張根偉 楊杰 楊其穆 徐一仟 蔣丹丹 王衛(wèi)國 陳創(chuàng)*1,

1（國民核生化災(zāi)害防護國家重點實驗室， 北京 102205）2（中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所， 儀器分析化學(xué)研究室， 大連 116023）

離子遷移譜（Ion mobility spectrometry，IMS）是基于電場E作用下離子在中性氣體中遷移速度vd的差異實現(xiàn)不同離子的分離與檢測[1]。離子遷移速度vd與電場強度E的比值為離子遷移率K=vd/E，由氣體數(shù)密度N、離子電荷量q、離子質(zhì)量m以及離子碰撞截面（Collisional cross section，CCS）等參數(shù)共同決定[2]，如公式（1）。這與質(zhì)譜（Mass spectrometry，MS）依據(jù)質(zhì)荷比（m/z）差異實現(xiàn)離子分離與檢測不同，也使得IMS可在較寬的氣壓范圍（1～760 Torr，1 Torr ≈133.322 Pa）內(nèi)工作。

IMS可在ms 量級完成離子分析周期，并可與電離效率較高的大氣壓化學(xué)電離源聯(lián)用，檢出限可低至pptv（10–9）量級[3]?；诖耍琁MS 被廣泛用于痕量炸藥、毒品、化學(xué)戰(zhàn)劑及工業(yè)危化品的現(xiàn)場快速檢測[4-5]。近年來，得益于IMS 與MS 分離的正交性以及離子遷移率K與離子結(jié)構(gòu)信息的直接相關(guān)性，IMS也被廣泛用作MS 的前級分離手段，并在生物樣品分析中發(fā)揮了重要作用[6-7]。一方面，IMS 非常適合與色譜和質(zhì)譜等技術(shù)串級聯(lián)用，構(gòu)筑多維分離體系[8-9]，實現(xiàn)復(fù)雜基質(zhì)樣品中分析物的高選擇性檢測；另一方面，IMS 通過離子遷移率K能夠解析離子構(gòu)象信息，從而區(qū)分蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、聚糖以及藥物等大分子的異構(gòu)體[10-11]。

根據(jù)分離方式的差異，IMS可分為遷移時間離子遷移譜（Drift tube IMS，DTIMS）[12]、行波離子遷移譜（Travelling wave IMS，TWIMS）[13]、高場不對稱波形離子遷移譜（Field asymmetric IMS，F(xiàn)AIMS）[14]和捕集離子遷移譜（Trapped IMS，TIMS）[15]等多種類型。不同種類的離子遷移譜-質(zhì)譜聯(lián)用（Ion mobility-mass spectrometry，IM-MS）技術(shù)在解決復(fù)雜樣品分析過程中所面臨的難題方面都發(fā)揮了各自獨特的優(yōu)勢，其對比結(jié)果見表1[16-29]。

表1 與質(zhì)譜（MS）聯(lián)用的典型離子遷移譜技術(shù)對比Table 1 Comparison of typical ion mobility techniques coupling with mass spectrometry (MS)

TIMS 是近年新出現(xiàn)的一種具有超高分辨能力的IMS技術(shù)，可在長度約為5 cm 的離子分析通道內(nèi)實現(xiàn)分辨力R＞300（R=K/ΔK或R=CCS/ΔCCS），并且具有離子富集存儲功能[6]。TIMS 最早由Park 于2008 年報道[30]，隨后出現(xiàn)了并行富集/分析[31]、串級分離[32]、門控選通[33]和選擇性富集[34]等多種TIMS結(jié)構(gòu)和操控方法?；谶@些技術(shù)，Bruker 公司從2016 年起相繼推出多款商品化TIMS-MS 儀器，促進了TIMS 在生物、環(huán)境、能源和醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用[28,35-37]。

本文對TIMS技術(shù)及其應(yīng)用的最新進展進行了評述，介紹了TIMS工作原理及離子遷移率K標定策略，分析了TIMS工作參數(shù)對其分辨能力的影響以及優(yōu)缺點等，討論了不同結(jié)構(gòu)和操作方式的TIMS 與MS聯(lián)用在生物樣品分析中的應(yīng)用及存在的問題，最后，對TIMS 未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 捕集離子遷移譜

