用于样品定量化学分析的具有对仪器响应的校准的特别是医学领域的系统及其对应方法
【专利摘要】用于样品(A，A-1，A-2，...)的定量化学分析的特别地但不仅在医学领域的分析系统(10，PROSAD)，包含设计来检测各待分析样品(A，A1)中存在的目标分析物([x]，[y]，[z])的量的检测仪器或设备(30)，其进而包括色谱系统(31)、离子源(32)及质谱仪(33)；数据处理系统(40，42，43，44)，被设计成处理检测设备(30)检测到的被分析样品中目标分析物的定量数据；以及创新数据库(41)，其包含用来校准及修正用于分析样品的特定检测设备(30)的仪器响应的修正及控制数据和系数(K，C，K1)，其中所述修正及控制数据和系数是该数据库在实际样品分析前的初始阶段(51，52)确定及获取的，其中通过通用稀释溶液制备待分析样品以最小化对应的基体效应，且其中通过在考虑包含在数据库中的修正及控制数据和系数的同时处理检测设备(即质谱仪)检测到的定量数据(Q)，该数据处理系统确定被分析样品中存在的目标分析物的定量数据。与目前使用的分析系统相比，根据本发明的用于样品的定量分析的系统展现了重大优势，即不需要为了在多个样品的分析期间较准检测设备，而对于每次分析持续且昂贵地使用待定量的目标分析物的商业标准品。
【专利说明】用于样品定量化学分析的具有对仪器响应的校准的特别是医学领域的系统及其对应方法
【技术领域】
[0001]本发明大体涉及典型地但并非仅限于医学领域的样品定量化学分析系统和设备的领域，且更特别地涉及这样的用于样品定量化学分析的分析系统，其特征在于新型且有利的校准系统，其被设计为校准在分析系统中检测各种被分析样品中存在的目标分析物的量的特定仪器或设备的仪器响应。
[0002]本发明还涉及特别是在医学领域的用于样品定量分析的对应方法，具有对用来检测各种被分析样品中目标分析物的定量数据的特定仪器或设备的仪器响应的校准。
【背景技术】
[0003]现代分析化学，在其实际应用中，需要不断增强的对有机及无机物质和化合物的定量分析。
[0004]就此而论，如有关定量分析化学的特定部分的技术和科学文献以及专利信息所呈现的，基于不同エ艺以及不同类型仪器和设备的使用，现有技术提供了各种各样的对被分析样品中各种种类和类型的有机和无机物质、分子和化合物进行定量分析的系统、方法及解决方案。
[0005]以下出版物通过示例的方式被引用:
[0006]-Cristoni S.等，Mass Spectrom Rev.2003，11 月-12 月；22(6):369-406 ；
[0007]-Mass Spectrom Rev.2007,9 月-10 月；26(5):645_56。
[0008]然而，独立于实际上用来检测定量数据(即，所分析的样品或各种样品中目标分析物的量)的特定仪器和设备，目前已知的执行这些定量分析的不同方法和系统具有ー些共同阶段、特性和元件。
[0009]尤其是，在实践上存在于用于样品中分析物的定量分析的所有公知系统和方法中并被其分享的基本操作，包括对实际用于检测被分析样品中分析物的量的仪器和设备的仪器响应的初步校准。
[0010]另ー个目前已知的定量化学分析系统的共同特性是该初步仪器校准通常采用市场可得的已知目标化合物或商业分析标准品(standard)来执行，该已知目标化合物或商业分析标准品由以已知浓度和组成再现和包含要被定量分析的样品中存在的目标分析物的物质和/或化合物构成。
[0011]实际中这样的校准是必要的，用于该定量分析的设备和仪器的仪器响应随机器不同而变化，即使是同样的制造商制造的同样品牌和型号的机器。
[0012]換言之，标准化和校准在商业分析标准品的辅助下使用的特定仪器的响应，以获得与样品中分析物相关的尽可能准确且可靠的定量数据，这是可取的且通常是必要的。
[0013]该校准可用各种方法和系统实行，且根据该领域常用术语，被设计来“校准”用于样品定量分析的仪器的仪器响应。
[0014]例如，在采用特定检测仪器以该商业分析标准检测ー组与包含在该商业标准品中的分析物有关的定量数据之后，校准系统从这些数据构造校准曲线，以X轴上的分析物已知浓度值以及在I轴上的检测仪器发射的对应信号强度值，创建图。
[0015]特别是，选择在该校准阶段中使用的该目标标准品或化合物中存在的分析物的浓度变化领域以便在仪器响应信号和分析物浓度间存在线性比例。
[0016]因此，包含在參考样品或基体中的具有未知浓度的一种或多种目标分析物的确切的量通过采用仪器分析该样品并利用预先构造的关联这两个量的校准线从由仪器发射的对应信号的强度值外推样品中存在的分析物的浓度值来确定。
[0017]更特别地，发展了不同方法和变形用于仪器校准用来检测样品中存在的分析物的量的特定仪器的响应，可以总结为以下两类A和B。
[0018]A.逐次加入法
[0019]该方法包括对样品Y的直接分析且被分成以下步骤，该样品Y通常由包含具有未知浓度[X]的目标化合物或分析物X的溶液构成。
[0020]首先，分析仪检测分析物X的强度信号Ix，其被绘制在CS图(浓度vs.信号)的y轴，且通常与X轴上分析物X的达到零(即[X] = 0)的浓度值[X]配对。
[0021]其次，为了获得初始溶液Y的定量分析，将分析物X的商业标准的已知且不断増加的量加入其中，且每次加入执行对被检测的对应信号的強度的特定分析。
[0022]添加物浓度不同值和由分析导致的对应信号的强度值被记录在CS图上。
[0023]此时通过观察得到的图进行检验，以确保分析仪的响应为线性；如果是，对图中所示点进行线性插值以从由此所得线与X轴的交叉点得到样品Y中目标分析物X的浓度。
[0024]第一种方法及方式的主要缺点是所得定量数据的高误差，这导致在很多分析领域不建议使用该方法，例如临床诊断分析、法医学分析、药剂、农药及其他化合物的定量分析。
[0025]B.同位素稀释法
[0026]该方法主要用于使用质谱法的定量分析领域，且分成以下阶段。
