离子淌度质谱测试新技术

p　　在传统的有机质谱仪中，增加离子淌度这一新的分离和测量因素，从而构成了新的离子淌度质谱(HDMS)系统，它除了按质量和电荷数之外，还可以根据离子的尺寸和形状分析样品，为研究人员提供了传统质谱所不能获取的特异性信息。该技术所获取的4维数据信息，包括保留时间、质荷比、漂移时间和强度。通过软件能够对其中的任意二维或三维信息进行自由选取或可视化处理。/pp　　1、HDMS这种特性非常适合于有关于结构或组成个性差异的研究，如食品中类似蛋白、多肽等大分子化合物以及氨基酸等小分子化合物的研究。因为传统质谱，不论分辨率多高，只能判断其分子量。而对于分子量相同或分子式相同的化合物，无论其结构上存在多大差异，均无法进行区分。而采用HDMS，则能够根据化合物的空间结构上的差异，通过其独有的离子淌度功能对于同分异构体进行区分，且能够同时得到高精确质量信息与不同的离子淌度分离时间信息。/pp　　示例1：由相同氨基酸按照不同顺序组成的两个肽段，其分子组成完全一致。但是由于其空间结构上存在细微的差异，借助于HDMS的离子淌度功能，能够实现对两种肽段同分异构体的分离检测。/pp style="text-align: center "img title="1.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/fb78b6fb-fe03-45a1-8860-c39d172cbe72.jpg"//pp　　示例2：相同质量不同形状的两个同分异构蛋白，在HDMS中按照离子淌度分离，分别得到 A与B两个分离的区域。通过在数据处理软件中分别选取A区域或B区域，能够非常简单快速的获取到各个区域的质谱信息。/pp style="text-align: center "img title="2.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/cb1a4c65-55fd-4f94-915b-ac630f58eb8f.jpg"//pp　　示例3：对于亮氨酸及异亮氨酸这两种氨基酸小分子化合物，HDMS的离子淌度依然能够根据其空间结构上的差异，对两者进行分离。/pp style="text-align: center "img title="3.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/4dac36ba-fbb0-4726-976d-4290caeb74f5.jpg"//pp　　示例4：三种糖苷的同分异构体，由于葡萄糖链接的位置不同，从而造成空间结构上的细微差异。借助于HDMS的离子淌度功能，能够实现对这三种小分子同分异构体的分离。/pp style="text-align: center "img title="4.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/8581bdcc-ac3a-450b-bf5f-79bada1601c7.jpg"//pp　　2、同一物质在带多个电荷时，不同电荷数的离子在离子淌度中能够分布在不同的区域。而相同电荷的离子中如果存在空间构造上的差异，也能够被离子淌度进行分离。/pp　　示例1：蛋白构象研究：在对溶菌素的研究过程中，对于带8个电荷的部分进行深入分析，发现在离子淌度中可以区分为两个部分。经过MS-IMS-(CID)-MS分析发现，离子淌度中两个部分的构象不同。/pp style="text-align: center "img title="5.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/fae00944-3088-49ff-a506-4ecc904902bc.jpg"//pp　　3、对于食品中高分子材料的分析，由于数种高分子混在一起，再加上可能包含不同电荷的离子信息，质谱信号会相当复杂，此时离子淌度可依不同形状大小电荷来进行分离。/pp style="text-align: center "img title="6.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/bf36b24a-dc67-40f7-9546-3c02c058bf53.jpg"//pp　　以上可见，离子淌度质谱测试新技术，为相关的科学研究打开了新的一扇窗，能够给出更多的数据和信息，有利于复杂化合物及其结构与性能的更深探求和认识。/pp /p

离子淌度质谱技术：质谱领域的新维度和新深度　　距离质谱的上一个诺贝尔奖已经过去了20年，但目前的质谱技术并没有超越几十年前的模式，如傅里叶变换离子回旋共振质谱(FTICR-MS)依然具有最高的质量分辨率，飞行时间质谱(TOF-MS)依然具有最快的扫描速度等。质谱领域的革命性工作在于提高分析的精度、维度、广度和通量。近几十年来，离子淌度技术(ion mobility spectrometry，也称“离子迁移谱”)快速发展，离子淌度质谱的联用技术也得到了广泛应用，这使得质谱分析能力从相对简单的质荷比拓展到复杂的三维结构，从简单的异构体区分发展到复杂的构象解析。　　近年来，国家自然科学基金委、科技部及相关部委对离子淌度质谱相关的技术开发和应用工作进行了资助，相应的成果在蛋白质组学、代谢组学、脂质组学、质谱成像分析、生物大分子结构分析、中医药分析、手性化合物分析等领域都得以广泛体现。然而，这些工作中使用的质谱仪器，尤其是同时拥有离子淌度功能的质谱仪器仍以国外企业产品为主，价格也十分昂贵。质谱等高精尖的科学仪器发展一直依赖于各行各业的齐心协力，不仅新的原理创造和技术开发需要重点资助和支持，新的应用场景和技术迭代同样需要各行各业的支持和响应。目前，现场爆炸物检测分析常用的离子淌度谱仪已经广泛实现了国产品牌替代，然而国产离子淌度质谱仪器的研究还基本处于空白。这些都极大地限制了自主性、原创性研究工作的开展，也对新一代质谱仪器的研发提出了更高的要求，特别需要引起国家部委和本土企业的极大关注和重视。　　本专辑汇集了国内离子淌度质谱研究一线人员的工作，从多个方面展现了我国离子淌度质谱研究的现状，其中共收录了13篇论文，包括了新型离子迁移谱的理论技术，如基于离子阱技术和FTICR-MS的离子淌度分析、用于行波离子迁移谱的关键电源技术、基于离子淌度质谱技术的离子光谱研究等，还包括了离子淌度质谱技术的应用，如碰撞截面积的测量、小分子代谢物分析、糖类异构体分离、蛋白质的立体修饰、环境对蛋白结构的影响和糖基化蛋白分析等工作。专辑中的综述性工作和研究报告从不同的维度和角度反映了国内外离子淌度质谱研究的新进展，也提炼出了多个具有潜力的发展方向。　　回首过去的几十年，国内质谱技术的发展一直在奋力追赶，在离子源、离子传输、分离、检测等各个领域都逐渐崭露头角。路漫漫其修远兮，时光流逝，希望下一个十年能看到高端国产离子淌度质谱技术在各个领域的身影。　　本文内容源自《质谱学报》2022年第五期Vol.43，本期执行主编为中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心研究员朱正江、湖南大学教授博士生导师岳磊。　doi:10.7538/zpxb.2022.3000

