新領域：探索先進的離子遷移質譜的潛力

作者：Daniel DeBord | 2024年6月3日

發現離子遷移質譜（IM-MS）的最新創新如何提升蛋白質組學、生物制藥等領域的分析敏感性、準確性和速度。

離子遷移質譜（IM-MS）技術的首個原型儀器在60多年前被開發出來，近20年前開始商業化。然而，該技術并未像其他分離科學技術那樣迅速獲得廣泛接受，這一情況正在發生變化。IM-MS 正被探索用于多種領域，包括環境分析、藥物開發、組學研究和法醫學。這項技術正在快速發展，帶來了廣泛重要應用的可能性，這些應用在其他分離技術中并未得到很好服務。

IM-MS的最新進展

過去5到10年中，IM-MS領域取得了顯著增長，這得益于新技術的引入和IM-MS在各種應用中的顯著性能提升。傳統上，離子遷移與質譜的結合被視為一種解決特定問題的創新技術，但卻妨礙了許多標準的質譜分析流程。然而，隨著研究人員展示出最新一代設備克服了早期IM-MS系統的諸多限制，這種看法正在迅速改變。結果表明，離子遷移能夠提高質譜測量的敏感性、速度和準確性。這一點在蛋白質組學領域尤為顯著，Thermo Fisher Scientific的場不對稱離子遷移譜（FAIMS）和Bruker的陷阱離子遷移譜（TIMS）技術展示了顯著的性能提升，使研究人員能夠在一小時內檢測到比十年前沒有離子遷移的系統多出100倍的蛋白質，或使用少100倍的樣品材料進行分析。

如今，公認最強大的質譜系統依賴某種形式的離子遷移來實現終極性能。特別是無損離子操作結構（SLIM）是一種新型離子遷移技術，展示了比其他離子遷移方法更高的分辨率和全范圍分析能力，包括FAIMS和TIMS。SLIM于2021年商業推出，能夠提供5到10倍于其他離子遷移方法的離子遷移峰容量，超過200，相當于30分鐘的液相色譜（LC）分離，但速度快1000倍。最重要的是，這種分辨率和速度性能并沒有犧牲敏感性，因為SLIM提供了幾乎無損的離子傳輸和高占空比操作。這種快速、可調的分離在質譜檢測之前更像一種色譜技術，提供了在新穎和激動人心的方式中利用離子遷移的機會。

探索SLIM技術和HRIM的概念

SLIM是一種用于控制分析系統中離子處理的新方法。它是一種靈活的設計架構，利用印刷電路板技術創建離子光學設備，在約1–4托的中間壓力范圍內捕捉和傳輸離子。具體來說，這是通過在兩個鏡像電路板上打印電極圖案并將這些板以約3毫米的間隙排列來實現的。然后，離子可以在板間傳遞，通過對電極施加電壓，研究人員可以捕捉、分離、積累、重定向、過濾和操縱離子，以創建復雜的離子處理操作。在離子遷移質譜的背景下，SLIM是一種非常強大的框架，用于設計更具成本效益、穩健性和高性能的下一代離子遷移設備。自2014年由太平洋西北國家實驗室（PNNL）的研究人員發明以來，SLIM已與多種類型的質譜儀集成，比任何其他離子遷移技術更多，包括多型號的三重四極桿、Orbitrap、飛行時間和四極桿飛行時間系統。SLIM還因其能夠在電路板上的蛇形路徑中多次無損傳輸離子，進行最高分辨率的離子遷移測量而聞名。

SLIM通過一種稱為行波離子遷移譜的方法實現離子遷移分離，在此方法中，移相波形被應用到電極的重復序列上，產生推動離子通過設備的電場波。板間的殘余氣體分子對離子的運動產生拖曳力，較大的離子經歷更強的阻力。這意味著不同大小或遷移率的離子相對于行波電場的速度不同，穿過SLIM設備分離區所需的時間也不同。典型的SLIM分離在13米的距離內進行，其分辨能力——定義為離子的測量大小與測量峰寬度之比——通常超過250。這種分辨能力指標決定了哪些離子遷移技術能夠提供高分辨率離子遷移（HRIM）測量。HRIM通常定義為分辨能力大于100，目前僅有少數技術能達到這種特異性，包括TIMS、循環TWIMS和SLIM，盡管漂移管離子遷移譜和FAIMS系統在某些限制下也展示了HRIM性能。然而，SLIM是唯一能夠提供全光譜HRIM-MS性能而不需要拼接復合數據掃描的離子遷移技術。