[0027]首先，具有与目标化合物或分析物具有相同化学式的商业化合物或标准品被加入到待分析样品溶液，但其中某些元素由对应的非放射性同位素或具有相同原子序数Z但不同质量数A的元素所取代(最普通的替换为用氘原子2H交换氢原子1H)。
[0028]通过这种方式标准化合物的分子量被改变。
[0029]还确定添加到样品溶液中的标准化合物的量以使其在所述样品溶液中的浓度比目标分析物的大。
[0030]为此，评估两个信号强度间的比例，牢记替代的化合物提供与不具有同位素标记的化合物相同的仪器响应，因此两者的不同仅在于质量/电荷比m / Z0
[0031]由此分别得到标准品和目标分析物的两个共洗脱峰(co-eluted peak)，第二峰的幅值比第一峰低。
[0032]其次，通过计算该两个峰所限定的面积间的比率，得到浓度因子，由此样品溶液被稀释直至目标分析物的信号与替代的标准化合物的信号相同。
[0033]两个相同峰的出现表明这ー情况的发生，其表明分析物与对应标准品之间的浓度相同。
[0034]此时用于平衡两个峰的稀释因子，乘以标准品的已知浓度，提供了样品溶液中目标化合物或分析物的真实浓度。[0035]第二方法及方式的主要缺点在于其需要使用极其昂贵的同位素标准品，这将所述方法的实际使用限制在规律性处理大量样品的中心，例如医院、法医分析中心、质量控制及相似的实验室。
[0036]为了清楚起见，图5示意性总结了目前的情况，如前所示，即现有技术目前所需的操作和众多手动步骤，即操作者必须制备用于定量分析的样品，在分析每个样品前校准用来执行样品分析的特定仪器，且最后，在校准后，利用仪器执行样品实际分析以获得被分析样品的定量数据。
[0037]在初始阶段F1，包含目标分析物[X]的样品Y，以适合被定量分析的样品溶液Yl适当地稀释。
[0038]还在初始阶段，通过专用于目标分析物[X]的商业或エ业标准品SI [x]校准被用于样品溶液Yl的定量分析的仪器(特别地，包括质谱仪)，如校准阶段F2示意性所示。
[0039]其次，如阶段F3示意性所示，校准后，采用分析仪器即质谱仪分析样品溶液Y1，由此提供给操作者分析结果，即，被分析样品Y中存在的目标分析物[X]的定量数据，如最終阶段F4示意性所示。
[0040]在某些情况下，标准品SI[x]可被加入样品溶液Yl以执行“基体内(in-matrix) ”校准,如阶段F2’示意性所示。
[0041]值得注意的是用于分析的仪器的校准毎次必须被重复；換言之，必须在分析每个样品之前执行，如已经说明的，这构成了现有技术的重要缺陷。
【发明内容】
[0042]由此本发明的首要目的在于提供及实施ー种典型地但不仅在于医学领域的用于样品的定量分析的分析系统，其代表目前已知及采用的分析系统的重大创新，且特别是，不像已知系统，在样品分析期间以及在毎次分析前不需要连续使用商业分析标准品来校准在用于检测待分析的各种样品中存在的目标分析物的量的分析系统中使用的仪器的响应。
[0043]所述目的认为可通过分别具备独立权利要求1及9所限定的特征的用于样品的定量分析的系统及对应方法完全实现。
[0044]本发明的特定实施例也在从属权利要求中进行了描述。
[0045]如说明书其余部分将清楚呈现的，对指导根据本发明的样品分析系统的发展，并由此形成其基础的基本概念及准则总结如下。
[0046]I)初始制备通用基体或样品溶液(即通过以通用稀释溶液稀释待分析初始样品而获得的基体)，以便标准化基体的化学-物理特性且使其随时间可再现，从而最大化、标准化用来检测被分析样品中存在的分析物的定量数据的机器、仪器或设备的仪器响应并使其随时间可再现。
[0047]2)采用商业分析标准品，初歩获得每一分析及基体的仪器数据，以得到特定响应因子，该特定响应因子连接包括分析物、基体及用来定量检测分析物的机器的系统的各种部分。
[0048]3)构建特定数据库，该特定数据库包含注定在多个样品的分析期间使用的校准数据和參数，以处理分析系统所得数据并精确校准信号，即用于检测被分析样品中目标分析物的特定检测设备的仪器响应，因此不再需要持续，昂贵的使用商业标准品来校准检测设备。
[0049]在这方面，应注意现有技术中没有与数据库接ロ以从其中提取数据的用于样品的定量化学分析的设备或系统，该数据库对于获得待分析样品中存在的分析物的绝对分子量有用，以便每个样品分析前，不再需要毎次都校准用于定量检测所述分析物的仪器。
[0050]因此本发明的主要创新在于这样的特定数据库的有效性和使用，以及与传统质谱仪结合使用离子源，如USIS或SACI，如以下更具体描述。
[0051]这两个离子源的使用是关键的，这是由于其最大化质谱仪的灵敏度，提高了分析的定量精确度，因为分析灵敏度越大，则获得的信号以及因此的定量数据的质量和精确度就越稳定。
[0052]本发明分析系统还包括，作为基本部分和进ー步创新，设计用来在分析中持续监视某些參数并检验其一致性的控制系统，所述參数可指示“基体效应”，即被分析样品中源于其初始基体或分子组成的效应，还可指示用于检测被分析样品中分析物的量的仪器或设备的仪器响应的变化。
[0053]更具体地，在根据本发明的分析系统中被检测的不同变量被处理以确定存储在数据库中的两个系数，即:
[0054]a)监视系数K，其可被用作用于监视由定量检测分析物的仪器产生的仪器信号随时间的稳定性及变化的參考；以及
[0055]b)评价系数K1，其可被用作用于评价在被分析样品中对应源于其原始基体或分子组成的对应基体效应的參考。
[0056]如下更为具体的解释，所述系数Kl是通过分析样品的逐渐增加的体积并在图中绘制被分析样品中存在的目标分析物产生的对应信号而得到的线的斜率的变化的指示。
[0057]发明优势
[0058]根据本发明的用于被分析样品中存在的化学物质及化合物的定量分析系统特别地在商业上由缩略词PROSAD(源于术语累积样品计量(PROgressive Sample Dosage))识另lj，且与目前已知及采用的样品定量化学分析的分析系统相比，其具有众多显著的优势，特别是在医学领域，某些已在以上介绍中声明。
