軟體指令組合而用於實施本教示。因此，本教示的實施方案不限於硬體電路與軟體的任何特定組合。
如本文中所使用，術語「計算機可讀媒體」指代參與將指令提供到處理器104以用於執行的任何媒體。此媒體可呈許多形式，包括但不限於非易失性媒體、易失性媒體及傳輸媒體。舉例來說，非易失性媒體包括光碟或磁碟，例如存儲裝置110。易失性媒體包括動態存儲器，例如存儲器106。傳輸媒體包括同軸電纜、銅線及光纖(包括包含總線102的線)。
舉例來說，常見形式的計算機可讀媒體包括軟磁碟(floppy disk)、軟盤(flexible disk)、硬碟、磁帶或任何其它磁性媒體、CD-ROM、數字視頻光碟(DVD)、藍光光碟、任何其它光學媒體、拇指驅動器、存儲卡、RAM、PROM及EPROM、FLASH-EPROM、任何其它存儲器晶片或卡盒或計算機可讀取的任何其它有形媒體。
在將一個或一個以上指令的一個或一個以上序列運送到處理器104以供執行時可涉及到多種形式的計算機可讀媒體。舉例來說，指令可初始地在遠程計算機的磁碟上運送。遠程計算機可將指令加載到其動態存儲器中且使用數據機通過電話線發送指令。計算機系統100本地的數據機可在電話線上接收數據且使用紅外線發射器將所述數據轉換成紅外線信號。耦合到總線102的紅外線檢測器可接收以紅外信號運送的數據且將數據放置在總線102上。總線102將數據運送到存儲器106，處理器104從存儲器106檢索指令及執行指令。由存儲器106接收的指令可任選地在由處理器104執行之前或之後存儲在存儲裝置110上。
根據各種實施例，經配置以由處理器執行以執行方法的指令存儲在計算機可讀媒體上。計算機可讀媒體可為存儲數字信息的裝置。舉例來說，計算機可讀媒體包括如存儲軟體的技術中已知的壓縮光碟只讀存儲器(CD-ROM)。計算機可讀媒體由適於執行經配置以被執行的指令的處理器存取。
已出於說明及描述目的呈現了對本教示的各種實施方案的以下描述。其不是詳盡的且不將本教示限於所揭示的精確形式。修改及變型在以上教示的背景下是可能的且可通過實踐本教示而得到。此外，所描述的實施方案包括軟體但本教示可實施為硬體與軟體的組合或單獨以硬體實施。本教示可以用面向對象編程系統或非面向對象編程系統兩者實施。
數據處理的系統及方法
如上文描述，快速樣本分析在增加樣本處理量或迅速產生所要結果時是有用的。提供快速樣本分析的傳統方法已包括結合快速分離技術與高解析度質譜分析(MS)。此類方法通常不能夠揭露由複雜化(其可包括，但不限於離子抑制、未分辨同核異能素、基體效應或同核異能素類)引起的結果的複雜性。另一傳統方法為使用快速分離技術引入樣本、迅速產生MS掃描及接著對在MS質譜中識別的所選擇離子執行串聯質譜分析或質譜分析/質譜分析(MS/MS)。為維持高處理量，以此方式僅可獲得有限數目的MS/MS頻譜。
在多種實施例中，非色譜的快速樣本引入技術與在整個所關注質量範圍上以兩個或兩個以上質量選擇窗執行碎片掃描的串聯質譜分析技術結合以提供快速樣本分析方法。此方法可提供足夠MS/MS信息以產生有意義的結果且可揭露重要的結果複雜性。
非色譜的快速樣本引入技術可包括，但不限於流動注射分析(FIA)、遷移率分析或快速樣本清除技術。舉例來說，快速樣本清除技術可包括截留與洗提技術。舉例來說，快速樣本引入技術可以近似每分鐘一個樣本的速率或頻率注射用於串聯質譜分析的樣本。
