行波离子迁移谱技术及应用研究进展

第 29 卷第 3 期分析测试技术与仪器Volume 29 Number 3 2023年9月ANALYSIS AND TESTING TECHNOLOGY AND INSTRUMENTS Sep. 2023
综述(231 ~ 244)
行波离子迁移谱技术及应用研究进展
潘慢慢1, 2 ，李　杭2 ，徐一仟1, 2 ，杨其穆1, 2 ，蒋丹丹2 ，王卫国2 ，陈　创2, 3 ，李海洋2（1. 中国科学院大学，北京　100049；2. 中国科学院大连化学物理研究所，辽宁大连　116023；
3. 国民核生化灾害防护国家重点实验室，北京　102205）
摘要：离子迁移谱（ion mobility spectrometry，IMS）是利用离子迁移率K（离子碰撞截面）差异来实现不同离子的分离与测定，具有分析速度快、检测灵敏度高的优点，其与质谱联用在蛋白质组学、代谢组学、医药等领域已获得了广泛的应用. 随着分析对象复杂性的增加，对IMS的分辨能力也提出了更高要求. 行波离子迁移谱（travelling wave ion mobility spectrometry，TWIMS）采用时域连续的行波电场实现离子传输与分离，其分析通道的长度不受行波电压幅值的限制，理论上可以无限延长离子分析通道来提高分辨能力. 目前，TWIMS的分辨率最高可达
1 860，对于分析存在多种同分异构体的复杂样品别具优势. 对TWIMS的原理及分辨能力的影响因素进行了介绍，
进一步探讨了不同结构TWIMS仪器的特点、性能和应用，对TWIMS未来发展方向进行了展望.
关键词：离子碰撞截面；行波离子迁移谱；循环式离子迁移谱；无损离子操纵结构；离子淌度质谱
中图分类号：O657. 63 文献标志码：A 文章编号：1006-3757（2023）03-0231-14
DOI：10.16495/j.1006-3757.2023.03.001
Advancement of Traveling Wave Ion Mobility Spectrometry and
Its Application
PAN Manman1, 2， LI Hang2， XU Yiqian1, 2， YANG Qimu1, 2， JIANG Dandan2，
WANG Weiguo2， CHEN Chuang2, 3， LI Haiyang2
（1. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；2. Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, Liaoning China；3. State Key Laboratory of NBC Protection for
Civilian, Beijing 102205, China）
Abstract：Ion mobility spectrometry (IMS) utilizes the difference in ion mobility K (collision cross section) to realize the separation and determination of different ions, which has the advantages of fast analysis speed and high sensitivity. And it coupling with mass spectrometry (IM-MS) was widely used in the fields of proteomics, metabolomics, medicine, etc.
With the increasing complexity of the analyzed objects, higher demands are put on the resolution of the IMS. Traveling wave ion mobility spectrometry (TWIMS) uses a time-domain continuous traveling wave electric field to realize ion transport and separation. The analytical path length of the TWIMS is not limited by the amplitude of the travelling wave
收稿日期：2023−05−24；　修订日期：2023−07−13.
基金项目：国家自然科学基金项目（Nos. 22027804, 21974141），国民核生化灾害防护国家重点实验室科研基金项目（SKLNBC2021-16），大连化物所创新研究基金项目（DICP I202141）[Natural Science Foundation of China (Nos.
22027804, 21974141), State Key Laboratory of NBC Protection for Civilian (SKLNBC2021-16), Dalian Institute of Chemical Physics (DICP I202141)]
作者简介：潘慢慢（1998−），女，博士研究生，主要从事质谱分析工作，E-mail：
通信作者：陈创（1984−），男，博士，《分析测试技术与仪器》青年编委，主要从事质谱分析工作，E-mail：
；李海洋（1964−），男，博士，《分析测试技术与仪器》编委，主要从事质谱分析工作，E-mail：.
voltage, theoretically the path can be extended indefinitely to improve the resolution. Currently, the resolution of TWIMS can reach up to 1 860, which is advantageous for the analysis of complex samples with the multiple isomers. The principle of TWIMS and the influencing factors of resolution were introduced, the characteristics, performance and applications of TWIMS instruments with different structures were further discussed, and finally the future development directions of TWIMS were prospected.