1.1 儀器結(jié)構(gòu)及工作原理

TIMS 與DTIMS 均利用直流電場驅(qū)動離子在中性氣體中遷移以實現(xiàn)不同離子的分離，離子穿越中性氣體的距離越長，其分辨能力越高[38]。其中，DTIMS 內(nèi)部充滿近似靜止的氣體，電場驅(qū)動離子從遷移區(qū)的一端遷移至另一端。與之相反，TIMS 利用直流電場驅(qū)使離子在高速氣流中保持位置靜止，實現(xiàn)離子在中性氣體中超長等效距離遷移。這種方式使得TIMS可在小尺寸離子分析通道內(nèi)實現(xiàn)超高分辨。TIMS的工作氣壓為1～5 Torr，同時需要射頻約束離子徑向運動[38]。

基于印刷電路板工藝的TIMS[15,39]主要包括離子偏轉(zhuǎn)電極、前級漏斗、離子分析通道和后級漏斗（圖1A）[31]。其中，離子偏轉(zhuǎn)電極、前級漏斗和離子分析通道置于氣壓為P1的腔室中，后級漏斗置于氣壓為P2的腔室中。調(diào)控P1＞P2，可于離子分析通道內(nèi)形成層流狀和高速流速（Vg＞100 m/s），高效載運離子前行[40]。離子分析通道內(nèi)還設(shè)置有方向與氣流相反、強度隨軸線位置變化的直流電場梯度（Electric field gradient,EFG）[41]。如圖1B 所示，EFG 輪廓包括上升區(qū)、平臺區(qū)和下降區(qū)[31]。在高速氣流與EFG的對向作用下，進入TIMS 離子分析通道的離子先后經(jīng)歷離子富集、離子存儲和離子洗脫3 個階段，完成離子分離，并向檢測極傳輸?；谠摻Y(jié)構(gòu)和工作方式的TIMS 也被稱為順序分析TIMS[31,38]。

圖1 捕集離子遷移譜結(jié)構(gòu)圖示意圖（A）及工作時序（B）[31]Fig.1 Schematic diagram (A) and working sequence (B) of TIMS[31]

離子富集階段（10～100 ms）， 離子傳輸毛細管輸出的離子經(jīng)前級漏斗連續(xù)傳輸至TIMS 離子分析通道內(nèi)。當電場驅(qū)動離子的遷移速度與氣流速度達到平衡時，即Vg=KE，離子停止運動。由于離子分析通道內(nèi)氣體流速Vg恒定，在EFG 上升區(qū)的作用下，遷移率K不同的離子會靜止在離子分析通道軸線的不同位置上，實現(xiàn)連續(xù)捕獲富集和預(yù)分離。

離子存儲階段（2～5 ms），離子傳輸毛細管輸出的離子被偏轉(zhuǎn)并湮滅在離子偏轉(zhuǎn)電極上，無法進入TIMS 離子分析通道。離子分析通道內(nèi)遷移率K不同的離子團被壓縮至各自的平衡位置，軸向分布變窄。遷移率K越小，離子平衡位置越靠近EFG 平臺區(qū)。EFG 平臺區(qū)的電場強度Emax決定了TIMS可分析離子的最小遷移率Kmin，即Kmin=Vg/Emax。

離子洗脫階段（100～200 ms）， 離子偏轉(zhuǎn)電極阻止離子經(jīng)前級漏斗進入TIMS 離子分析通道。EFG 平臺區(qū)的電場強度按預(yù)設(shè)的電場掃描速度β從Emax緩慢降低至不同的洗脫電場Eelute，離子分析通道內(nèi)的離子按照遷移率K從小到大的順序依次失去受力平衡，被洗脫進入后級離子檢測極，得到信號強度對應(yīng)離子洗脫時間的譜圖。其中，離子洗脫時間telute由Emax、β和K共同決定，如公式（2）所示。

1.2 離子遷移率K標定

理論上，TIMS可以直接計算目標離子遷移率K，如公式（2）所示。實際應(yīng)用中，EFG 平臺區(qū)的Emax和氣體速度Vg均難以直接測量[42]。另外，TIMS 與MS 聯(lián)用時，實驗得到的離子出峰時間tTIMS包括離子洗脫時間telute、離子穿過EFG 平臺區(qū)的時間tp、離子穿過EFG 下降區(qū)的時間tf和離子在MS 中傳輸?shù)臅r間tms，即tTIMS=telute+tp+tf+tms，其中，tp和tf與離子遷移率K非線性相關(guān)，這也導(dǎo)致K和CCS 值無法直接計算求得[42]。因此，TIMS 通常需要采用與目標物結(jié)構(gòu)相近的遷移率標準物標定以獲得準確的K及CCS 值[43]。