p style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "strongspan style="text-indent: 2em "仪器信息网讯/span/strongspan style="text-indent: 2em " 离子淌度（ion mobility，IM），又称离子迁移率，为离子在施加电场和惰性气体所形成的屏障腔体内进行迁移。在离子迁移过程中，离子所带电荷数越多、分子量越小以及结构越密集，则其穿越屏障的能力越大，因此其迁移速度越快。相较之下，分子量较大或结构较松散的离子，因具有较大碰撞截面积，所以与惰性气体的碰撞次数较多而导致迁移速度慢。因此，strong离子会在迁移过程中因不同价态、离子大小与结构不同而造成分离/strong。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "span style="text-indent: 2em "离子迁移谱（Ion Mobility Spectrometry,IMS）在20世纪60年代末至70年代初由Cohen和Karasek提出并逐步发展起来的一种微量化学物质检测技术，特别适合于一些挥发性和半挥发性有机化合物的痕量检测，如化学战剂、毒品、爆炸物、大气污染物等，在机场安检、环境监测、工业生产等领域均有应用，/spanstrong style="text-indent: 2em "但由于当时人们对大气压下电离特性了解较少，加之离子迁移谱分辨率低且不能提供分子质量信息，该技术并未得到非常广泛的应用推广。/strongbr//pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "20 世纪70 年代，随着商品化离子淌度质谱( Ion mobility spectrometry mass spectrometry，IMMS) 的问世，不同类型的质量分析器，包括飞行时间质谱、四极杆质谱(QMS) 、傅立叶变换离子回旋共振质谱( FTICＲMS) 等均有与离子迁移谱联用的应用报道。strong离子淌度质谱技术既突破了离子迁移谱独立使用的局限性，又大大拓展了质谱的性能和应用范围。/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "20世纪80年代末，strong随着MALDI（基质辅助激光解吸电离）和ESI（点喷雾离子电离）为代表的各种软电离方法应用以来，使得离子淌度质谱在化合物异构体分离即生物大分子分析方面得到飞速发展。/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "离子迁移谱按照分离机理可分为迁移管离子迁移谱( Drift tube ion mobility spectrometry，strongDTIMS/strong) 、行波离子迁移谱( Travelling wave ion mobility spectrometry，strongTWIMS/strong) 、场不对称波形离子迁移谱( Field asymmetric waveform ion mobility spectrometry，strongFAIMS)/strong 、呼吸式离子迁移谱( Aspiration ion mobilityspectrometry，strongAIMS/strong) 以及捕集离子淌度（Trapped Ion Mobility Spectrometry,strongTIMS/strong）等。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "离子淌度质谱是离子迁移谱与质谱的联用，与单独使用质谱相比，strong通常安装于质谱仪内部并置于质量分析器前端，可根据所搭配的质谱仪条件而设计。/strong质量分析器可采用四极质量分析器或飞行时间质量分析器，由于四极分析器扫描离子费时较长，现在IMMS分析器多维飞行时间质谱（TOF-MS）。仪器中漂移管部分通以缓冲气体，质量分析器部分采用高真空，二者之间配以由锥体和离子透镜组成的接口。由于离子在漂移管中通过的时间为毫秒级，在飞行时间中通过的时间为微秒级，在下一组分到来前有充足的时间求得离子的质量数。有时为了获得更多的离子信息，可在漂移管前和（或）后串联使用几种质量分析器，如离子阱或四极杆等。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "strong由于离子淌度依照离子所带电荷数、大小以及结构而分离，因此可以在同一张质谱信号图中，进一步区分出生物分子的种类，如脂质、多肽与碳水化合物或手性异构体的分离。因此，液相色谱-离子淌度质谱/质谱可达到四个分离维度。/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "一些质谱制造商都推出了各自的商品化离子淌度质谱，所采用的离子淌度技术也各不相同，本文将对部分商品技术进行盘点，以飨读者。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong行波离子迁移谱 TWIMS/strong/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "沃特世公司从2001年开始研发淌度质谱，从最初的线性离子淌度（Linear Field IMS）到2003年的行波离子淌度质谱（T-Wave IMS），而后在2006年成功推出了全球第一台商业化的淌度质谱SYNAPT HDMS。