Key words：collision cross section；travelling wave ion mobility spectrometry；cyclic ion mobility spectrometry；structure for lossless ion manipulation；ion mobility-mass spectrometry
离子迁移谱（ion mobility spectrometry，IMS）是
利用电场驱动气相离子在中性气体中迁移从而实
现不同迁移率离子分离和识别的一种技术[1]. IMS
能够灵敏检测pg或ng/L量级的目标物，并且具有
ms级单谱图分析速度、适用于发展便携式仪器等
优点，被广泛应用于化学战剂监测、爆炸物检测等
领域. IMS与质谱（mass spectrometry，MS）的联用结
合了IMS灵敏、快速、能提供离子结构信息和MS
提供精确质量信息的特点，在食品安全、医药和生
物分析等领域得到了迅速发展[2-6].
在低电场条件下（E/N<2 Td），离子在中性气体
中的迁移速度V d与电场强度E成正比，比例系数
即为离子迁移率K，其关系如式（1）：
根据Revercomb等[7]对电场作用下气相离子
的运动进行的研究，离子迁移率K与碰撞截面
（collision cross section，CCS）满足式（2）：
其中，z是电荷数，e是单位电荷，N是中性气体的分
子数密度，µ是离子和中性气体分子的约化质量，k
是玻尔兹曼常数，T eff是有效温度，α为修正因子，
Ω
D (T
eff
)是离子的碰撞截面（即CCS），与离子的大小
和形状有关，直接反映离子的结构信息. 因此IMS 可以区分MS无法分辨的同分异构体，离子的CCS 差异越小，要求IMS的分辨率越高.
根据分离方式的不同，IMS可以分为迁移时间离子迁移谱（DTIMS）、非对称场离子迁移谱（FAIMS/DMS）、行波离子迁移谱（TWIMS）、阱离子迁移谱（TIMS）等，通过提高电场强度或延长离子迁移路径，可以提高IMS的分辨率[8]. 对于DTIMS 而言，延长路径的同时需要提高电压，由于空气击穿电压的限制，依靠延长路径提高分辨率非常有限.而与DTIMS依靠直流电场驱动离子不同，TWIMS 依靠沿迁移区轴向移动的脉冲电压驱动离子，电压幅值不随迁移路径的延长而增大，理论上可以无限延长迁移路径而不受电压的限制. 正是由于这一特性，TWIMS的分辨率目前已经超过1 860，成为目前超高分辨IMS-MS技术的主流[9]. 不同类型IMS 技术对比如表1所列.
本文首先介绍TWIMS的原理及分辨能力的影响因素，进一步探讨不同结构TWIMS仪器的特点、性能和应用，最后对TWIMS未来发展方向进行展望.
1　TWIMS原理
1.1　TWIMS分离原理
2004年，Giles等[14]首次将行波应用于环形电极堆栈离子导向器，提出一种使用行波进行离子迁
表 1 不同IMS技术对比
Table 1　Comparison of different IMS
IMS技术工作气压[10]分离场CCS测量最高分辨率/(Ω/ΔΩ)联用技术
迁移时间离子迁移谱
（DTIMS）266 Pa~大气压强直流电场直接测量250[11]IMS-MS, GC (gas
chromatography)-IMS等
非对称场离子迁移谱
（FAIMS/DMS）
大气压强非对称射频电场无法测量Null GC-DMS, DMS-MS等
行波场离子迁移谱（TWIMS）~533 Pa方波直流电场需经校准 1 860[9]
550[12]
TWIMS-MS
阱离子迁移谱（TIMS）~400 Pa气流场结合直流电场需经校准400[13]TIMS-MS
232分析测试技术与仪器第 29 卷
移率分离的新模式，如图1所示. 通过在相邻电极环依次施加脉冲电压产生行波电场，离子在波前位置时，电场驱动离子轴向前进，而离子处于波后位置时，电场驱使离子反向运动，造成运动轨迹折返，即翻滚事件[图1（a）（c）]. 迁移率K较大的离子随波迁移能力强，发生翻滚的次数少，所需总迁移时间较短. 而迁移率K较小的离子随波迁移能力弱，发生翻滚的次数多，所需总迁移时间较长. 如此，不同迁移率离子即可分离. 当离子迁移率K足够大时，离子可以随波作“冲浪”运动[图1（b）].