[0059]对应于根据本发明的分析系统的各种方面的这些优势中的ー些，下面将通过示例但非限制地简要描述某些优势，并与目前已知且使用的分析系统进行比较。
[0060]首先，根据本发明的分析系统在其采用的校准系统方面特别优越，该校准系统用来校准用于检测各种待测样品中目标分析物的量的检测仪器，特别是在医学领域及所述检测仪器为质谱仪时。
[0061]如已部分陈述过的，所有现有采用质谱仪的分析方法的共同点是在每一次分析之前(即，在分析样品中的特定分析物或ー类分析物的分析之前)使用商业分析标准品来校准质谱仪的仪器响应。
[0062]本发明，即PR0SAD，被开发以允许质谱仪仪器响应的标准化，即，使其精确，可靠且随时间可再现，而不需在进行各种样品的定量分析时并且其中的目标分析物的类型变化时持续使用所述商业分析标准品。
[0063]总之，PROSAD提供了以下四个优势。
[0064]商业优势[0065]第一优势是商业优势，由于采用PROSAD系统，商业标准品不再用于每次分析，而仅在获得创建和构造合适数据库所需的数据的初始阶段使用，这大大节省了标准的花费。
[0066]结构优势
[0067]如已陈述的，结构优势源于这样的事实，即每个商业标准品仅对应于ー种目标分子，因此将分析的可能性限于单一分子。
[0068]然而，PROSAD系统通过标准化多个分析物的仪器响应，使其可同时执行多个目标分子的定性及定量分析。
[0069]PROSAD还满足了简化分析过程中样品制备的需求，对每个化合物，每当监测新分析物，或不同基体中同样的分析物，目前通常都需要开发特定制备及对应分析方法。
[0070]时间优势
[0071]由PROSAD贡献的时间节省是明显的，且由三个因素的总和构成。
[0072]第一时间节省在于每当新分析物被分析时特定方法的开发及验证，第二节省在于每个样品的制备，且第三节省在于分析每个样品的多个目标分子所需的机器时间。
[0073]对于PR0SAD，单ー的、更短的、显著简化的方法被用于制备被分析的样品，且如所陈述的，可以同时分析多个目标物质。
[0074]质量优势
[0075]质量优势，其构成了另ー个重要益处，其源于由PROSAD所获得的定量数据的更大的准确度。
[0076]通过限制实验室技术人员执行的步骤和手动操作，及每样品的分析数量，PROSAD消除了相当大比例的影响最终数据的测量及仪器误差，因此更精确。
[0077]此外，特别地包括能最大化质谱仪灵敏度的离子源的PROSAD所用的设备的特定构造及配置，进ー步有助于增加所获分析数据的质量及准确度。
[0078]最后，包括在PROSAD内的数据处理系统的高精确度提供了进ー步有利的贡献。
[0079]在这方面，大量测试表明由PROSAD所获数据平均比采用常用分析方法所获数据的精确性高10%。
【专利附图】
【附图说明】
[0080]根据本发明的样品定量分析系统的这些及其他目的、特性及优势将通过以下其优选实施例的示例性但非限制性的、參考附图的描述而更清晰地展现，其中:
[0081]图1为功能框图，其非常简要的示出优选但非排他地在医学领域的根据本发明的用于样品定量化学分析的分析系统的基本部分；
[0082]图2为功能框图，其更详细地示出图1中所示样品分析系统的各部分；
[0083]图3为更详细的图1所示分析系统的框图，其特别地涉及待分析样品的制备；
[0084]图4为流程图，其示出图1和2所示的根据本发明的用于定量检测被分析样品中存在的目标分析物的分析系统中使用的特定检测设备的仪器校准的操作；以及
[0085]图5为根据现有技术的分析系统和使用的分析仪器的对应仪器校准系统的框图。
【具体实施方式】
[0086]图1以极为示意的形式显示出根据本发明的表示为10的用于样品定量化学分析的分析系统，也被称为“PROSAD”，累进样品剂量(PROgressive Sample Dosage)的缩略词，如已描述的。
[0087]该分析系统10将优选，但非排他地，用于医学领域，例如执行包含在生物基体中的目标分析物的定量化学分析，如以下采用与人类尿液或血浆样品相关的特定应用实施例更具体的说明。
[0088]根据本发明的分析系统10，即PR0SAD，作为一整体(图2)实质上由以下三个相互作用及协作的基本部分組成。
[0089]-第一部分，示意性显 示为块20，其对应于制备样品的初始阶段，该样品将被分析系统10进行定量分析。
[0090]-第二部分，示意性显示为块30，其对应于特定专用检测设备，之后被称为“检测设备”，在分析系统10的范围内，其被设计来在检测阶段期间检测被分析的样品中存在的目标分析物的量；以及
[0091]-第三部分，示意性显示为块40，其对应于数据处理系统，其具有在处理阶段期间处理专用设备30检测到定量数据Q以确定分析的最終結果R(即，在被分析的样品中存在的目标分析物的定量数据)的功能。
[0092]如以下更具体的解释，数据处理系统40还与创新的专用设备30的仪器响应校准系统相关联，该校准系统通常示为50。
[0093]现将对该分析系统的三个部分20，30及40进行详细描述。
[0094]制备待分析样品的初始阶段
[0095]如所描述的，对应于初始样品制备阶段的第一部分20，包括对示为A且示意性显示在图2中的待分析原始样品执行的特定操作，以归ー化源自其特定分子组成的基体效应。
[0096]制备待分析样品以将最终基体效应减小到标准、可再现的值，这对确保所获分析数据的有效是重要的，基体效应为众所周知的现象，其能在样品定量表征中导致重大问题及临界因素(參见 Cristoni S.等出版，Rapid Commun Mass Spectrom.2006 ；20(16):2376-82)。
[0097]例如，已发现若被分析样品中基体效应高，分析误差可达超过目标数据真实值 50 的水平(參见 Cristoni S.等，Rapid Commun Mass Spectrom.2006 ；20 (16):2376-82)，