串聯質譜分析用於在不同樣本之間揭露數據複雜性。舉例來說，串聯質譜分析可分辨同核異能素。單個質譜中沒有任何事物揭露存在相同質量的同核異能素。然而，粉碎那些同核異能素可揭露在不同質量處樣本之間存在差異，因為來自一個樣本中的質量的碎片可略微不用於來自另一個樣本中的相同質量的碎片。
在串聯質譜儀上執行的方法的專一性通過向質量分析器提供窄質量選擇窗寬度或先驅質量選擇窗寬度來提高。舉例來說，窄質量選擇窗寬度近似為1原子質量單元(amu)。替代地，所述方法的敏感性通過向質量分析器提供寬質量選擇窗寬度來提高。舉例來說，寬質量選擇窗寬度近似為20amu或200amu。
在多種實施例中，針對快速樣本分析方法中的串聯質譜儀的第一質量分析階段選擇具有充分敏感性的質量選擇窗寬度。移動此質量選擇窗寬度允許整個質量範圍在短時間周期內分片且不需要確定將哪一些質量分片。
選擇較寬質量選擇窗需要較少碎片掃描來覆蓋質量範圍。舉例來說，使用1amu的窄質量選擇窗寬度來掃描的200amu到600amu的質量範圍需要400個碎片掃描。使用100amu的較寬質量選擇窗寬度僅需要4個碎片掃描。因此，較寬質量選擇窗用於在整個所關注質量範圍上將樣本分片，以便以快速樣本引入技術注射樣本的速率分析樣本。
如上文描述，與為串聯質譜分析的第一階段選擇較窄質量選擇相比，選擇較寬質量選擇窗提供更大的敏感性及更小的專一性。然而，專一性的任何損失可通過串聯質譜分析的第二階段中的高解析度檢測重新獲得。因此，高專一性及高敏感性兩者可通過整個方法提供。
在多種實施例中，碎片掃描在質量範圍上在統一或固定的質量選擇窗處發生。舉例來說，質量範圍可包括樣本的優選質量範圍或樣本的整個質量範圍。
質譜分析硬體的最近發展已允許串聯質譜儀的質量選擇窗寬度在質量範圍上變化或設定成任何值而不是單個值。舉例來說，對射頻(RF)或施加到四極質量過濾器或分析器的直流(DC)電壓的單獨控制可允許選擇可變質量選擇窗寬度。任何類型的串聯質譜儀可允許選擇可變質量選擇窗寬度。串聯質譜儀可包括執行兩個或兩個以上質量分析的一個或一個以上物理質量分析器。串聯質譜儀的質量分析器可包括，但不限於飛行時間(TOF)、四極、離子阱、線性離子阱、軌道阱、傅立葉變換質譜儀。
在多種實施例中，碎片掃描在質量範圍上以可變質量選擇窗發生。在分析的質量範圍上改變質量選擇窗寬度的值可提高分析的專一性、敏感性及速度。舉例來說，在已知存在化合物的質量範圍的區域中，使用窄質量選擇窗寬度。這提高了已知化合物的專一性。在已知不存在化合物的質量範圍的區域中，可使用寬質量選擇窗寬度。這允許未知化合物被發現，藉此提高分析敏感性。寬範圍及窄範圍的組合允許掃描比使用固定窄窗更快速地完成。
並且，通過在質量範圍的某些區域中使用窄質量選擇窗寬度，質譜中的其它峰值較不可能影響對所關注的質量峰值的分析。可由其它質量峰值引起的效應中的一些包括，但不限於飽和、離子抑制或空間電荷效應。
在各種實施例中，針對質量範圍的一部分選擇的質量選擇窗寬度的值是基於關於樣本的已知信息。換句話說，質量選擇窗寬度的值基於樣本的已知或期望複雜性在質量範圍上得到調整。所以，在樣本更複雜或具有較大數目的離子的情況下，使用較窄質量選擇窗寬度，且在樣本較不複雜或具有稀少的離子數目的情況下，使用較寬質量選擇窗。舉例來說，樣本的複雜性可通過建立樣本的化合物分子重量分布來確定。
樣本化合物分子重量分布可以許多方式建立。此外，樣本化合物分子重量分布可在數據獲得之前或在數據獲得期間建立。此外，樣本化合物分子重量分布可在數據獲得期間實時建立。
在多種實施例中，用於在質量範圍上界定可變窗寬度的化合物分子重量分布優選地在數據獲得之前建立且用於以快速樣本分析方法分析的所有樣本。不在樣本之間改變可變窗寬度允許樣本之間的差異被更容易地發現。