ion trajectory ring electrode(d)
stacked-ring ion
guide
time
ring
electrode
ions travelling wave
voltage pulse
(a)
(b)
(c)
图1　行波场中离子（a）（c）翻滚事件和（b）“冲浪”行为的SIMION轨迹模拟，（d）行波场的产生[14] Fig. 1　SIMION simulation showing ions (a) (c) roll over wave and (b) surf wave, (d) generation of travelling wave[14]
此后数年，尽管TWIMS仪器和相关应用快速
发展，但对于其分离原理的认识仍停留在定性阶段，
影响离子传输时间和分辨率的因素没有得到深入
研究. 直到2008年，Shvartsburg等[15]构建了简化
的TWIMS数值分析模型，不考虑离子的速度弛豫、
扩散和射频产生的聚焦场，使用推导和离子动力学
模拟对迁移时间和分辨率进行预测，并与实际结果
进行比较.
定义c为行波前最大场强处（E max）的离子漂移
速度和波速（s）的比值，如式（3）所列：
以波长为b的三角波为例，其任一位置的电场
E都相同，即E=E
max . 当c≥1，即KE
max
≥s时，离子
在波前的运动速度与波速相同，因此离子表现为随着行波一起运动，迁移时间t即为迁移管长L除以行波波速s.
当c<1，即KE max<s时，由于离子的翻滚事件，造成迁移率分离. 离子在波前和波后的运动时间分别为t F和t B，其公式如式（4）（5）所列：
由于t F>t B，离子每被一个三角波超越，在轴向会产生向前的净位移d，如式（6
）：
v
离子的平均运动速度为式（7）：
对于长度为L的迁移管，离子迁移时间t为式（8
）：对于形状更复杂的行波如半正弦波，在满足
KE
max
<<s时，有相似结论，即：
从公式（9）可以看出，与DTIMS不同，TWIMS 中离子迁移速度与离子迁移率和电场强度并非线性关系，无法直接用迁移时间t计算CCS，需要使用结构相似的标准物进行校准方程的拟合，然后将待测物的迁移时间代入校准方程计算出CCS.
2018年，Richardson等[16]进一步拓展了TWIMS 的理论，推导出平滑移动的正弦行波驱动下离子迁移时间的表达式，不经校准可直接测量CCS. 然而，动力学推导仍被限制在轴向，没有考虑高场下的离子加热，且实际设备中行波并非是平滑移动的，关于TWIMS的理论仍然需要科研工作者继续探索.
第 3 期潘慢慢，等：行波离子迁移谱技术及应用研究进展233
1.2　TWIMS分辨率的影响因素
在离子迁移与扩散相互独立的前提下，不考虑库伦斥力，对于三角波而言，扩散控制分辨率R TW 为式（10）：
其中，E与行波波幅U的关系为E=2U/b. 因此，在保证c<1适用于所有离子的前提下，可以通过提高行波波幅或减小波长以提高电场强度、延长路径来提高分辨率，这是TWIMS仪器设计改进的理论依据.
而对于DTIMS，扩散控制分辨率R DT为式（11
）：
提高电场强度和延长路径，同样可以提高DTIMS的分辨率. 然而，DTIMS的电场是通过在迁移管两端施加电压差形成的，越长的迁移路径，意味着越大的电压差，过高的电压会引起放电. 不同与DTIMS，TWIMS的电场是在电极单元的单个或多个电极上循环施加脉冲电压形成的行波电场，脉冲电压幅值与迁移路径总长度无关. 因此，通过延长路径提高分辨率不受电压限制.2　TWIMS的仪器进展
TWIMS于2004年出现后，经过近二十年的发展，目前的仪器按照结构主要分为三类：第一类是Waters公司早期开发的环形电极堆栈结构（stacked ring ion guide，SRIG）的TWIMS，第二类是Waters 公司于2019年推出的循环离子迁移谱（cyclic ion mobility， cIM），第三类是基于无损离子操纵结构（structures for lossless ion manipulations，SLIM）的TW-SLIM. 下面将介绍它们的结构特点、性能以及应用.
