這五家質譜企業各有千秋 離子淌度質譜技術發展回顧

儀器信息網訊 離子淌度（ion mobility，IM），又稱離子遷移率，為離子在施加電場和惰性氣體所形成的屏障腔體內進行遷移。在離子遷移過程中，離子所帶電荷數越多、分子量越小以及結構越密集，則其穿越屏障的能力越大，因此其遷移速度越快。相較之下，分子量較大或結構較鬆散的離子，因具有較大碰撞截面積，所以與惰性氣體的碰撞次數較多而導致遷移速度慢。因此，離子會在遷移過程中因不同價態、離子大小與結構不同而造成分離。

離子遷移譜（Ion Mobility Spectrometry,IMS）在20世紀60年代末至70年代初由Cohen和Karasek提出並逐步發展起來的一種微量化學物質檢測技術，特別適合於一些揮發性和半揮發性有機化合物的痕量檢測，如化學戰劑、毒品、爆炸物、大氣汙染物等，在機場安檢、環境監測、工業生產等領域均有應用，但由於當時人們對大氣壓下電離特性了解較少，加之離子遷移譜解析度低且不能提供分子質量信息，該技術並未得到非常廣泛的應用推廣。

20 世紀70 年代，隨著商品化離子淌度質譜( Ion mobility spectrometry mass spectrometry，IMMS) 的問世，不同類型的質量分析器，包括飛行時間質譜、四極杆質譜(QMS) 、傅立葉變換離子迴旋共振質譜( FTICＲMS) 等均有與離子遷移譜聯用的應用報導。離子淌度質譜技術既突破了離子遷移譜獨立使用的局限性，又大大拓展了質譜的性能和應用範圍。

20世紀80年代末，隨著MALDI（基質輔助雷射解吸電離）和ESI（點噴霧離子電離）為代表的各種軟電離方法應用以來，使得離子淌度質譜在化合物異構體分離即生物大分子分析方面得到飛速發展。

離子遷移譜按照分離機理可分為遷移管離子遷移譜( Drift tube ion mobility spectrometry，DTIMS) 、行波離子遷移譜( Travelling wave ion mobility spectrometry，TWIMS) 、場不對稱波形離子遷移譜( Field asymmetric waveform ion mobility spectrometry，FAIMS) 、呼吸式離子遷移譜( Aspiration ion mobilityspectrometry，AIMS) 以及捕集離子淌度（Trapped Ion Mobility Spectrometry,TIMS）等。

離子淌度質譜是離子遷移譜與質譜的聯用，與單獨使用質譜相比，通常安裝於質譜儀內部並置於質量分析器前端，可根據所搭配的質譜儀條件而設計。質量分析器可採用四極質量分析器或飛行時間質量分析器，由於四極分析器掃描離子費時較長，現在IMMS分析器多維飛行時間質譜（TOF-MS）。儀器中漂移管部分通以緩衝氣體，質量分析器部分採用高真空，二者之間配以由錐體和離子透鏡組成的接口。由於離子在漂移管中通過的時間為毫秒級，在飛行時間中通過的時間為微秒級，在下一組分到來前有充足的時間求得離子的質量數。有時為了獲得更多的離子信息，可在漂移管前和（或）後串聯使用幾種質量分析器，如離子阱或四極杆等。

由於離子淌度依照離子所帶電荷數、大小以及結構而分離，因此可以在同一張質譜信號圖中，進一步區分出生物分子的種類，如脂質、多肽與碳水化合物或手性異構體的分離。因此，液相色譜-離子淌度質譜/質譜可達到四個分離維度。

一些質譜製造商都推出了各自的商品化離子淌度質譜，所採用的離子淌度技術也各不相同，本文將對部分商品技術進行盤點，以饗讀者。

行波離子遷移譜 TWIMS

沃特世公司從2001年開始研發淌度質譜，從最初的線性離子淌度（Linear Field IMS）到2003年的行波離子淌度質譜（T-Wave IMS），而後在2006年成功推出了全球第一臺商業化的淌度質譜SYNAPT HDMS。

Waters的T-Wave 基本結構是一組固定在印刷電路板上的環形電極，相鄰環形電極上加載射頻（RF）電壓和直流電壓。其基本工作原理是離子在非均均勻、可移動的電場和脈衝電壓的推動下穿過中性緩衝氣體。RF電壓使離子在極板間震蕩，而直流脈衝電壓推動離子向下一組電極移動。通過選擇合適的電壓和脈衝周期即可實現調整離子的通過時間。遷移率越大的離子越早通過。離子的運動過程中，離子會與中性緩衝氣體相互作用/碰撞，從而減慢離子推動速度，最終具有不同大小、形狀、電荷及質量的離子以不同的速率遷移。T-Wave相比於其他離子淌度結構，其氣壓更低。為了獲得離子淌度的高分辨力，要提高緩衝氣體的氣壓和脈衝驅動電壓，其專門設計了helium-filled entry cell（ Helium Gate），以避免離子直接進入較高氣壓的漂移區時發生碰撞碎裂。