串聯質譜儀的其它參數取決於在質量範圍上選擇的質量選擇窗寬度。舉例來說，這些其它參數可包括離子光學元素(例如碰撞能量)或非離子光學元素(例如積累時間)。
因此，在多種實施例中，樣本分析可進一步包括在質量範圍上改變串聯質譜儀不同於質量選擇窗寬度的一個或一個以上參數。改變此類參數可降低上文描述的額外複雜化的非所要效應。舉例來說，通過將似乎不存在先驅離子的窗區域分片及通過改變這些窗的積累時間，可在某種程度上減緩基體抑制的潛在影響。
在多種實施例中，可在使用固定或可變質量選擇窗寬度的後續分析之前分析一個或一個以上樣本。此樣本分析可包括完整分析或單個掃描。舉例來說，完整分析可包括兩個或兩個以上掃描。掃描可為但不限於測量掃描(survey scan)、中性丟失掃描或先驅掃描。舉例來說，掃描可提供高解析度質譜分析(HRMS)頻譜。舉例來說，HRMS頻譜可用於確定先驅離子的精確質量或確定先驅離子在一個或一個以上樣本中的質量分布以界定窗寬度。
HRMS頻譜可用作樣本的指紋圖譜。在一些情形下，比較指紋圖譜可能已經指示將為在質量範圍上對窗中的所有先驅離子進行分片的方法的目標的差異，而在其它情形中，指紋圖譜可用於確定窗寬度及積累時間。舉例來說，此可基於峰值密度(具有較多峰值的區域得到較窄的窗)或峰值強度(大的峰值得到窄窗及短積累時間而其它區域得到較長時間，其中窗基於峰值密度)。
舉例來說，在快速樣本分析方法之後，挖掘數據以得到所關注信息且存儲所述數據以與其它樣本進行比較或用於再次分析。數據挖掘是極其快速的，從而允許分析許多樣本(舉例來說，用於網絡生物實驗或高處理量篩選(HTS)或提供快速的結果轉回)。化驗的信息含量也是非常高的，從而允許根據樣本產生二維(2D)映射。數據挖掘工具及技術可包括，但不限於(1)所期望化合物的庫，其可用於執行庫搜索及產生離子軌跡或離子分布，(2)提取技術，其將允許隔離由可見的潛在中性丟失確定的質量，及(3)使用圖像操縱或用於識別樣本的類似性及差異性的其它技術。
額外水平的信息也可從快速樣本分析方法提取。舉例來說，在許多情形中，可能以不同碰撞能量執行若干掃描使得存在用於識別(化合物的分解曲線)或去卷積(deconvolution)的額外信息。舉例來說，化合物的MS/MS頻譜可通過在多個樣本上進行相關來發現，即，在許多樣本上具有相同行為的碎片可能來自相同化合物。去卷積涉及通過相關使化合物的頻譜去卷積。
樣本製備為快速樣本分析方法的另一重要方面。需要樣本製備(尤其是分級分離)來分離化合物類，使得可施加適當窗及分析條件。還潛在地需要(舉例來說)經由固相萃取的樣本預濃縮，使得可將濃度提高到可檢測水平。所需的樣本製備量取決於樣本複雜性及所要的敏感性及化合物覆蓋度。在一些應用中，這個量是極小的且在其它應用中為非常大量的。然而，樣本製備可以脫機及自動方式執行使得實際分析速度被維持。
在多種實施例中，快速樣本分析方法可通過允許以合理時標(time scale)分析數千樣本來顯著地啟用網絡生物學。大規模自動樣本製備用於在分析之前將樣本(也許是1mL血清或血漿)分離成化合物類(小極性分子，例如糖、核苷、胺基酸、有機酸；脂質；肽；蛋白質；miRNA……)。類似方法用於表徵商品(例如，小治療物及大治療物)、食品。
串聯質譜分析系統