2.1　环形电极堆栈结构
2006年，Waters推出首款基于SRIG的TWIM-Q-ToF-MS（TWIM-quadrupole-time of flight-MS）系统，即Synapt HDMS[17].如图2（b）所示，Synapt HDMS包括三个施加行波和射频限制的SRIG（即TriWave结构），依次为trap、IM和transfer，其中IM的结构如图2（a）所示. trap用于离子积累，然后将离子团簇释放到IM离子导向器中进行迁移率分离，transfer用于将分离后的离子传送到ToF-MS中进行质荷比分析.
(a)
side
plate
gas in
ion transmission aperture
ring electrodes
printed
circuit
boards
end
plate
analyte spray
(b)
lockspray
baffle
lockmass
reference spray
T-wave
ion guide
quadrupole
dre lens
trap
gate
IMS transfer
einzel
lens transfer
lenses
pusher
reflectron
air-cooled turbomolecular pumps
oil-free
scroll pump
isolation valve
and removable
sample cone
detector
2 mm
diameter
aperture
图2　（a）第一代行波离子迁移管[14]，（b）Synapt HDMS示意图[18]
Fig. 2　(a) First generation TWIM separator[14], (b) schematic diagram of Synapt HDMS system[18]
根据分辨率影响因素的理论基础，Waters公司于2009年对行波离子迁移管进行改进，推出了Synapt G2 HDMS. 相比第一代TWIM，Synapt G2的改进如图3所示，增加电极环的数目以延长迁移路径，脉冲电压施加到4个电极环上，比原来两个电极环时平均场强提高了约20%，行波幅值从30 V 提高到40 V，进一步提高了电场强度[19]. 由于低电场条件的限制，在提高行波幅值的同时，需要提高气压以避免离子热化. 因此，在IM前增加了一个充满氦气的腔室以平衡N2的压强，将工作气压从50 Pa提升到了300 Pa. 试验结果显示，Synapt G2将SDGRG和GRGDS两种反序小肽离子的分辨率提
234分析测试技术与仪器第 29 卷
高了近4倍，达到了45.
在之后几年，Waters 公司又相继推出了Synapt G2-S 、Synapt G2-Si 和Vion 等产品，在分辨率、灵敏度和配套软件等方面均有所提升[20]
.
由于技术成熟、商品化程度高， SRIG 的IMS-MS 系统在蛋白质组学[21-22]
、脂质组学[23-24]
、代谢组
学[25-26]、医药
[27-29]
等领域得到了广泛应用. Hale
等
[21]
使用液体萃取表面技术（LESA ）结合TWIM-
MS 对小鼠肾脏组织切片的蛋白质进行质谱成像分析，将蛋白质结构与组织特征进行关联. 其中，TWIMS 提供内源蛋白质的空间、构象和质量信息，以及计算检测到的蛋白质或蛋白质复合物的碰撞截面. 此外，按到达时间过滤质荷比（m/z ）维度中的离子信号，增加低强度信号来提高信噪比，进一步提高离子图像的特异性. Zang 等
[25]
使用流动注射
法（flow injection ，FI ）结合TWIM-MS 对61名前列
腺癌患者和42名对照者的血清提取物进行非靶向代谢分析，将质量数、CCS 值和裂解模式与标准物或数据库进行匹配，鉴定出特征代谢物. 使用监督多元分类方法，将前列腺癌患者样本与对照样本区分开来，具有良好的准确性（88.3%~89.3%）、敏感性（88.5%~90.2%）和特异性（88.1%），展示了FI-TWIM-MS 作为用于代谢组学研究的高通量分析工具的潜力. 与超高效液相色谱（ultra-performance liquid chromatography ，UPLC ）联用后，UPLC-TWIM-MS 的多维分离能力在复杂中药成分中已知、未知化合物及其异构体的发现和鉴定上有巨大的应用前景，对中药的质量评价和解释作用机制有重要意义，已成功应用于龟龄集[27]
、桔梗[28]
、丹芝片
[29]
等中药.