由離子洗脫條件可得1/K=Eelute/Vg。Eelute是與時間有關(guān)的線性函數(shù)，1/K可進一步表示為公式（3）或其它等效形式[43-44]。其中，tTIMS為離子出峰時間，a和b為常數(shù)。利用遷移率標準物獲得a和b的標定值，即可計算TIMS譜圖中未知離子峰的遷移率K。

文獻[45-47]報道顯示，TIMS獲得的K或CCS 值與DTIMS 結(jié)果具有高度一致性。Schroeder 等[45]使用TIMS獲得脂肪酸和酚酸的K值與DTIMS 相比僅差0.7%和2.1%。Chai 等[46]測量了GRGDS 與SDGRG質(zhì)子化肽的CCS 值，與DTIMS 相比偏差小于2%。Ridgeway 等[47]檢測Ubiquitin 時獲得了11 個離子峰的K值，與DTIMS 相比偏差小于1%。此外，Bleiholder 等[48]使用TIMS測得的Avidin 三體離子的CCS 值與DTIMS 的結(jié)果吻合。

1.3 分辨能力的影響因素

基于理論分析模型和數(shù)值計算模型[40-42]，TIMS 的分辨能力RTIMS近似表示為：

其中，q為離子電荷量，kB為玻爾茲曼常數(shù)，T為中性氣體溫度，tp為洗脫過程中離子穿過EFG 平臺區(qū)的時間，Vg·tp表示離子穿越EFG 平臺區(qū)時在高速氣流中的有效遷移距離。TIMS 中離子有效遷移距離可以達到上百厘米，遠大于離子分析通道的長度（～5 cm）， 這是TIMS 能獲得超高分辨的主要原因。公式（4）與DTIMS 擴散極限分辨能力相同[49]，再次印證了TIMS 與DTIMS 基本原理相同。TIMS 離子分析通道的物理尺寸小，更易在其上施加高強度直流電場，既能避免高電壓引起的放電風(fēng)險，還能有效提高RTIMS。

對公式（4）中的Eelute和tp進行等效替換[41]，可進一步得到由工作參數(shù)決定的RTIMS表達式（5）。

其中，Lp為EFG 平臺區(qū)長度，β為洗脫電場掃描速度。明顯地，RTIMS隨Vg呈現(xiàn)線性升高，但是提高Vg，需要同步提高EFG 平臺區(qū)的Emax以保證遷移率最小離子仍能被捕集[40]，即Vg=Kmin·Emax；降低β，可以延長離子穿過EFG 平臺區(qū)的時間tp，增加離子有效遷移距離Vg·tp。文獻[41]報道了這些參數(shù)對RTIMS的影響。

改變β值是調(diào)整RTIMS最常用的方法。Park 等[47]將β值設(shè)為2691 V/（ms）時，分析m/z1822 單價離子的分辨能力僅為228；Fernandez-Lima 等[50]將β值設(shè)為579 V/（ms）時，檢測多溴聯(lián)苯醚代謝物單價離子的分辨能力在320～400 之間。但是，降低β值會延長TIMS 分析時間，導(dǎo)致離子譜峰展寬增大以及K值較大離子的信噪比降低[41]。針對該問題，可在TIMS 前端設(shè)置離子漏斗對離子進行預(yù)存儲，提高離子利用效率[31]；或者采用非線性洗脫電場[51]僅對目標離子進行高分辨掃描，縮短分析時間。