/pp style="text-align: center"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 338px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202008/uepic/8c3c5d25-b66d-4054-bdb9-93f1114fc60d.jpg" title="沃特世离子淌度质谱发展历程.jpg" alt="沃特世离子淌度质谱发展历程.jpg" width="600" height="338" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "span style="text-align: justify text-indent: 2em "Waters的T-Wave 基本结构是一组固定在印刷电路板上的环形电极，相邻环形电极上加载射频（RF）电压和直流电压。其基本工作原理是离子在非均均匀、可移动的电场和脉冲电压的推动下穿过中性缓冲气体。RF电压使离子在极板间震荡，而直流脉冲电压推动离子向下一组电极移动。通过选择合适的电压和脉冲周期即可实现调整离子的通过时间。迁移率越大的离子越早通过。离子的运动过程中，离子会与中性缓冲气体相互作用/碰撞，从而减慢离子推动速度，最终具有不同大小、形状、电荷及质量的离子以不同的速率迁移。T-Wave相比于其他离子淌度结构，其气压更低。为了获得离子淌度的高分辨力，要提高缓冲气体的气压和脉冲驱动电压，其专门设计了helium-filled entry cell（ Helium Gate），以避免离子直接进入较高气压的漂移区时发生碰撞碎裂。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "span style="text-align: justify text-indent: 2em "/span/pp style="text-align: center"a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_109248.html" target="_blank"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 370px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202008/uepic/5eb6e621-a03f-4d20-86a4-79102c940ed5.jpg" title="最早推出离子淌度质谱的产品-waters.png" alt="最早推出离子淌度质谱的产品-waters.png" width="600" height="370" border="0" vspace="0"//a/pp style="text-align: center text-indent: 2em line-height: 1.75em "span style="text-indent: 2em "图片来源（a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_109248.html" target="_blank"https://www.instrument.com.cn/webinar/video_109248.html/a）/span/pp style="text-indent: 2em line-height: 1.75em "span style="text-indent: 2em "/span/pp style="text-align: center"a href="https://www.instrument.com.cn/netshow/C179779.htm" target="_blank"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202008/uepic/277a729c-dd6b-41fb-9826-aba9a51a6054.jpg" title="SYN.jpg" alt="SYN.jpg"//a/pp style="text-indent: 2em line-height: 1.75em text-align: center "a href="https://www.instrument.com.cn/netshow/C179779.htm" target="_blank"strongWaters SYNAPT G2-Si 质谱（点击了解）span style="text-indent: 2em "/span/strong/abr//pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "2019年ASMS上，Waters发布了环形淌度 SELECT SERIES Cyclic IMS仪器，以环形结构延长了漂移区有效长度，增强分离效果与离子存储能力。/pp style="text-align: center"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 424px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202008/uepic/3ab93d81-cb45-4ca1-a2cc-1216b12d393c.jpg" title="waters cyclic.png" alt="waters cyclic.png" width="600" height="424" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "SELECT SERIES Cyclic IMS 与 T-wave 一脉相承，镀金电极阵列固定于PCB板上，环形结构提供了高分辨率( 400)，配合预阵列存储装置可实现类似于模拟移动床(SMB)色谱的操作方式，选择性地排出部分离子，对剩余离子做更进一步的分离。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "strong迁移管离子迁移谱DTIMS/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em " span style="text-indent: 2em "安捷伦使用的是经典的DTIMS结构离子淌度，其中搭载了离子漏斗技术，工作原理如下图，入口离子漏斗聚焦，进入收集器，累积一定量离子后，向漂移管注入离子。离子依次通过漂移管，进入出口离子漏斗，再次聚焦，进入后级四极杆质量选择器。