[0098]详细地，參考附图3中图，样品制备阶段之后的过程如下。
[0099]a)首先，通过例如以900微升100毫摩尔碳酸氢铵(NH4HCO3, IOOmM)溶液稀释包含构成化学系统的三个内部校准物的1000ppm咖[!非因、1000ppm睾酮以及1000ppm孕酮的100微升的溶液，由此得到最終I升的体积，而制备通用稀释溶液UDS，其为标准的且适用于任何复杂基体。
[0100]b)以合适的比例，采用冻干血衆重构(reconstitute)通用稀释溶液UDS,以获得稳定在PH = 8的最终溶液。
[0101]c)此时，包含目标分析物，如[X]、[y]及[z]的原始样品A以1:1的比率在通用稀释溶液UDS中稀释，该通用稀释溶液UDS是标准的且适用于任何复杂基体。
[0102]于是基体效应被归ー化。[0103]d)为了该目的，通过加入一份蚁酸FA到99份纯こ腈AC (99%+1%)制备稀释溶液；
[0104]e)然后将ー份包含血浆的溶液在9份基于こ腈的溶液中稀释(稀释比率1:10)，以便包含在血浆+样品溶液中的高分子量蛋白质立即沉淀。
[0105]f)将如此所得溶液离心分离，例如以I分钟13000rpm，然后，取出例如200微升上清液，其构成必将被特定检测设备30分析的样品溶液ん。
[0106]设计来构成标准或归ー化分析基体的该制备过程的主要目标在于标准化及归一化待分析溶液的化学-物理特性，以防止不同种类原始样品的特定组成导致的各自(singular)的特定基体效应。
[0107]通过在该制备阶段20制备的溶液的特性，该归ー化成为可能，该溶液通过将pH值缓冲到接近中性(pH = 8)以免利于目标分析物的质子化或去质子化；以及通过采用冻干血浆创建具有能掩蔽原始样品的基体效应的基体效应的复杂化学-物理环境，以便为通过系统40处理仪器30检测到的数据的下ー阶段产生单一可再现、可预测的基体效应而制备。
[0108]作为上述“d”及“c”段所描述的沉淀过程的备选，执行包括采用分子截止过滤器(molecular cut-off filter)的制备阶段。
[0109]在这种情况下，备选过程包括以下阶段。
[0110]a)首先，通过例如以900微升100毫摩尔碳酸氢铵(NH4HCO3, IOOmM)溶液稀释包含构成化学系统的三个内部 校准物的1000ppm咖[!非因、1000ppm睾酮以及1000ppm孕酮的100微升的溶液，由此得到最終I升的体积，而制备通用稀释溶液UDS，其为标准的且适用于任何复杂基体。
[0111]b)以合适的比例，采用冻干血浆重建通用稀释溶液UDS，以获得稳定在pH = 8的最终溶液。
[0112]c)此时，包含目标分析物，如[X]，[y]及[z]的原始样品A以1:1的比率在通用稀释溶液UDS中稀释，该通用稀释溶液UDS是标准的且适用于任何复杂基体。
[0113]于是基体效应被归ー化。
[0114]d’ )由此获得的USD溶液被引入具有分子截止过滤器的Eppendorf试管，该过滤器阻止分子量超过预设限制(例如3000Da，5000Da或1000ODa)的物质通过其网孔。毎次均通过參考被分析基体及目标分析物的特性施加的分析条件来确定该限制。
[0115]f)将如此所得溶液离心分离，例如I分钟13000rpm，之后取例如200微升上清液，其构成将被特定检测设备30分析的样品溶液k10
[0116]用于样品分析及定暈检测的专用设备
[0117]对应于根据本发明的分析系统10(即PROSAD)的部分30的专用检测设备，被设计来检测被分析样品中目标分析物的量，如附图2中图所示，其基本上由以下部分构成，色谱系统31，通过该色谱系统31待分析样品Al注入检测设备30 ;设计为从色谱系统SC接收待分析样品Al并将其电离的离子源或电离源32 ;以及质谱分析仪或质谱仪33，该质谱分析仪或质谱仪被设计来为接收电离源32产生的样品Al的离子I并将其进行谱检查以检测所述样品Al中存在的目标分析物的量。
[0118]质谱仪33检测到的样品Al中的目标分析物[x]、[y]及[z]的定量数据Q被传送到数据处理系统40以被适当处理，从而提供定量化学分析的最終結果R，即被分析样品中分析物的定量数据。
[0119]色谱系统31由HPLC泵及色谱柱组成，基于分析要求毎次来选择该色谱柱的尺寸。
[0120]使用中，色谱系统31设置成快速注入给定的量的待分析样品Al到电离源32，紧接着，允许快速执行分析。
[0121]至于离子源32，在PROSAD系统中可能的配置涉及离子源的使用，这基于SACI技术(表面活化化学电离，公开在Cristoni S.等申请的国际专利W02004 / 034011中)或USIS技术(通用软电离源，公开在Cristoni S.申请的国际专利W02007 / 131682中)。
[0122]最后，检测设备30中包括的质谱分析仪33可为低分辨仪器(如离子阱，单四极或三重四极类型等；參见 Cristoni S.等 Mass Spectrom Rev.200311-12 月；22(6):369-406)，或高分辨率仪器(如FTICR(傅里叶变换离子回旋共振)，T0M(飞行时间)，轨道阱等，參见 Cristoni S.等 Mass Spectrom Rev.200311-12 月；22(6):369-406))。
[0123]低分辨离子阱或三重四极质谱分析仪中，三重四极类型由于其在定量数据分析中更大的准确度和精确度通常更可取。
[0124]优选的高分辨率分析仪为轨道阱分析仪及飞行时间分析仪，且在两者中，由于其在检测到的定量数据的准确度和精确度更好的表观，飞行时间分析仪为优选。
[0125]使用基于SACI或USIS技术的电离源32明显地确定了用于根据本发明的分析系统10中使用的检测设备30的补充的价值及优势。
[0126]特别是SACI (表面活化化学电离)技术引入了以下两个显著、有益的对离子源的改进，该离子源目前主要用于在大气压カ下的化合物电离，即ESI (电喷射电离)及APCI (大气压化学电离)。