2 捕集離子遷移譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)及應(yīng)用

TIMS既具有超高分辨能力，還可作為離子存儲單元獨立使用，具有很高的操作靈活性，適合與MS 或其它離子篩選、存儲和解離裝置進行串級聯(lián)用。TIMS 結(jié)構(gòu)簡單、體積小、操作電壓低，不會影響MS整機的體積和性能。飛行時間質(zhì)譜儀（Time of flight-mass spectrometer，TOF-MS）的單譜分析時間可以低至100 μs，適合與峰寬為ms 級的TIMS 構(gòu)建TIMS-MS 體系。圖2 為已報道的4 種TIMS-MS 儀器結(jié)構(gòu)[52]，包括與TOF-MS 聯(lián)用的順序分析TIMS（圖2A）、并行富集/分析TIMS（圖2B）和串級分析TIMS（圖2C），以及與傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜（Fourier transform ion cyclotron resonance-mass spectrometry，F(xiàn)TICR-MS）聯(lián)用的門控TIMS（圖2D）。上述技術(shù)通常采用大氣壓離子源，TIMS 位于MS 的第一級真空腔內(nèi)。另外，在質(zhì)譜儀質(zhì)量分析器的前級都配有用于離子篩選的四極分析器（Q）和用于離子碎裂、調(diào)控及存儲的離子碰撞池（CC），可拓展儀器的功能。

圖2 TIMS-MS 儀器的四種結(jié)構(gòu)：（A～C）與飛行時間質(zhì)譜（TOF-MS）聯(lián)用的順序分析TIMS、并行富集/分析TIMS和串級分析TIMS；（D）與傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜（FTICR-MS）聯(lián)用的門控TIMS[52]Fig.2 Four existing TIMS-MS instrument configurations:(A–C)Sequetial TIMS,parallel accumulation/analysis TIMS and tandem TIMS coupling to time of flight-mass spectrometry (TOF-MS); (D) Gated TIMS coupling to Fourier transform ion cyclotron resonance-mass spectrometry (FTICR-MS)[52]

2.1 順序分析捕集離子遷移譜

順序分析TIMS（圖1A）是最早的TIMS 結(jié)構(gòu)，與TOF-MS 聯(lián)用構(gòu)建了TIMS-MS 樣機（圖2A），推動了TIMS 的性能研究并拓展了其應(yīng)用范圍。順序分析TIMS 的分辨能力、分析速度以及遷移率K的掃描范圍可以靈活調(diào)節(jié)，使其在異構(gòu)體分離、多組分復(fù)雜樣品分析和分子結(jié)構(gòu)解析等多類應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

順序分析TIMS用于同分/同重異構(gòu)體分離主要得益于其超高分辨能力。使用順序分析TIMS 分離羥基多溴聯(lián)苯醚（OH-PBDE）的異構(gòu)體代謝物，能夠區(qū)分CCS差異僅為0.6 ?2的3-OH-BDE-47 和5-OHBDE-47，RTIMS達～400[50]。TIMS 檢測小肽、脂質(zhì)和蛋白等分析物時[44,47,53]，RTIMS通常為200～300。這已遠高于DTIMS和FAIMS等其它IMS 分離手段，是深入探究多價態(tài)生物分子的結(jié)構(gòu)變化的有力工具。例如，在分辨能力～70 的DTIMS 中，P 物質(zhì)的三價離子SPA和SPB均為包絡(luò)峰，無法確定其中的異構(gòu)體數(shù)量[54]；在RTIMS～250 的TIMS 中，可以看到SPA至少含有4 種異構(gòu)體、SPB至少含有2 種異構(gòu)體[53]。同樣，在研究Ubiquitin 等生物分子時也可發(fā)現(xiàn)，TIMS 的分辨能力更高，相比DTIMS可以解析出更多的目標物的天然結(jié)構(gòu)[55]。

基于順序分析TIMS 的超高分辨能力，在CCS 的基礎(chǔ)上為單一m/z的離子提供了新的分離維度，與MS 聯(lián)用時可以提高質(zhì)譜峰的峰容量，也解決了MS 中m/z相同的分析物離子無法分離的問題。例如，在電噴霧電離源中得到的聚酰胺離子具有鏈長分散度高、價態(tài)分布寬以及存在同重直鏈/環(huán)鏈結(jié)構(gòu)等特性，并且每種鏈長-電荷組合離子的濃度極低。直接MS 分析僅能實現(xiàn)15 聚體以下的測序，但TIMS-MS可將聚酰胺離子的檢測范圍擴大至100 聚體，并實現(xiàn)同重多環(huán)結(jié)構(gòu)聚合體的分離，提供聚合缺陷信息[38]。除可以提高峰容量之外，TIMS 的高離子傳輸效率也有利于實現(xiàn)復(fù)雜樣品中超痕量目標組分的檢測。例如，分辨能力超過150 的TIMS 與MS 結(jié)合可以對泥土中ppbv（10–9）量級的16 種多環(huán)芳烴進行準確分離和檢測[56]。