HRIM是一種分離技術，允許我們以一種高度互補于質譜測量原子質量的方式直接探測離子的化學結構。通過HRIM，我們可以生成分子大小、形狀和電荷的并行測量數據，這些數據與其測量的質荷比（以及可能的保留時間指數）結合，創建出高度特異的參數配置文件，可用于識別。HRIM最明顯的應用是對于色譜或質譜維度中未能充分分離的異構體或同位素。HRIM通常可以提供一種正交的方法來解決干擾，并實現更準確的分析物識別和定量。HRIM還可以減少或消除色譜分離，提高碎片分析速度，增強檢測靈敏度，并提供多種其他好處。考慮到離子遷移可以多方面增強質譜測量的方式，將IM-MS有條不紊地應用于現有和新興工作流程，是一個令人興奮的難題，必定會繼續吸引科學家們的探索。

HRIM和SLIM的現有應用

生物制藥行業是技術采用和創新的前沿領域之一。HRIM在藥物產品的表征和開發以及可藥物靶點的發現中展示了顯著的能力。蛋白質和肽類治療藥物的表征特別具有挑戰性，傳統的小分子藥物分析方法通常不適用于這些應用。在許多情況下，快速準確地識別藥物產品至關重要，因為這種分析方法可以部署到開發管道的各個環節，包括其功效、代謝、結構、配方穩定性和作用機制的問題。

環肽是一種特別有趣的應用案例，因為它們代表了大多數現有LC-MS方法的能力缺口。肽類治療藥物可以設計來靶向某些生物途徑，但通常會受到水解或酶解代謝的影響。為了延長藥物在體內的壽命，確保其在降解前到達生物靶點，這些肽通常被環化以最小化分子敏感區域的空間位阻。確保工程產品的正確序列和結構需要一種方法來區分環上不同位置的骨架裂解所形成的不同形式。根據化學定義，這些代謝形式都是同分異構體，僅通過質量分離是不可能生成非嵌合的碎片譜。利用HRIM，通常可以在離子遷移維度上分離這些同分異構體并選擇性地碎片化它們，從而提供明確的識別證據。

在HRIM分析中蓬勃發展的另一個領域是對全氟和多氟烷基物質（PFAS）的分析。這類分子一直是工業和消費品中的首選，包括非粘鍋、牙線和阻燃劑等產品。這些物質常被稱為“永久化學品”，突顯了它們在環境中的穩定性和持久性。最近的發現表明，這些化合物可能對環境和生物產生重大影響，因此需要開發工具來檢測和監測它們。HRIM特別適用于這些分子的分析，因為它們具有高度分支的結構和同分異構體復雜性。SLIM在PFAS分析中的多方面應用包括快速篩選、法醫指紋分析、非靶向分析、血液中的毒理學評估，甚至是生物富集研究。如果沒有特異性來表征各種形式，那么對它們可能對生物過程產生的影響進行表征的努力將會受到嚴重的遮蔽和阻礙。此外，還需要對不同復雜程度的各種環境基質進行敏感和準確的篩查和監測，而沒有HRIM的使用幾乎不可能實現準確的注釋和定量。這種分析挑戰對于這些產品的生產商、試圖對其進行監管的機構以及希望更好地了解它們的行為和影響的研究人員來說都是常見的。