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "span style="text-indent: 2em "/span/pp style="text-align: center"a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_109248.html" target="_blank"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 403px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202008/uepic/c9f0a9eb-99dd-4390-b96a-80636215e78e.jpg" title="安捷伦6560技术.png" alt="安捷伦6560技术.png" width="600" height="403" border="0" vspace="0"//a/pp style="text-align: center text-indent: 2em line-height: 1.75em "a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_109248.html" target="_blank"图片来源（https://www.instrument.com.cn/webinar/video_109248.html）/aspan style="text-indent: 2em "/spanbr//pp style="text-align: center"a href="https://www.instrument.com.cn/netshow/C212425.htm" target="_blank"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202008/uepic/c56a3598-72fa-4e51-88dd-5df9f88871cf.jpg" title="安捷伦6560.jpg" alt="安捷伦6560.jpg"//a/pp style="text-align: center text-indent: 2em line-height: 1.75em "a href="https://www.instrument.com.cn/netshow/C212425.htm" target="_blank"strongAgilent 6560 离子淌度四极杆飞行时间液质联用系统 (点击了解) /strong /a /pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "strongspan style="text-indent: 2em "场不对称波形离子迁移谱 /spanspan style="text-indent: 2em "FAIMS/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "该系列包括赛默飞、Sciex，FAIMS 工作原理是基于强电场下离子淌度的非线性，且这种非线性关系与离子的性质相关。低电场条件下，离子的迁移率几乎不随电场强度变化。但当电场强度增大到一定程度 (约11000 V· cm-1)后，离子的迁移率与电场强度的关系就会呈现非线性相关。span style="text-indent: 2em "FAIMS工作时，离子在气流的携带下水平移动，在两块极板上加上两组电压：周期不对称方波 DV和补偿电压 CV。DV 是周期性的高电压、低电压交替。由于高电压和低电压所对应的迁移率不同，离子会呈现锯齿状轨迹，且每个周期都会有一小段垂直方向上位移。在此基础之上，若叠加固定的补偿电压CV，则满足特定差分迁移率（strong高场下迁移率与低场下迁移率的差值，因此 FAIMS 也叫差分离子淌度/strong）的离子能够平稳的飞过电场，其他离子则会撞到极板上，这就实现了离子选择。若随时间改变CV即可实现对不同离子的扫描，电压范围一般为-50V~10V。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "2011年ASMS期间，SCIEX推出SelexION 技术，即离子淌度差分质谱分离技术（Differential Mobility Spectrometry,DMS）,是一个基于平面设计的系统，离子淌度池由两个平行的金属板组成，并可以形成离子迁移场区，离子通过气体流被引入质谱系统。该离子淌度池位于Q0和锥孔之间，在大气压条件下运行，具有串联质谱的所有扫描方式，而且引入化学修饰剂。/pp style="text-align: center"a href="https://www.instrument.com.cn/netshow/SH100243/C326650.htm" target="_blank"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202008/uepic/8ddb6f20-0302-42cf-aa22-4b7fe8e48e8c.jpg" title="6500.jpg" alt="6500.jpg"//a/pp style="text-align: center "a href="https://www.instrument.com.cn/netshow/SH100243/C326650.htm" target="_blank"SCIEX Triple Quad 6500+（点击了解）/a/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202008/uepic/18e8abc8-cea6-4414-b4a0-1611e8539c2a.jpg" title="SCIEX.png" alt="SCIEX.png"//pp style="text-align: center "span style="text-align: justify text-indent: 2em "DMS系统的离子通路/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em " span style="text-indent: 2em "赛默飞的结构采用了Dome electrode。离子在电场的驱动下绕过中心圆柱电极。类似于平板电极，这种绕柱方式可去除中性污染物，提高质谱灵敏度。