此外，TWIM 有助于在Q-ToF-MS 仪器上实现电子转移解离功能（electron transfer dissociation ，ETD ）[30]
. ETD 是一种自由基驱动的裂解技术，与碰
Synapt
stacked ring ion guide
nitrogen
ions in ions
in ions out ions out nitrogen out nitrogen out
nitrogen out
max. field 25 V/cm (10 V applied)
~90% of applied v oltage
max. field 21 V/cm (10 V applied)
~60% of applied v oltage
(b)
(c)
4 repeat pattern
6 repeat
pattern
(a)
helium out
T-wave IMS cell
T-wave IMS cell
helium cell
helium
Synapt G2
stacked ring ion guide
nitrogen
图3　Synapt HDMS 和Synapt G2 HDMS 的（a ）IM 腔室，行波电压（b ）施加方式和（c ）重复模式对比图
[19]
Fig. 3　Comparison of (a) IM cells, (b) applied voltage and (c) repeat pattern of travelling wave between
Synapt HDMS and Synapt G2 HDMS
[19]
第 3 期
潘慢慢，等：行波离子迁移谱技术及应用研究进展
235
撞诱导解离（collision induced dissociation，CID）互补，在N-Cα键裂解后产生一系列c和z离子，对于蛋白质翻译后修饰的识别和定位非常有价值[31]. 在Synapt系统中，trap用于捕获辉光放电产生的阴离子，从而实现与进入的阳离子的气相反应. 改变行波的速度，可以精细地控制阴离子/阳离子相互作用的水平，从而控制ETD碎片的水平[32]. 结合电喷雾电离，TWIM-MS成为肽和蛋白质的测序和结构分析的有力工具.
2012年，Waters基于SRIG开发出了Stepwave 技术，用于大气压离子源（如ESI）的离子传输[33]. 通过缺口处相对平行排列且内径不同的两个SRIG之间的施加电势差，实现离子的离轴传输和聚焦，而通过去除气体分子和未电离的中性分子，提高信噪比和灵敏度.
2.2　循环离子迁移谱结构
尽管TWIMS通过延长路径提高分辨率不受电压限制，但仍受到仪器体积的制约. 为了解决上述问题，2014年Giles等[34]提出一种循环离子迁移谱，即Cyclic Ion Mobility（如图4所示）. cIM包括主体[图4（b]与MS系统的主离子光轴相交的接口区域[图4（c）]两个部分，路径长度共计98 cm，可以取代传统线性TWIM单元，嵌入到Synapt G2-Si系统中[图4（a）][12, 35]. 主体部分由印刷电路板支撑，电极结构如图4（d）所示. 相邻的cIM电极上同时施加反相的射频（2.5 MHz，300 V p-p）和行波脉冲（最大波幅45 V，波速300~1 000 m/s），射频形成的赝势阱提供z方向的限制，行波驱动离子进行迁移率分离.侧板上的repeller电极上施加高于行波波幅的直流电压（60 V），提供x方向的限制. cIM主体部分的电极形成了一个5 cm×0.5 cm的矩形离子通道，离子容量比孔径0.5 cm的线性TWIM高10倍[35]. z方向的窄电极间距，可以最大程度的减少“赛道效应”，即外圈的离子比内圈的离子迁移路径更长引起峰展宽. 接口区域是cIM的关键部分，需要在离子进入、射出和迁移率分离三种功能之间切换，且对离子传输率和分辨率不能有显著影响. Giles等[35]设计出阵列电极结构，将其分为两组，分别施加x方向[图4（e）]、y方向[图4（f）]的行波，从而实现功能切换. 此外，阵列电极结构允许cIM在多通道模式和旁道模式进行切换，在旁道模式下，离子不经过cIM的主体部分，不进行迁移率分离.
cIM前后均连接传统线性TWIM，可以实现离子的注入、喷射、存储、激活. 将其与cIM的功能进行组合，可以实现IMS n（多级IMS）功能. IMS n可以选择将cIM中的特定迁移率范围的离子喷射出去，剩余的离子继续执行迁移率分离，重复这一过程将持续减小分析范围. 该功能可以避免在多通道试验中，较大迁移率离子超过较小迁移率离子产生的“套圈”现象. IMS n激活是指将特定迁移率的离子喷射回前级TWIM，其余离子被喷射到ToF中以去除，前级TWIM中的离子经过碰撞诱导激活/解离后重新注入cIM进行迁移率分离，再将分离后的离子喷射到ToF进行检测或者继续进行IMS n分析.