[0127]a)插入金属表面到电离腔，这改善了化合物的电离效率。
[0128]该金属表面极化中性溶剂，改变其质子亲和力且提高了分析物的电离效率，通过
[0129]b)施加到保留不到达分析仪的溶液分子的低电势(50V)的所述金属表面，由此大大降低了化学噪音。
[0130]USIS技术采用与SACI源相同的原理，但也有利地包括通过施加UV辐射由极化板导致的电子发射的附加光电效应。
[0131]归因于该光电效应的所述电子的发射激活离于分子反应，其导致非极性或无极性和极性化合物的电离。
[0132]就这点，由此，由干与SACI源相比，USIS离子源允许分析包括无极性化合物的更大量化合物，因而为优选的。
[0133]然而，两种离子源(SACI和USIS)展现了对保证PROSAD系统的效率有用的重要特性，即能够提供稳定的定量数据，这是由干与传统离子源所用的相比，如ESI和APClJti析样品的电离总是发生在较低电压(〈900V对比3000-4000V)。
[0134]这降低了柱中分析物的色谱溶剂、同洗脱液(co-eluent)及载体的电离产率，随之仪器噪音降低，这是由于将色谱溶剂暴露给高电离电势导致带电分子簇的形成，这增加了影响分析仪的化学仪器噪音。
[0135]由此，由SACI及USIS获得的背景噪音的降低使得能够通过降低仪器干扰获得更稳定的信号，并增加定量数据测量的精确度。
[0136]通常，检测设备30及其组成部分依赖于特定要求及待执行的分析的类型。[0137]在任何情况下，无论为PROSAD选择和接受何种检测设备30的配置，在校准期间必须对其设置并较准以从对样品进行的定量分析中获得恰当，可再现的结果，如以下所详细描述。
[0138]用于处理检测设备检测到的定量数据的系统
[0139]对应于根据本发明的分析系统10的数据处理系统的部分40包括，如附图2示意性示出的:
[0140]-与检测设备30相关联以接收检测设备30检测到的在被分析样品中存在的目标分析物的定量数据Q的本地工作站42，
[0141]-设计来与本地工作站42协作的远程计算单元43，以及
[0142]-数据库41，其与远程计算单元43相关联，且包含设计来校准及修正用来检测各被分析样品中存在的目标分析物的定量数据的检测设备30的仪器响应的ー个或多个修正及控制数据和系数。
[0143]远程计算单元43进而可以为较大计算资源网络(例如“云计算”)的一部分，由此其不会不利地影响本地工作站42的性能。
[0144]详细地说，远程计算单元43包含通用操作程序或者软件SW，其包含专为PROSDA开发的特定的程序或算法44，该特定的程序或算法44用干与数据库41协作来确定最終的分析结果R，即在各种被分析样品中存在的目标分析物的量，如下更详细所述。
[0145]有利的是，数据处理系统40也能实施机器学习或超向量算法，以增加并扩展其功倉^:。
[0146]在操作中，工作站42将检测设备30检测到的被分析样品中存在的目标分析物[x], [y]，[z]的定量数据Q传输至远程单元43.[0147]同时，本地工作站42向远程计算单元43发送请求以激活测试的样品中存在的由操作者设定的目标分析物的定量，该请求由操作者设定。
[0148]响应于该请求，远程计算单元43从数据库41中提取修正被分析物的定量所需的修正和控制系数，并用特定的PROSAD算法44，考虑所属修正及控制參数，计算分析结果R，即被分析样品中存在的目标分析物的定量数据。
[0149]随后，所述结果R由远程计算单元43传送到本地工作站42，本地工作站42以到操作者的输出的形式显示该结果R，如附图2示意性所示。
[0150]数据处理系统中包括的数据库，及检测设备仪器响应的校准
[0151]如前所述，根据本发明的分析系统10的一个将其与已知化学分析系统区分开来的特征是包含在数据处理系统40中的数据库41，以及其用于校准特定设备30的仪器响应的特定内容和用途，对数据处理系统40处理的数据的标准化和定量，以及对将被提供为最终分析结果R的被分析样品中存在的目标分析物的定量数据的最終计算。
[0152]特别地，数据库41包括适于校准检测设备30仪器响应(即适于修正检测设备30检测的各种被分析样品中存在的目标分析物的定量数据)的修正和控制系数。
[0153]所述创新的数据库41是根据本发明的化学定量分析系统的ー个必要组成部分，其特征将由以下详细说明清楚表明，该说明描述了在初级基础上限定数据库以及获取并确定包含在其中的数据和信息的过程，以及一旦限定，数据库41及各数据在分析系统10和对应的数据处理系统40中操作和使用的过程。[0154]1.在根据本发明的分析系统10中，在样品的实际分析前的初级阶段，通过注解(annotating)和获取与特定型号和/或品牌的质谱仪33直接相关的特定数据和信息初步创建和定义数据库41，该特定型号和/或品牌的质谱仪33用于分析第一样品A，之后是其他样品，在附图2示意性示出并标记为A-1, A-2, A-3...An。
[0155]2.特别地，操作者使用商用校准标准品(毎次特别地是利血平+根据特定应用和待执行的分析类型而选择的两个分子)利用质谱仪33执行ー些初级谱，其由此被获取并存储于数据库41中，用于之后的对质谱仪33响应的评估和校准。
[0156]也可以通过执行如第一及第ニ段所述的同样操作来将利用不同品牌和型号的质谱仪分析商用标准品获得的质谱输入到数据库41中，以在数据库41中产生与多个质谱仪品牌及型号相关联的数据库。
[0157]3.以该方式，在分析考虑的样品之前，关于利血平的信号，谱仪(spectrometer) 33的仪器响应被优化并最大化，以获得可重复的谱。
[0158]由于总是用同一化合物进行谱仪33及其光学系统(optics)的仪器响应的该优化阶段，商用标准品的信号強度及对应于其他质/荷比m / z的信号強度总是能够重复，其浓度相等。
[0159]4.随后将以标准或校准分子的质量信号強度的形式获取的数据与特定于所用的品牌及型号的仪器(即，谱仪)的事先检测及存储于数据库41中作为參考的对应实验数据对比。
