新领域：探索先进的离子迁移质谱的潜力

作者：Daniel DeBord | 2024年6月3日

发现离子迁移质谱（IM-MS）的最新创新如何提升蛋白质组学、生物制药等领域的分析敏感性、准确性和速度。

离子迁移质谱（IM-MS）技术的首个原型仪器在60多年前被开发出来，近20年前开始商业化。然而，该技术并未像其他分离科学技术那样迅速获得广泛接受，这一情况正在发生变化。IM-MS 正被探索用于多种领域，包括环境分析、药物开发、组学研究和法医学。这项技术正在快速发展，带来了广泛重要应用的可能性，这些应用在其他分离技术中并未得到很好服务。

IM-MS的最新进展

过去5到10年中，IM-MS领域取得了显著增长，这得益于新技术的引入和IM-MS在各种应用中的显著性能提升。传统上，离子迁移与质谱的结合被视为一种解决特定问题的创新技术，但却妨碍了许多标准的质谱分析流程。然而，随着研究人员展示出最新一代设备克服了早期IM-MS系统的诸多限制，这种看法正在迅速改变。结果表明，离子迁移能够提高质谱测量的敏感性、速度和准确性。这一点在蛋白质组学领域尤为显著，Thermo Fisher Scientific的场不对称离子迁移谱（FAIMS）和Bruker的陷阱离子迁移谱（TIMS）技术展示了显著的性能提升，使研究人员能够在一小时内检测到比十年前没有离子迁移的系统多出100倍的蛋白质，或使用少100倍的样品材料进行分析。

如今，公认最强大的质谱系统依赖某种形式的离子迁移来实现终极性能。特别是无损离子操作结构（SLIM）是一种新型离子迁移技术，展示了比其他离子迁移方法更高的分辨率和全范围分析能力，包括FAIMS和TIMS。SLIM于2021年商业推出，能够提供5到10倍于其他离子迁移方法的离子迁移峰容量，超过200，相当于30分钟的液相色谱（LC）分离，但速度快1000倍。最重要的是，这种分辨率和速度性能并没有牺牲敏感性，因为SLIM提供了几乎无损的离子传输和高占空比操作。这种快速、可调的分离在质谱检测之前更像一种色谱技术，提供了在新颖和激动人心的方式中利用离子迁移的机会。

探索SLIM技术和HRIM的概念

SLIM是一种用于控制分析系统中离子处理的新方法。它是一种灵活的设计架构，利用印刷电路板技术创建离子光学设备，在约1–4托的中间压力范围内捕捉和传输离子。具体来说，这是通过在两个镜像电路板上打印电极图案并将这些板以约3毫米的间隙排列来实现的。然后，离子可以在板间传递，通过对电极施加电压，研究人员可以捕捉、分离、积累、重定向、过滤和操纵离子，以创建复杂的离子处理操作。在离子迁移质谱的背景下，SLIM是一种非常强大的框架，用于设计更具成本效益、稳健性和高性能的下一代离子迁移设备。自2014年由太平洋西北国家实验室（PNNL）的研究人员发明以来，SLIM已与多种类型的质谱仪集成，比任何其他离子迁移技术更多，包括多型号的三重四极杆、Orbitrap、飞行时间和四极杆飞行时间系统。SLIM还因其能够在电路板上的蛇形路径中多次无损传输离子，进行最高分辨率的离子迁移测量而闻名。

SLIM通过一种称为行波离子迁移谱的方法实现离子迁移分离，在此方法中，移相波形被应用到电极的重复序列上，产生推动离子通过设备的电场波。板间的残余气体分子对离子的运动产生拖曳力，较大的离子经历更强的阻力。这意味着不同大小或迁移率的离子相对于行波电场的速度不同，穿过SLIM设备分离区所需的时间也不同。典型的SLIM分离在13米的距离内进行，其分辨能力——定义为离子的测量大小与测量峰宽度之比——通常超过250。这种分辨能力指标决定了哪些离子迁移技术能够提供高分辨率离子迁移（HRIM）测量。HRIM通常定义为分辨能力大于100，目前仅有少数技术能达到这种特异性，包括TIMS、循环TWIMS和SLIM，尽管漂移管离子迁移谱和FAIMS系统在某些限制下也展示了HRIM性能。然而，SLIM是唯一能够提供全光谱HRIM-MS性能而不需要拼接复合数据扫描的离子迁移技术。