√
6
初代cIM系统对松三糖和棉子糖的分析结果显示，6次循环后分辨率达到139，约为单次通过分辨率的倍，且相比于单次通过离子损失小于15%[34]. 2017年，第二代cIM系统问世，SDGRG和GRGDS两种反序肽离子经过50次循环后，分辨率超过500，实现了超高分辨离子迁移谱的一项巨大进步[12]. 2019年，Waters公司推出了商品化仪器Select Series cyclic IMS.
Sisley等[36]使用LESA-QcIM-MS分析小鼠大脑和大鼠肾脏组织中的蛋白质，在cIM前通过四极杆隔离将m/z检测范围缩小到870~920（即QcIM）以避免“套圈”现象，1、2和3次通过后分别检测到24、37和54种蛋白质，充分体现了多通道cIM 的高分辨率在复杂生物样品检测上的优势.
Eldrid等[37]研究了cIM中气相蛋白质离子的稳定性，并且利用IMS n结合碰撞诱导展开（CIU）探索了+7细胞色素C（CytC）离子的展开行为（如图5所示）. 结果显示在与迁移率分离兼容的时间尺度上（几百毫秒），蛋白质可以很大程度保留其天然和多聚体状态. 对已激活的+7 CytC离子的不同到达时间范围的切片分别进行IMS n激活，探索了不同构象之间的转化现象以及展开顺序，展现了cIM在研究蛋白质动力学、稳定性和展开行为的应用潜力. 2021年，Eilrid等[38]将此方法命名为slice-CA（碰撞激活，collision activation），并研究了一种由胰岛β细胞产生的与Ⅱ型糖尿病有关的激素hIAPP，揭示了hIAPP解离前构象之间的相互转换.
除了生物样品，cIM在石油组学上也获得了应用[39-40]. 石油作为最复杂的混合物之一，存在大量的
236分析测试技术与仪器第 29 卷
同分异构体和同量异位素，对IM-MS 的分辨率要求很高. Ruger 等
[40]
证明，在多次通过后，QcIM-MS
可以更深入地了解瓦斯油中异构体的分布，并且消除同量异位素的干扰，结合碰撞诱导解离技术，可以分离多环芳烃和杂环化合物.
2.3　无损离子操纵结构
2014年，Garimella 等人提出了无损离子操纵
结构（SLIM ）[41-44]
. SLIM 由一对蚀刻了条状电极的
平行印刷线路板组成，通过在电极上施加电压产生静电场、射频电场和驱动电场，可以实现离子无损传输、迁移率分离、选择性离子捕获和积累等复杂操作
[45-46]
. SLIM 分为基于直流（DC ）的DC-SLIM 和
基于行波（TW ）的TW-SLIM ，由于DC-SLIM 的分辨率有限，TW-SLIM 更受青睐.
TW-SLIM 通常由6列射频电极和5列行波电极以及两边的保护电极组成（如图6所示），与cIM 相似，相邻两列射频电极上施加反相射频提供纵向限制，保护电极上施加直流电势提供横向限制，行波电极上施加行波驱动离子进行迁移率分离. 射频电极与行波电极间隔分布，既简化了电源，又保证离子束缚的有效性[47]
. 由于印刷线路板工艺成熟，SLIM 具有加工方便、组装灵活、成本低廉的优点，结合TWIMS 电压不随迁移路径延长而增大的特点，目前TW-SLIM 已经实现了商品化[9]
.