[0160]为此目的计算修正系数K = Itl / I，所述系数特定于所用谱仪的品牌及型号，由同校准物质相关的理论信号I。和与用于分析的特定质谱仪的品牌及型号相关的采样信号I之间的比率表示。
[0161]特别地，信号I从数据库41中的已有数据中选择，井根据第一和第二段所述的步骤，这些数据使用不同品牌及型号的谱仪获得。
[0162]该系数K也被获取及存储于数据库41中。
[0163]如所计算的系数K是谱相似度的表示，以及由此的用于分析的特定检测设备30的仪器响应的相似度的表示；为了可接受，K值要必须趋向于归ー值，最大允许偏差10%，即K=I±0.1。
[0164]比率K = Itl / I也代表表示检测系统的參数，所以被设为每次分析时被监视，以评估仪器响应随时间的定量波动，并在需要时对其进行修正。
[0165]因此对K随时间的恒定性及其所有变化的检查构成检测设备30的操作的第一检查点。
[0166]5.随后通过分析毎次Ippm浓度的商用标准品对目标分析物的信号强度进行取样。
[0167]6.如果目标分子的标准品显示由信噪比S / N表征的信号強度< 100，则分析物不适合用PROSAD进行分析。
[0168]这个參数对限制质谱技术的固有误差的比例，且同时提高所获数据的准确度及精确度是必要的。
[0169]然而如果S / N比>100，将计算目标分析物的信号Ix与系数K之间的比率，K由数据库41预先计算并获得。[0170]7.这给出了修正系数C = V*(IX*K) = V*[IX*(IQ/I)]，其中V表示所用分析设备即谱仪33的特定变量，由此系数C是分析仪机器及特定目标化合物或分析物二者的特性，其也被获取和存储于数据库41中。
[0171]8.此时，即在从数据库41确定并获取系数C后，可以对待分析样品的定量数据进行获取和检测。
[0172]在第一步骤，必须考虑系统的基体效应，为此，对四个体积逐渐增加的样品(例如5，10，15及20微升)进行快速分析。
[0173]9.然后通过用于定量分析的色谱系统31根据注入到质谱仪33的样品的体积将目标分析物的信号強度绘在图上。
[0174]10.然后外推线性斜率系数K1，其代表被分析系统的特性參数。
[0175]11.这时，包含在远程计算单元43中的为PROSAD开发的特定算法44监视进行的分析，并特别地检查系数Kl不发生变化。
[0176]如果检测通过，即如果Kl不变化由此保持恒定，则基体效应对分析中选择的系统是可重现的。
[0177]12.然后,获得另一系数Cl = K1*C = K1*[V*(K*IX)],其中Ix为目标分析物的信号強度，如前所详述。
[0178]这时，如果PROSAD算法44验证K及Kl的一致性在限定的实验容差内，则目标分析物的浓度可与Ix值成比例地被计算出。
`[0179]在实际中，如果K及Kl落在预设的容差范围内，如果Cp为待确定的目标分析物的未知浓度以及Ip是由所述未知浓度产生信号的已知强度，则分析物的未知浓度，即样品中存在的目标分析物的定量分析的结果由Cp = Cl*Ip / Ix给出。
[0180]基于上述因素，在数据处理系统40及更普遍的在定量分析系统10中，数据库41进行对特定检测仪器30 (即质谱仪33)的仪器响应进行校准的基本功能，该质谱仪33实际用在分析系统10中检测样品Al中存在的分析物的定量数据。
[0181]换句话说，包含在数据库41中并将其限定的修正及控制数据及系数被用来通过校准及适当修正检测设备30检测的数据来确定作为最終分析结果提供给操作者的被分析样品中存在的目标分析物的实际定量数据。
[0182]有益地，以上1-12段描述的系数被监视并在给定时间间隔后周期地(比如每10小吋)重新计算，然后被输入数据库，即数据库41。
[0183]基于已知类型的算法(例如以下出版物:Braisted JC, Kuntumalla S, Vogel C,Marcotte EM, Rodrigues AR， Wang R， Huang ST, Ferlanti ES， Saeed Al， FleischmannRD, Peterson SN，PieperR.“The APEX Quantitative Proteomics Tool !generatingprotein quantitation estimates from LC-MS / MS proteomics results.BMCBioinformatics”2008年12月9日；9:529中描述的算法)的神经网络系统将对这些参数随时间的偏差进行评估，并可基于另一修正系数Cr对计算公式的修正系数施加改变和修正以保持随时间稳定的测量的定量准确度和精确性。
[0184]详细地，相对于目标分析物的浓度，的Cp的数值，将与修正系数相乘，如上所述被进ー步修正，来修正Cp值的该偏差，这个偏差会导致根据本发明公开的分析系统中定量测量的误差随时间增加。[0185]为提供更完整的信息以及对前述描述的补充，作为根据本发明的分析系统10的基本部分并且执行对质谱仪33的仪器响应的校准的功能的校准系统50以在图4的流程图中示出的操作阶段51-58的方法或连续的操作阶段51-58的形式表示。
[0186]特别地，如从所述流程图中观察到的，阶段51及52是两个初级阶段，在这两个阶段期间，校准系统50采用来定量化样品的该特定检测设备来定量检测目标分析物的商业标准品，并利用由此检测的定量数据来初歩建立包含用于所述特定设备的仪器校准的修正及控制数据和系数的数据库。
[0187]所以，阶段53、54及55涉及第一祥品的实际定量分析，其中通过考虑包括在数据库中的修正及控制数据和系数，处理并修正利用该特定检测设备在样品中检测的定量数据而确定第一样品的最終分析结果，即，第一样品中存在的目标分析物的定量数据。