圖2為根據多種實施例的展示用於快速篩選樣本的系統200的示意圖。系統200包括串聯質譜儀210、處理器220及快速樣本引入裝置230。處理器220可為但不限於計算機、微處理器或能夠向質譜儀210及快速樣本引入裝置230發送控制信號及數據及從質譜儀210及快速樣本引入裝置230接收控制信號及數據以及處理數據的任何裝置。
串聯質譜儀210可包括執行兩個或兩個以上質量分析的一個或一個以上物理質量分析器。串聯質譜儀的質量分析器可包括，但不限於飛行時間(TOF)、四極、離子阱、線性離子阱、軌道阱或傅立葉變換質量分析器。串聯質譜儀210可包括分別呈空間或時間形式的單獨質譜分析階段或步驟。
快速樣本引入裝置230可執行快速樣本引入技術，其為非色譜的且其包括但不限於FIA、離子遷移率分析或快速樣本清除技術。快速樣本引入裝置230可為串聯質譜儀210的一部分或其可為如系統200中展示的分離的裝置。快速樣本引入裝置230向串聯質譜儀210供應多個樣本中的每一樣本。
處理器220與串聯質譜儀210及快速樣本引入裝置230通信。處理器220指令快速樣本引入裝置230將多個樣本中的每一樣本供應到串聯質譜儀210。處理器220接著指令串聯質譜儀210在每一樣本的整個所關注質量範圍上以兩個或兩個以上質量選擇窗執行碎片掃描。舉例來說，所述兩個或兩個以上質量選擇窗為鄰近質量選擇窗。
在多種實施例中，在質量範圍上使用的兩個或兩個以上質量選擇窗具有固定窗寬度。在多種實施例中，在質量範圍上使用的兩個或兩個以上質量選擇窗中的至少兩者具有不同的窗寬度。
在多種實施例中，在處理器220指令串聯質譜儀執行碎片掃描之前，處理器220指令串聯質譜儀210獲得質量範圍的質譜。
在多種實施例中，處理器220指令串聯質譜儀210在質量範圍上在所使用的兩個或兩個以上質量選擇窗中的至少兩者之間改變串聯質譜儀210的至少一個參數。
串聯質譜分析方法
圖3為根據多種實施例的展示用於快速篩選樣本的方法300的示範性流程圖。
在方法300的步驟310中，使用處理器指令非色譜的快速樣本引入裝置將多個樣本中的每一樣本供應到串聯質譜儀。
在步驟320中，使用處理器指令串聯質譜儀在多個樣本中的每一樣本的整個所關注質量範圍上以兩個或兩個以上質量選擇窗執行碎片掃描。
串聯質譜分析電腦程式產品
在多種實施例中，電腦程式產品包括非暫時性且有形計算機可讀存儲媒體，其內容包括程序，所述程序具有在處理器上執行以執行用於快速篩選樣本的方法的指令。此方法由包括一個或一個以上不同軟體模塊的系統執行。
圖4為根據多種實施例的包括執行用於快速篩選樣本的方法的一個或一個以上不同軟體模塊的系統400的示意圖。系統400包括快速樣本引入模塊410及串聯質譜分析模塊420。
快速樣本引入模塊410指令非色譜的快速樣本引入裝置將多個樣本中的每一樣本供應到串聯質譜儀。串聯質譜分析模塊420指令串聯質譜儀在多個樣本中的每一樣本的整個所關注質量範圍上以兩個或兩個以上質量選擇窗執行碎片掃描。
雖然結合多種實施例描述本教示，但希望本教示不限於此類實施例。相反，如所屬領域的技術人員將理解，本教示涵蓋多種替代、修改及等效物。
此外，在描述多種實施例時，本說明書可能已將方法及/或過程呈現為特定步驟順序。然而，就方法或過程不依賴於本文中闡述的特定步驟順序來說，所述方法或過程不應限於所描述的特定步驟順序。如所屬領域的技術人員將理解，其它步驟順序可為可能的。因此，說明書中闡述的特定步驟順序不應理解為對權利要求的限制。此外，針對方法及/或過程的權利要求不應限於以所寫的順序執行其步驟，且所屬領域的一般技術人員可容易地理解順序可被改變且仍然保持在多種實施例的精神及範圍內。