ESI
stepwave
IG
quad
trap
IG
He
cyclic IMS
pre-array store post-array store IG array
reflectron
repeller
cIM electrode
0.5 cm
5 cm
repeller
PCBs (d)
y
x
PCBs
cIM electrodes
(b)
(c)
(e)
(f)
array PCB
entrance
array electrodes
cIM electrodes
exit
repeller
z
x y
z
x y
z
x y
entrance
z
x
transfer
W
detector
pusher
(a)图4　cIM 的结构示意图
[35]
（a ）cIM 平台概览，（b ）cIM 设备，（c ）包含阵列电极结构的离子注入/喷射区域，（d ）cIM 电极结构，
（e ）离子注入/喷射模式下行波方向为x 或-x ，（f ）分离模式下行波方向为y
Fig. 4　Schematic diagram of structure of cIM
[35]
(a) overview of cIM plateform, (b) cIM device, (c) ion entry/exit region, consisting of array electrodes, (d) structure of cIM
electrodes, (e) ion injection/ejection mode, array TWs applied in x (or -x ) direction,
(f) separation mode, array TWs applied in y -direction
第 3 期
潘慢慢，等：行波离子迁移谱技术及应用研究进展
237
2.3.1　多圈循环式TW-SLIM
为了在相对紧凑的空间尽可能的实现路径的
延长，Hamid 等[48]
将90°转弯结构应用在TW-
SLIM 上，在有16个90°转弯结构的TW-SLIM 模块上，离子传输效率接近100%且分辨率没有显著损失. 在此基础上，Deng 等
[49]
开发出了分析通道长
13 m 的蛇形路径TW-SLIM[图7（a ）]，并且对气压、板间距、行波和射频等参数进行了优化，单峰分辨率达到46，峰容量和峰生成率分别为246和370 s −1
，实现了异构糖LNFP i 和LNFP ii 的基线分离. 目前，MOBILion Systems 公司已经将其集成到MS 系统中，完成了仪器的商品化，即MOBIE. 2021年，Wormwood Moser 等
[50]
结合流动注射分析，使用
MOBIE 原型机分析了野生型小鼠半脑的脑提取物，仅需2 min 即可实现神经节苷脂的定量和高选择性测量，比传统的LC-MS 更加快速、高通量，且无需色谱样品制备步骤.
在13 m 蛇形路径的基础上，结合动态开关结构，Smith 等人提出了多圈循环式TW-SLIM [图7（b ）]
[9, 43]
. 离子经过40次多圈飞行后，分析路径长度超过500 m ，分离能力达到1 860，并且可以实现基本无损的离子传输. 在初步应用中，9次通过后，低聚糖LNnH 新的构象特征首次被清楚地区分（如图8所示）. 与cIM 相似，多圈循环式TW-SLIM 也存在离子飞行“套圈”现象并导致迁移率分析窗口受限. TW-SLIM 可以利用出口处的动态开关结构，摒弃一部分离子，避免“套圈”现象，简化分析结果.
异构体的存在使得分析生物样品和其他复杂混合物具有挑战性，多圈循环式TW-SLIM 的超高分辨率在分析结构差异极小的异构体上有巨大优势[51]
. Nagy 等
[52]
将α-环糊精用作手性主体，通过对
环糊精与氨基酸分子形成的主客体非共价复合物进行高分辨的迁移率分离，实现了D -和L -对映体氨基酸混合物的快速检测. 此外，多圈循环式TW-SLIM 在聚糖、蛋白质等生物分子的异构体的分离和鉴定都得到了应用
[53-54]
.
然而，超长飞行路径不可避免的伴随着离子团
Relative intensity
V oltage/V
16~17 ms slice
full ATD
(a)(b)
A r r i v a l t i m e /m s 1.015
20253035400.500
20406080100
V oltage/V
19~20 ms slice
(c)
20406080100
V oltage/V
23~24 ms slice (d)
20406080100
V oltage/V
26~27 ms slice (e)
20406080100
Int
1.0
0.5
α
βγδα
β
γ
δ
ε
ζ
图5　激活的+7 CytC 离子的（a ）到达时间分布，（b ）16~17 ms 、（c ）19~20 ms 、（d ）23~24 ms 和（e ）26~27 ms 切片的CIU 指
纹，α、β、γ、δ、ε和ζ表示离子种群
[37]
Fig. 5　(a) Arrival time distribution of activated +7 CytC ion, and CIU fingerprints for slices (b) 16~17 ms, (c) 19~20 ms,
(d) 23~24 ms, (e) 26~27 ms, populations labeled as α, β, γ, δ, ε and ζ
[37]
RF
guard
guard
TW
TW
TW
TW
TW
1
2
34
567
81
2
34
567
8
图6　TW-SLIM 的电极结构
[47]
Fig. 6　Structure of electrodes in TW-SLIM
[47]
(a)
(b)
TW
RF
guard
switch ON
switch OFF
MS
entrance
g u a r d
图7　（a ）13 m 长的蛇形TW-SLIM [49]
，（b ）循环蛇形路径
TW-SLIM 和动态离子开关
[9]
Fig. 7　(a) 13 m serpentine path length TW-SLIM [49]
,(b) serpentine ultralong path with extended routing TW-SLIM and dynamic ion switch
[9]
238
分析测试技术与仪器
第 29 卷
扩散导致的峰展宽、信噪比低、灵敏度降低等缺陷.为了解决这一问题，Garimella 等
[55]
提出了一种时空
操纵气相离子群的方法，即压缩比离子迁移率程序（compression ratio ion mobility programming ，CRIMP ），利用断续前进的行波，将迁移率分离中的离子分布折叠成更紧密的离子包. 与使用离子漏斗进行富集相比，CRIMP 显著提高了肽的检测限，灵敏度提高了100倍以上[56]
. 具有高灵敏度、高分离能力的多通道蛇形TW-SLIM 与MS 的耦合，对于解决蛋白质组学、代谢组学等长期存在的低丰度、异构混合物的挑战具有重大意义[57]
.