圖片來源（https://www.instrument.com.cn/webinar/video_109248.html）

Waters SYNAPT G2-Si 質譜（點擊了解）

2019年ASMS上，Waters發布了環形淌度 SELECT SERIES Cyclic IMS儀器，以環形結構延長了漂移區有效長度，增強分離效果與離子存儲能力。

SELECT SERIES Cyclic IMS 與 T-wave 一脈相承，鍍金電極陣列固定於PCB板上，環形結構提供了高解析度(>400)，配合預陣列存儲裝置可實現類似於模擬移動床(SMB)色譜的操作方式，選擇性地排出部分離子，對剩餘離子做更進一步的分離。

遷移管離子遷移譜DTIMS

 安捷倫使用的是經典的DTIMS結構離子淌度，其中搭載了離子漏鬥技術，工作原理如下圖，入口離子漏鬥聚焦，進入收集器，累積一定量離子後，向漂移管注入離子。離子依次通過漂移管，進入出口離子漏鬥，再次聚焦，進入後級四極杆質量選擇器。

圖片來源（https://www.instrument.com.cn/webinar/video_109248.html）

Agilent 6560 離子淌度四極杆飛行時間液質聯用系統 (點擊了解)                     

場不對稱波形離子遷移譜 FAIMS

該系列包括賽默飛、Sciex，FAIMS 工作原理是基於強電場下離子淌度的非線性，且這種非線性關係與離子的性質相關。低電場條件下，離子的遷移率幾乎不隨電場強度變化。但當電場強度增大到一定程度 (約11000 V·cm-1)後，離子的遷移率與電場強度的關係就會呈現非線性相關。FAIMS工作時，離子在氣流的攜帶下水平移動，在兩塊極板上加上兩組電壓：周期不對稱方波 DV和補償電壓 CV。DV 是周期性的高電壓、低電壓交替。由於高電壓和低電壓所對應的遷移率不同，離子會呈現鋸齒狀軌跡，且每個周期都會有一小段垂直方向上位移。在此基礎之上，若疊加固定的補償電壓CV，則滿足特定差分遷移率（高場下遷移率與低場下遷移率的差值，因此 FAIMS 也叫差分離子淌度）的離子能夠平穩的飛過電場，其他離子則會撞到極板上，這就實現了離子選擇。若隨時間改變CV即可實現對不同離子的掃描，電壓範圍一般為-50V~10V。

2011年ASMS期間，SCIEX推出SelexION 技術，即離子淌度差分質譜分離技術（Differential Mobility Spectrometry,DMS）,是一個基於平面設計的系統，離子淌度池由兩個平行的金屬板組成，並可以形成離子遷移場區，離子通過氣體流被引入質譜系統。該離子淌度池位於Q0和錐孔之間，在大氣壓條件下運行，具有串聯質譜的所有掃描方式，而且引入化學修飾劑。

SCIEX Triple Quad 6500+（點擊了解）

DMS系統的離子通路

 賽默飛的結構採用了Dome electrode。離子在電場的驅動下繞過中心圓柱電極。類似於平板電極，這種繞柱方式可去除中性汙染物，提高質譜靈敏度。

ASMS 2019 賽默飛發布了 Orbitrap Exploris 和 Orbitrap Eclipse 來取代原本的QE和Fusion系列平臺，也都搭載 FAIMS 離子淌度。

賽默飛Orbitrap Exploris 480 高分辨質譜儀（點擊了解）

捕集離子淌度TIMS

TIMS 技術是布魯克的專利。其工作原理為氣流攜帶離子進入逆向梯度電場，若氣流速度與離子的遷移速率相等則離子相對於漂移管靜止，即不同離子依其淌度差異，分布在不同電場強度的位置。離子截面越大，離子淌度越小，維持靜止所需的電場強度越高，即穩定在高場區域。此時若逐漸降低電壓，即實現掃描。

圖片來源（https://www.instrument.com.cn/webinar/video_109248.html）

 

布魯克timsTOF捕集離子淌度質譜儀（點擊了解）

參考文獻：   

[1] 王海龍，魏開華,離子淌度質譜及其理論研究進展.

[2] 王玉娜,孟憲雙,劉麗娟,離子淌度質譜技術及其應用研究進展.

[3] 立春波,AB SCIEX離子淌度差分質譜技術SelexION——極限提高質譜鑑別能力