HRIM是一种分离技术，允许我们以一种高度互补于质谱测量原子质量的方式直接探测离子的化学结构。通过HRIM，我们可以生成分子大小、形状和电荷的并行测量数据，这些数据与其测量的质荷比（以及可能的保留时间指数）结合，创建出高度特异的参数配置文件，可用于识别。HRIM最明显的应用是对于色谱或质谱维度中未能充分分离的异构体或同位素。HRIM通常可以提供一种正交的方法来解决干扰，并实现更准确的分析物识别和定量。HRIM还可以减少或消除色谱分离，提高碎片分析速度，增强检测灵敏度，并提供多种其他好处。考虑到离子迁移可以多方面增强质谱测量的方式，将IM-MS有条不紊地应用于现有和新兴工作流程，是一个令人兴奋的难题，必定会继续吸引科学家们的探索。

HRIM和SLIM的现有应用

生物制药行业是技术采用和创新的前沿领域之一。HRIM在药物产品的表征和开发以及可药物靶点的发现中展示了显著的能力。蛋白质和肽类治疗药物的表征特别具有挑战性，传统的小分子药物分析方法通常不适用于这些应用。在许多情况下，快速准确地识别药物产品至关重要，因为这种分析方法可以部署到开发管道的各个环节，包括其功效、代谢、结构、配方稳定性和作用机制的问题。

环肽是一种特别有趣的应用案例，因为它们代表了大多数现有LC-MS方法的能力缺口。肽类治疗药物可以设计来靶向某些生物途径，但通常会受到水解或酶解代谢的影响。为了延长药物在体内的寿命，确保其在降解前到达生物靶点，这些肽通常被环化以最小化分子敏感区域的空间位阻。确保工程产品的正确序列和结构需要一种方法来区分环上不同位置的骨架裂解所形成的不同形式。根据化学定义，这些代谢形式都是同分异构体，仅通过质量分离是不可能生成非嵌合的碎片谱。利用HRIM，通常可以在离子迁移维度上分离这些同分异构体并选择性地碎片化它们，从而提供明确的识别证据。

在HRIM分析中蓬勃发展的另一个领域是对全氟和多氟烷基物质（PFAS）的分析。这类分子一直是工业和消费品中的首选，包括非粘锅、牙线和阻燃剂等产品。这些物质常被称为“永久化学品”，突显了它们在环境中的稳定性和持久性。最近的发现表明，这些化合物可能对环境和生物产生重大影响，因此需要开发工具来检测和监测它们。HRIM特别适用于这些分子的分析，因为它们具有高度分支的结构和同分异构体复杂性。SLIM在PFAS分析中的多方面应用包括快速筛选、法医指纹分析、非靶向分析、血液中的毒理学评估，甚至是生物富集研究。如果没有特异性来表征各种形式，那么对它们可能对生物过程产生的影响进行表征的努力将会受到严重的遮蔽和阻碍。此外，还需要对不同复杂程度的各种环境基质进行敏感和准确的筛查和监测，而没有HRIM的使用几乎不可能实现准确的注释和定量。这种分析挑战对于这些产品的生产商、试图对其进行监管的机构以及希望更好地了解它们的行为和影响的研究人员来说都是常见的。