2.3.2　并行分析TW-SLIM
长迁移率分离时间（秒级）与有限的离子积累时
间（毫秒级）的结合导致长路径TW-SLIM 存在占空比低、离子利用率低的缺点. 为了提高离子利用率，增加离子捕获区域的大小、in-SLIM 离子积累、多路复用策略等方法被相继提出，然而这些方法受到空间电荷容量、检测器的饱和点等限制[58-59]
. 2022
年，Deng 等
[60]
开发出一种新的并行分析TW-SLIM ，
占空比达100%，分辨率达到150，并和三重四极质
谱仪（QQQ ）联用，用于靶向定量分析.
并行分析TW-SLIM 由入口、开关板载积累区域（SOBA ）、两条平行离子路径和出口部分组成，每条离子路径包括一个30 cm 的预过滤区域、离子开关、离子检测器、板载积累区域（OBA ）和一条集成了多个迁移率过滤门的4.8 m 的蛇形路径SLIM （如图9所示）. SOBA 处积累的离子可以进入任一路径的预过滤区域，经过低分辨的迁移率分离后通过离子开关将无需检测的离子传输到离子检测器，目标离子进入OBA 区域进行富集，再通过离子门注入到后面的长蛇形路径中进行迁移率分离.
通过将SOBA 积累的离子多次注入到同一路径以及在两条路径分别同时进行离子积累和迁移率分离，并行分析TW-SLIM 的占空比大大提高，8次注入后利血平离子的占空比达100%，多种标准分析物的实际离子利用效率约为80%. 预过滤对目标离子靶向富集，增加了OBA 区域的目标离子容量，提高灵敏度，结合蛇形路径中的多个过滤门进一步去除干扰离子，大大提高了信噪比. 在过滤模式下，SLIM-QQQ 比QQQ 对醛固酮和可的松的灵
Drift time/s
0.129
00.132
0.1350.1380.1410.144
1
LNnH
(a)LNH
LNH
β-D-Gal-(1→3)-β-D-GlcNAc-(1→3)-[β-D-Gal-(1→4)-β-D-GlcNAc-(1→6)]-β-D-Gal-(1→4)-D-Glc
β-D-Gal-(1→4)-β-D-GlcNAc-(1→3)-[β-D-Gal-(1→4)-β-D-GlcNAc-(1→6)]-β-D-Gal-(1→4)-D-Glc
OH OH OH OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH OH
NHAc
OH AcHN
HO
HO
HO
HO
HO
O O O
O
O
O O O O
O O OH OH OH OH
OH
OH
OH
OH
OH OH
OH
OH
NHAc
OH AcHN
HO
HO
HO
HO
HO
O O O
O
O
O O
O O
O O
Drift time/s
1.12
0 1.14 1.16
1.18 1.20 1.22 1.24
1
LNnH
LNnH
(b)
LNH
图8　（a ）1次和（b ）9次通过后获得的乳-N -六糖和乳-N -新六糖的迁移率分离结果
[9]
Fig. 8　IM-MS separation of sugar isomers lacto-N -hexaose and lacto-N -neohexaose obtained at (a) 1 pass and (b) 9 passes
[9]
第 3 期
潘慢慢，等：行波离子迁移谱技术及应用研究进展
239。