順序分析TIMS 能準確測量離子CCS，其分離分析條件相對溫和，結(jié)合分子模擬技術(shù)可對蛋白質(zhì)的天然結(jié)構(gòu)進行研究[47,53]。另外，TIMS 能夠長時間（秒級）存儲離子，還可以研究離子的穩(wěn)定性和反應(yīng)活性[57-58]。例如，Schenk 等[57]在研究脫輔基肌紅蛋白的動力學(xué)中間體時，通過改變TIMS 離子存儲時間，發(fā)現(xiàn)了鐵基原卟啉能夠穩(wěn)定肌紅蛋白A、G 和H 螺旋之間的交互作用，而鐵基原卟啉丟失會使脫輔基肌紅蛋白快速展開。

盡管順序分析TIMS 具有尺寸小和控制電路簡單等優(yōu)勢，但其占空比（離子富集時間與分析周期的比值）通常僅為～50%。不僅使離子的利用率低至～50%，還無法有效縮短TIMS 的分析周期。如果在TIMS 前端設(shè)置一個與TIMS 并行工作的離子捕集阱，即可實現(xiàn)占空比～100%，并顯著降低TIMS 分析周期，增加單位時間內(nèi)譜圖的采集量。

2.2 并行富集/分析捕集離子遷移譜

在順序分析TIMS 前端添加一個離子捕集阱，可得到圖3 所示的雙級阱TIMS[31]。其中，通過延長順序分析TIMS 的離子分析通道即可得到離子捕集阱，形成并行工作的離子存儲區(qū)和離子分析區(qū)，因此，又稱為并行富集/分析TIMS[31]?；谠摷夹g(shù)，Bruker 公司于2016 年推出了商品化timsTOFTM儀器。

圖3 基于雙級阱的并行富集/分析TIMS 的結(jié)構(gòu)圖示（A）及工作時序（B）[31]Fig.3 Schematic (A) and working sequence (B) of dual-trap based parallel accumulation/analysis TIMS[31]

并行富集/分析TIMS 的離子富集時間可達100 ms 量級，同時離子存儲效率可達80%以上，而洗脫離子峰的半峰寬通常小于1 ms。這相當于將一個恒定連續(xù)的弱離子信號壓縮成為一個短時間離子脈沖信號，有望將強度提升百倍。Park 等[31]將并行富集/分析TIMS 與MS 聯(lián)用獲得的離子信號與順序分析TIMS 與MS 聯(lián)用獲得的離子信號進行了對比。在～100%占空比下，并行富集/分析TIMS 經(jīng)過～47 ms 離子富集時間后，檢測m/z1222 離子得到的信號強度約是順序分析TIMS 信號強度的80 倍?；诓⑿懈患?分析TIMS，還出現(xiàn)了并行富集順序碎裂（Parallel accumulation-serial fragmentation，PASEF）[59]和非數(shù)據(jù)依賴并行富集順序碎裂（diaPASEF）[60-61]等分析方法。上述方法通常與LC-TIMS-MS 結(jié)合，用于分析復(fù)雜組學(xué)樣品。結(jié)合保留時間、遷移率K、前體離子和碎片離子等信息，可在～60 min 的單次分析中識別上百種未知物。

并行富集/分析TIMS和PASEF 分析方法還可與基質(zhì)輔助激光解吸電離（Matrix-assisted laser desorption ionization，MALDI）聯(lián)用，用于生物組織成像分析。Spraggins 等[62]研發(fā)出首臺MALDI timsTOF-MS 樣機，并對小鼠腎臟組織進行成像分析，其空間分辨率達10 μm、分子成像通量可達20 pixels/s。Bruker 公司隨后推出了該儀器的商品化版本timsTOF flexTM。相比傳統(tǒng)MALDI 成像儀器，該儀器的優(yōu)勢首先在于其實現(xiàn)了遷移率K與m/z的二維分離，顯著提高了峰容量。Djambazova 等[63]分析脂類異構(gòu)體時發(fā)現(xiàn)，增加TIMS 分離可將系統(tǒng)峰容量提升2.5 倍以上。另外，在MALDI 與TIMS 聯(lián)用中，增加第二束激光進行MALDI后電離可進一步提升脂類[64]、小分子和糖類[65]的檢測靈敏度。