[0188]最后，阶段56、57及58涉及后续样品的分析，该样品在图2示意性示出，并示为A-l，A-2，...A-n。其中，所述后续分析的定量数据通过使用数据库41中预先确定和获得的修正及控制数据和系数而获得，因此不必在毎次分析前都校准用于定量检测样品中分析物的设备(即，质谱仪)，也就不必像现有技术中那样每次分析前都要使用分析物的商业标准品执行该校准。
[0189]根据本发明的分析系统的变化及发展
[0190]很明显，在不偏离本发明基本概念的前提下，可以对目前所述的用于样品定量化学分析的系统进行修改及进ー步的改善而仍落入本发明的范围内。
[0191]例如，在数据处理系统40的范围内，工作站42及数据库41可以彼此直接协作来交換信息及数据，例如用于修正质谱仪33检测的定量数据Q并确定由样品分析获得的最終定量数据的修正数据及系数K、C及K1，如图2虚线所示。
[0192]而且，虽然以特定及优选參照与色谱系统联合使用的质谱仪来描述本发明的分析系统，但除设计来定量检测被分析样品中存在的分析物的质谱仪及对应的色谱系统之外的检测系统也可用于分析系统并由此与对应的新颖的数据库关联，而仍不超出本发明所提出的概念范围。
[0193]最后，在保证本发明基本概念及特征的前提下，根据本发明的分析系统可以通过各种方式实现，例如通过与其他装置或设备结合来增强系统性能并在定量及定性方面改善结果。
[0194]根据本发明的分析系统的应用实例
[0195]为了补充以上描述，下面将描述根据本发明的分析系统lO(PROSAD)的某些特定应用实例，该分析系统用于样本定量化学分析，特别是在医学分析领域中。
[0196]实例1-可卡因及其代谢物分析
[0197]在这个实例中，用PROSAD技术定量在尿样品中的可卡因及其代谢物苯甲酰爱康-J1 (benzoyIecgonite)。
[0198]使用ニ元色谱梯度，包括相A)H20+0.05%蚁酸及相B)CH3CN+0.05蚁酸。给出注射时的时间T = 0，％ B、15%。保持这个条件2分钟。在该间隔后，％ B在8分钟内増加到70%的值。初始条件在随后的两分钟内恢复。仪器获取时间设定为24分钟。使用ThermolEctron C8150X Imm色谱柱。表面电势、电喷射电势及表面温度分别为50V，OV及IlO0C o雾化(nebulisation)气体流速为2L/分钟。[0199]实例2-血浆样品中的睾酮分析
[0200]PROSAD系统被用于分析人类血浆中的睾酮。
[0201]使用二元色谱梯度，包括相A)H20+0.05%蚁酸及相B)CH3CN+0.05蚁酸。给出注射时的时间T = 0，％ B、15%。保持这个条件2分钟。在该间隔后，％ B在8分钟内増加到70%的值。初始条件在随后的两分钟内恢复。仪器获取时间设定为24分钟。使用ThermolEctron C8150 X Imm色谱柱。表面电势、电喷射电势及表面温度分别为50V，OV及110°C。雾化气体流速为2L/分钟。
[0202]实例3-全血样品中的他克莫司(Tacrolimus)分析
[0203]在这个例子中，PROSAD系统被用于化验人类血浆中包含的称为他克莫司(抗排斥药物)的免疫抑制剂。
[0204]使用二元色谱梯度，包括相A)H20+0.05%蚁酸及相B)CH3CN+0.05蚁酸。给出注射时的时间T = 0，％ B、15%。保持这个条件2分钟。在该间隔后，％ B在8分钟内増加到70%的值。初始条件在随后的两分钟内恢复。仪器获取时间设定为24分钟。使用ThermolEctron C8150X Imm色谱柱。表面电势、电喷射电势及表面温度分别为50V，OV及110°C。雾化气体流速为2L/分钟。
[0205]最后，为了完整性，对于上述的每个应用实例，采用本发明PROSAD系统对目标分析物测量的％测量的精确度误差及仪器准确度误差列于下表。
[0206]特别的，该％仪器准确性误差是通过与由利用线性校准方法定量样品并将氘代标准品作为加入样品的化合物而获得的数据进行比较而确定的。
[0207]
[0208]
【权利要求】
1.ー种用于样品(A，A-l，A-2，..A-n)的定量化学分析的特别地但非排他地用作医学目的分析系统(10)，包括: -设计来检测各种待分析样品(A，A-1, A-2，..A-n)中存在的目标分析物([x]，[y]，[z])的量的特定检测仪器或装置(30)，所述特定检测装置(30)进而优选地包括色谱系统(31)、离子源(32)及质谱仪(33)， -数据处理系统(40，44)，被设计来接收并处理所述特定检测装置(30)检测到的被分析的所述样品(A，A-l，A-2，..A-n)中存在的所述目标分析物([x]，[y]，[z])的定量数据(Q)； -与所述数据处理系统(40)相关联的数据库(41)； 其中，在所述分析系统(10)中，所述数据处理系统(40)被设计为通过在考虑包含在所述数据库(41)中的数据及修正和/或控制系数(K，C，Kl)的同时处理所述特定检测装置(30,33)检测到的被分析的所述样品(A，A-l，A-2，..A-n)中存在的所述目标分析物([x]，[y], [z])的所述定量数据(Q)，来确定每一被分析的所述样品(A，A-l，A-2，..A-n)中存在的所述目标分析物([X]，[y], [z])的最終定量数据(R)， -其中包含在所述数据库(41)中的所述数据及所述修正和/或控制系数(K，C)是在采用所述分析系统(10)的所述样品(A，A-l，A-2，..A-n)的有效定量分析(53-58)之前的初始阶段(51，52)确定并由所述数据库(41)获得，以及 其中包含在所述数据库(41)中的所述修正和/或控制系数中的第一个(K)通过以下公式确定:
K = 10 / I, 其中K为所述第一修正和/或控制系数，10是对应于给定校准物质的理论信号，且I是通过借助用于分析样品的所述特定检测装置来采样及定量分析所述校准物质而获得的信号， 由此，所述第一修正和/或控制系数K是特定检测装置的品牌和型号的特性，并且特别是用来定量分析所述样品的对应质谱仪(33)的品牌和型号的特性，且适于作为监视所述特定检测装置(30，33)产生的仪器信号随时间的稳定性的參考。