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "span style="text-indent: 2em "/span/pp style="text-align: center"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 263px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202008/uepic/1c86c4fb-93bd-4242-b4ad-eff7358ce331.jpg" title="赛默飞FAIMS.png" alt="赛默飞FAIMS.png" width="600" height="263" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "span style="text-indent: 2em "ASMS 2019 赛默飞发布了 Orbitrap Exploris 和 Orbitrap Eclipse 来取代原本的QE和Fusion系列平台，也都搭载 FAIMS 离子淌度。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "span style="text-indent: 2em "br//span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "span style="text-indent: 2em "/span/pp style="text-align: center"a href="https://www.instrument.com.cn/netshow/C333158.htm" target="_blank"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202008/uepic/f7f6fe80-26b8-4b48-a239-043bb607f3d5.jpg" title="赛默飞480.jpg" alt="赛默飞480.jpg"//a/pp style="text-align: center text-indent: 2em line-height: 1.75em "span style="text-indent: 2em text-align: center "赛默飞Orbitrap Exploris 480 高分辨质谱仪（点击了解）/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "strong捕集离子淌度TIMS/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "TIMS 技术是布鲁克的专利。其工作原理为气流携带离子进入逆向梯度电场，若气流速度与离子的迁移速率相等则离子相对于漂移管静止，即不同离子依其淌度差异，分布在不同电场强度的位置。离子截面越大，离子淌度越小，维持静止所需的电场强度越高，即稳定在高场区域。此时若逐渐降低电压，即实现扫描。/pp style="text-align: center"a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_109248.html" target="_blank"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 274px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202008/uepic/6af7eae6-cb8c-4628-9bfc-83a595c60046.jpg" title="bruker IMS.png" alt="bruker IMS.png" width="600" height="274" border="0" vspace="0"//a/pp style="text-align: center "a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_109248.html" target="_blank"span style="text-align: justify text-indent: 2em "图片来源（https://www.instrument.com.cn/webinar/video_109248.html）/span/a/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em " /pp style="text-align: center"a href="https://www.instrument.com.cn/netshow/C194696.htm" target="_blank"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 300px height: 300px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202008/uepic/6ba73462-aea9-48cc-9535-fc2d4e39c815.jpg" title="布鲁克.jpg" alt="布鲁克.jpg" width="300" height="300" border="0" vspace="0"//a/pp style="text-align: center "a href="https://www.instrument.com.cn/netshow/C194696.htm" target="_blank"布鲁克timsTOF捕集离子淌度质谱仪（点击了解）/a/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "参考文献： /pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "[1] 王海龙，魏开华,离子淌度质谱及其理论研究进展./pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "[2] 王玉娜,孟宪双,刘丽娟,离子淌度质谱技术及其应用研究进展./pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em "[3] 立春波,AB SCIEX离子淌度差分质谱技术SelexION——极限提高质谱鉴别能力/pp style="text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em " /ppbr//p