HRIM和SLIM的潛在未來應用

研究人員剛剛觸及了SLIM可以做的事情的表面，因此有許多潛在的應用可以追求。其中一些可能最令人興奮的是多組學分析和無LC工作流程。從多組學開始，人們希望將多種化學類別的檢測整合到一個工作流程中，作為一種快速的、化學不可知的分離技術，HRIM具有巨大的技術優勢。目前的多組學方法通常包括多種高度依賴色譜技術的分析工作流程，這些工作流程必須針對特定的化學品進行調整。然后，利用從這些不同分析配置和運行條件中生成的每個樣品的多個數據文件來創建每個樣品的組合圖像。但是，捕獲肽、蛋白質、DNA、RNA、糖類、脂質組和代謝組數據在一個運行中不是更好嗎？長期以來人們已經了解到，質譜儀對其分析的離子類型是不可分辨的，但是在復雜樣品中存在的可能分析物的數量需要在進行MS分析之前進行分離，以消除檢測模糊性（并增加靈敏度）。HRIM專門設計來解決這個挑戰，通過提供全譜分析，傳輸并分離所有離子以進行后續的MS檢測。當然，從一個共同樣品中產生所有這些類型的離子仍然存在挑戰，但是HRIM提供的增加了類別不可知的特異性肯定會將邊界推向單次多組學表征的最終目標。

HRIM注定會產生重大影響的另一個領域是對不適合于色譜分離的時間、復雜性或健壯性問題的工作流程。已經有許多嘗試通過去除LC來加速和簡化MS工作流程。最近嘗試的簡化MS工作流程的短列表包括Sciex Echo聲波噴射、Agilent RapidFire、Advion Open Port、Bruker/IonSense DART和MassTech AP-MALDI樣品引入系統。這些系統根據注入樣品的復雜性而獲得不同程度的成功。所有這些設備都以適合于HRIM-MS分析的方式運行，HRIM分離帶來的總峰容量的顯著提升肯定會減少嵌合譜，并可能解鎖不需要色譜的復雜樣品分析的新范例。這樣的發展將使這些類型樣品的吞吐量增加10-100倍。結合大數據處理解決方案的增長以及進行人口規模統計分析的需要，這可能是一個真正的游戲改變者。

擴展SLIM和HRIM使用的關鍵挑戰

要實現SLIM和HRIM的廣泛采用，必須不斷克服兩個主要挑戰。第一個挑戰是所有研究人員必須克服的學習曲線，以了解任何新技術如何可以應用于使他們的工作受益。每天我都與那些依賴于LC、MS、NMR、免疫分析或其他技術來支持他們的分析需求的人進行交流，試圖理解他們的應用以及我們如何將SLIM和HRIM的已證明能力轉化為解決他們痛點的方法。放棄過去的做事方式，擁抱新解決方案總是有障礙的。在許多情況下，HRIM提供了一種完全不同的解決問題的方式，包括新的測量原則、不同的數據類型和新穎的參數來優化。例如，在那些花費數十年時間發展的技能和方法中減少對LC的依賴可能是困難的。學習新知識和熟練將其應用于特定的分析問題之前，需要投入一定的學習和努力。只有某些積極進取的個人才愿意付出所需的努力。

另一個需要解決的挑戰領域是將原始數據轉化為答案的過程。雖然這并不是SLIM和HRIM所特有的，但它是一個不斷存在的挑戰，我們正在生成的數據揭示了其他技術無法看到的樣品細節。這意味著我們的數據中有新的峰值，這些峰值在文獻中沒有報道，并且通常沒有純化的標準來確認其身份。為了建立這種知識庫并進行自信的鑒定，研究人員需要從研究者那里獲取解釋和翻譯原始數據的知識。在MOBILion，我們的任務不僅是幫助開發工具來進行測量，還有軟件來幫助研究人員理解數據。這意味著使軟件直觀易用，并從前沿研究中獲取知識來幫助研究人員取得成功。雖然這有時是一項艱巨的任務，但嘗試通過高分辨率離子遷移來革新分離科學絕對是一項值得的挑戰。

Daniel DeBord博士是MOBILion Systems, Inc.的首席技術官。他利用自己15年的開發新型分析儀器的經驗，解決了各種應用領域的挑戰。在過去的10年里，DeBord的工作重點是開發離子遷移技術，包括困擾離子遷移光譜（TIMS）和無損失離子操作結構（SLIM），并探索這些新技術如何與質譜儀器結合使用，以獲得在蛋白質組學和生物制藥表征等領域的更高性能。