HRIM和SLIM的潜在未来应用

研究人员刚刚触及了SLIM可以做的事情的表面，因此有许多潜在的应用可以追求。其中一些可能最令人兴奋的是多组学分析和无LC工作流程。从多组学开始，人们希望将多种化学类别的检测整合到一个工作流程中，作为一种快速的、化学不可知的分离技术，HRIM具有巨大的技术优势。目前的多组学方法通常包括多种高度依赖色谱技术的分析工作流程，这些工作流程必须针对特定的化学品进行调整。然后，利用从这些不同分析配置和运行条件中生成的每个样品的多个数据文件来创建每个样品的组合图像。但是，捕获肽、蛋白质、DNA、RNA、糖类、脂质组和代谢组数据在一个运行中不是更好吗？长期以来人们已经了解到，质谱仪对其分析的离子类型是不可分辨的，但是在复杂样品中存在的可能分析物的数量需要在进行MS分析之前进行分离，以消除检测模糊性（并增加灵敏度）。HRIM专门设计来解决这个挑战，通过提供全谱分析，传输并分离所有离子以进行后续的MS检测。当然，从一个共同样品中产生所有这些类型的离子仍然存在挑战，但是HRIM提供的增加了类别不可知的特异性肯定会将边界推向单次多组学表征的最终目标。

HRIM注定会产生重大影响的另一个领域是对不适合于色谱分离的时间、复杂性或健壮性问题的工作流程。已经有许多尝试通过去除LC来加速和简化MS工作流程。最近尝试的简化MS工作流程的短列表包括Sciex Echo声波喷射、Agilent RapidFire、Advion Open Port、Bruker/IonSense DART和MassTech AP-MALDI样品引入系统。这些系统根据注入样品的复杂性而获得不同程度的成功。所有这些设备都以适合于HRIM-MS分析的方式运行，HRIM分离带来的总峰容量的显著提升肯定会减少嵌合谱，并可能解锁不需要色谱的复杂样品分析的新范例。这样的发展将使这些类型样品的吞吐量增加10-100倍。结合大数据处理解决方案的增长以及进行人口规模统计分析的需要，这可能是一个真正的游戏改变者。

扩展SLIM和HRIM使用的关键挑战

要实现SLIM和HRIM的广泛采用，必须不断克服两个主要挑战。第一个挑战是所有研究人员必须克服的学习曲线，以了解任何新技术如何可以应用于使他们的工作受益。每天我都与那些依赖于LC、MS、NMR、免疫分析或其他技术来支持他们的分析需求的人进行交流，试图理解他们的应用以及我们如何将SLIM和HRIM的已证明能力转化为解决他们痛点的方法。放弃过去的做事方式，拥抱新解决方案总是有障碍的。在许多情况下，HRIM提供了一种完全不同的解决问题的方式，包括新的测量原则、不同的数据类型和新颖的参数来优化。例如，在那些花费数十年时间发展的技能和方法中减少对LC的依赖可能是困难的。学习新知识和熟练将其应用于特定的分析问题之前，需要投入一定的学习和努力。只有某些积极进取的个人才愿意付出所需的努力。

另一个需要解决的挑战领域是将原始数据转化为答案的过程。虽然这并不是SLIM和HRIM所特有的，但它是一个不断存在的挑战，我们正在生成的数据揭示了其他技术无法看到的样品细节。这意味着我们的数据中有新的峰值，这些峰值在文献中没有报道，并且通常没有纯化的标准来确认其身份。为了建立这种知识库并进行自信的鉴定，研究人员需要从研究者那里获取解释和翻译原始数据的知识。在MOBILion，我们的任务不仅是帮助开发工具来进行测量，还有软件来帮助研究人员理解数据。这意味着使软件直观易用，并从前沿研究中获取知识来帮助研究人员取得成功。虽然这有时是一项艰巨的任务，但尝试通过高分辨率离子迁移来革新分离科学绝对是一项值得的挑战。

Daniel DeBord博士是MOBILion Systems, Inc.的首席技术官。他利用自己15年的开发新型分析仪器的经验，解决了各种应用领域的挑战。在过去的10年里，DeBord的工作重点是开发离子迁移技术，包括困扰离子迁移光谱（TIMS）和无损失离子操作结构（SLIM），并探索这些新技术如何与质谱仪器结合使用，以获得在蛋白质组学和生物制药表征等领域的更高性能。