2.3 串級分析捕集離子遷移譜

將兩個順序分析TIMS 前后設(shè)置，并利用離子傳輸接口實現(xiàn)離子在二者之間的傳輸，可獲得如圖4 所示的串級TIMS[32]。其中，前級TIMS-1 與后級TIMS-2 之間的離子傳輸接口由柵極1、柵極2 和離子偏轉(zhuǎn)電極2 構(gòu)成。TIMS-1 入口（P1）和出口（P2）以及TIMS-2 入口（P3）和出口（P4）的氣壓可以獨立調(diào)節(jié)，控制離子在傳輸接口內(nèi)按照正向或者逆向方式傳輸[48]。

圖4 串級TIMS 的結(jié)構(gòu)圖示[32]Fig.4 Schematic diagram of tandem TIMS[32]

TIMS-1 和TIMS-2 彼此獨立，可同時傳輸/存儲離子，也可實現(xiàn)類似雙級阱TIMS 的并行富集/分析離子功能，還可實現(xiàn)串級TIMS 的分析功能[52]。離子傳輸接口的存在，還為串級分析模式增添了更多功能[66]。操控柵極1、柵極2 以及離子偏轉(zhuǎn)電極2 上的電壓可在傳輸接口處實現(xiàn)離子門控篩選、碰撞誘導(dǎo)解離（Collision induced dissociation,CID）和碰撞誘導(dǎo)展開（Collision induced unfolding,CIU）等；此外，向傳輸接口內(nèi)引入激光，也能實現(xiàn)大分子的紫外光解離分析[67]。串級TIMS 能夠結(jié)合不同的操作模式針對需求進行離子操控。最常用的還是利用TIMS-1 篩選具有特定遷移率K的離子，送入傳輸接口內(nèi)進行CIU 或CID，然后再送入TIMS-2 進行二次分離。

自上而下的蛋白測序在蛋白結(jié)構(gòu)鑒定、氨基酸序列確定和翻譯后修飾位點定位等方面具有巨大的應(yīng)用前景，通常需要從復(fù)雜混合物中分離出多個靶標蛋白分子進行個體分析。串級TIMS 基于遷移率K篩選的CIU 和CID 功能可以滿足該需求。Liu 等[32]報道了CCS 為～1300 ?2的Ubiquitin 離子[M+7H]7+被篩選和CIU 產(chǎn)生未折疊異構(gòu)體的過程（圖5A）。串級TIMS 使用相對較低的激發(fā)電勢就能對完整蛋白離子進行CIU 分析。例如，控制柵極2 和離子偏轉(zhuǎn)極板2 之間的電勢差為50 V 就足夠使Ubiquitin 離子[M + 7H]7+激發(fā)形成CCS 為～1880 和～1950 ?2的兩種未折疊異構(gòu)體離子。Liu 等[32]進一步展示了Ubiquitin 離子[M+8H]8+被篩選和CID 產(chǎn)生碎片化離子的過程（圖5B）。當柵極2 和離子偏轉(zhuǎn)極板2 之間的電勢差超過190 V 后，Ubiquitin 離子[M+8H]8+開始解離，產(chǎn)生序列覆蓋率極高的碎片離子。利用這些an、bn以及yn型碎片離子，即可對母體蛋白分子測序。

圖5 （A）Ubiquitin+7 價離子在串級TIMS 中被篩選和碰撞誘導(dǎo)展開（CIU）過程[32]；（B）Ubiquitin+8價離子在串級TIMS 中被篩選和碰撞誘導(dǎo)解離（CIU）過程[32]Fig.5 (A) Mobility selection of Ubiquitin +7 ions and their subsequent collision induced unfolding (CIU) at activation potential bias between 0 to 50 V in tandem TIMS[32]; (B) Fragment ion mass spectra resulting from mobility-selection of Ubiquitin +8 ions and their subsequent collision induced dissociation (CID) at activation potential bias between 0 to 260 V in tandem TIMS[32]