2.如权利要求1的分析系统(10)，其中包含在所述数据库(41)中的所述修正和/或控制系数中的第二个(C)，由以下公式确定:
C = V* (Ix*K),或 C = V* [Ix* (I。/ I)], 其中C是所述第二修正和/或控制系数，V是作为所用的所述特定检测装置(30，33)的特征的仪器变量，并且Ix是通过采用所述检测装置(30，33)检测所述样品中待定量的所述目标分析物的商业标准品的定量数据而获得的信号， 由此所述第二修正和/或控制系数C是用于分析所述样品的所述检测装置(30)，由此所述对应质谱仪(33)，以及被分析的所述样品(A，A-l，A-2，..A-n)中待定量的所述特定目标分析物([X]，[y]，[z])两者的特性。
3.如权利要求2的分析系统(10)，其中被分析的所述样品中存在的所述目标分析物([x], [y]，[z])的定量分析的结果通过所述数据处理系统(40，44)由以下公式确定:
Cp = Cl*Ip / Ix, 其中Cp是所述目标分析物([X]，[y], [z])的待确定的未知浓度，Ip是所述未知浓度Cp产生的信号的已知强度，并且Cl是由以下公式确定的又一系数:
Cl = K1*C = Kl* [V* (K*Ix)], 其中Kl是另ー第三控制系数，其适于评价被分析的所述样品中的基体效应，并且指示通过分析所述样品的逐渐增加的体积及在图中绘制被分析的所述样品中存在的所述目标分析物([X]，[y], [z])产生的对应信号而得到的线的斜率的变化， 其中在验证控制系数K及Kl落入预先确定的容差范围内之后，所述数据处理系统确定所述未知浓度Cp。
4.如之前所述任ー权利要求的分析系统(10)，其中在初始制备阶段通过以通用稀释溶液(SDU)稀释原始样品(A，A-1, A-2，..A-n)以最小化对应的基体效应而制备待分析的所述样品(Al)。
5.如权利要求1的分析系统(10)，其中所述对应数据处理系统(40)进而包括: -本地工作站(42)，其直接连接到所述特定检测装置(30)以接收所述特定检测装置(30)检测到的被分析的所述样品(Al)中存在的目标分析物([x]，[y]，[z])的所述定量数据(Q)，以及 -远程计算单元(43)，包含特定计算程序(44，PROSAD算法)， 其中所述工作站(42)将由所述特定检测装置(30)检测的在被分析的所述样品(Al)中存在的所述目标分析物的所述定量数据(Q)传送给所述远程计算单元(43)， 其中与所述远程计算单元(43)关联的所述特定计算程序(44，PR0SAD算法)从所述特定检测装置(30)检测到的所述定量数据(Q)并同时考虑包含在所述数据库(41)中的所述修正数据(K，C，K1)来确定在所述样品上进行的所述分析的结果(R)，即被分析的所述样品中存在的所述目标分析物([X]，[y]，[z])的所述定量数据，以及 其中所述本地工作工作站(42)从所述远程计算单元(43)接收并向操作者显示所述结果(R)，该结果(R)由所述特定计算程序(44，PROSAD算法)确定并指示被分析的所述样品中存在的所述目标分析物([X]，[y]，[z])的量。
6.如权利要求4的分析系统(10)，其中所述数据处理系统(40)还能够执行设计为增加并扩展所述数据处理系统(40)的功能的给定机器学习算法。
7.ー种用于样品(A，A-l，A-2，..A-n)的定量化学分析的特别地用于医学目的方法，包括以下阶段: -提供用于定量检测待分析的样品中存在的目标分析物([x]，[y]，[z])的特定检测仪器或装置(30)， -在所述样品的实际定量分析之前，初歩限定包含用于校准所述特定检测装置(30)的仪器响应的数据及修正和/或控制系数(K，C)的数据库(41)， -通过在考虑包含在所述数据库(41)中的所述数据及修正和/或控制系数(K，C，Kl)的同时处理所述特定检测装置(30，33)检测到的被分析的所述样品(A，Al)中的所述目标分析物的定量数据(Q)，来确定所述样品的所述分析的结果(R)，即在每个被分析的样品(A, Al)中存在的所述目标分析物([X]，[y]，[z])的最終定量数据(R)， 其中初歩限定所述数据库(41)的阶段包括以下阶段: -通过所述数据库(41)获取由以下公式定义的第一修正和/或控制系数(K):
K = 10 / I,其中K为所述第一修正和/或控制系数，10是对应于给定校准物质的理论信号，且I是通过借助用于分析样品的所述特定检测装置来采样及定量分析所述校准物质而获得的信号， 由此，由所述数据库(41)获得的所述第一修正和/或控制系数K是用于分析所述样品的所述特定检测装置的类型和型号的特性， 以及还包括以下阶段: -通过所述数据库(41)获得由以下公式定义的第二修正和/或控制系数(C):
C = V* (K*Ix),或 C = V* [Ix* (I。/ I)], 其中C是所述第二修正和/或控制系数，V是所用检测装置(30，33)的特定仪器变量，并且Ix是通过采用所述检测装置(30，33)检测所述样品中待定量的所述目标分析物的商业标准品的定量数据而获得的信号， 由此由所述数据库(41)获得的所述第二修正和/或控制系数C是用于分析所述样品的所述特定检测装置(30，33)以及被分析的所述样品(A，A-1, A-2，..A_n)中待定量的所述特定目标分析物([X]，[y], [z])两者的特性。
8.如权利要求7的用于样品的定量化学分析的方法，还包括通过以通用稀释溶液(SDU)稀释原始样品(A，A-l，A-2，..A-n)以最小化对应的基体效应来制备待定量分析的所述样品的阶段。
【文档编号】H01J49/00GK103563043SQ201280016514
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2012年3月29日 优先权日:2011年3月31日
【发明者】马泰奥·弗洛里迪亚, 西莫内·克里斯托尼 申请人:马泰奥·弗洛里迪亚, 西莫内·克里斯托尼