2.4 門控捕集離子遷移譜

相比TOF-MS 約105級的質(zhì)量分辨能力，F(xiàn)TICR-MS可為TIMS-MS提供101～106的質(zhì)量分辨能力，大大提升了TIMS-MS 分析原油和環(huán)境樣品等超復(fù)雜樣品的能力。FTICR-MS獲得一張質(zhì)譜圖所需時間在1 s 以上，遠大于TIMS 離子譜峰的時間寬度（0.2～1 ms）。為了克服該局限，先后出現(xiàn)了選擇性富集[68]和交疊采樣選擇性富集[69]等方法，實現(xiàn)了TIMS 與FTICR-MS 聯(lián)用。這些方法都需要對TIMS 分析通道的控制電路進行特殊改造，一方面，無法在其上直接使用并行富集/分析、非線性梯度電場存儲等新技術(shù)；另一方面，也造成了TIMS-FTICR-MS 與TIMS-TOF-MS實驗結(jié)果比對性較差。為解決這些問題，出現(xiàn)了門控TIMS（圖6）[38]。門控TIMS 的離子分析通道及分析電場的EFG 特征與順序分析TIMS完全一致。

圖6 門控TIMS 的結(jié)構(gòu)圖（A）及控制電壓隨時間變化的特征曲線（B）[38]Fig.6 Schematic diagram of gated TIMS (A) and its controlling voltage versus time profiles (B)[38]

門控TIMS 與FTICR-MS 四極分析器之間設(shè)置剖開透鏡（Split lens），對TIMS洗脫出的目標遷移率K離子選通傳輸（圖6B（a）），F(xiàn)TICR-MS 離子碰撞池（CC）作為存儲單元對選通傳輸?shù)碾x子進行存儲。其中，門控TIMS 采用非線性掃描方式[51]僅對具有目標遷移率K的離子進行緩慢洗脫分析（圖6B（c）），可利用較短的TIMS掃描總時間使具有目標遷移率K的離子獲得最佳分辨能力，同時保持占空比＞50%。門控TIMS 與FTICR-MS 聯(lián)用系統(tǒng)采用質(zhì)量數(shù)分析與離子累積存儲并行的工作方式，在一次FTICR 分析過程中，能夠向CC 中至少注入60 次具有目標遷移率K的離子，有利于分析低濃度目標物。通過漸進式改變目標遷移率K的掃描范圍，并將所有FTICR-MS譜圖結(jié)合起來，最終可以獲得與TIMS-TOF-MS類似但質(zhì)量分辨率更高的K-m/z二維譜圖。

Fernandez-Lima 等[70]使用門控TIMS 與FTICR-MS 聯(lián)用樣機檢測薩旺尼河黃腐酸標準品（SRFA），并與TIMS-TOF-MS 的結(jié)果進行比對。由于SRFA 樣品過于復(fù)雜，當m/z＞400 時，TOF-MS 的分辨能力很難識別相鄰離子峰，依靠質(zhì)量分辨僅可識別4950 個目標物，低于TIMS-FTICR-MS可識別目標物（7760 個）。進一步增加TIMS 構(gòu)象分離后，TIMS-TOF-MS可識別目標物的數(shù)量略微提升至7600，而TIMS-FTICR-MS可識別目標物總數(shù)則高達22350。Afonso 等[71]將TIMS-FTICR-MS用于原油瀝青烯中石油卟啉的分析，在分子水平上對石油卟啉異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)進行了闡釋。

3 結(jié)論與展望

TIMS 作為一種超高分辨IMS技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、離子傳輸效率高以及操作靈活等優(yōu)點，適合與MS 聯(lián)用構(gòu)建TIMS-MS 體系，極大地提升了MS譜峰峰容量。自TIMS技術(shù)首次提出后，該技術(shù)發(fā)展迅速，由最初的順序分析TIMS 結(jié)構(gòu)發(fā)展至并行富集/分析TIMS、串級分析TIMS 以及門控TIMS。TIMS 與MS結(jié)合可根據(jù)需求進行離子操控，不同結(jié)構(gòu)的TIMS-TOF-MS已廣泛應(yīng)用于多肽分析、異構(gòu)體分離、藥物同重組份分析和染色體組蛋白分析等領(lǐng)域；TIMS 與FTICR-MS 聯(lián)用為超復(fù)雜樣品（如SRFA）分析提供了新的技術(shù)基礎(chǔ)；基于雙級阱TIMS 的PASEF 技術(shù)提升了鳥槍法蛋白組學(xué)的分析能力；串級TIMS 也為TIMS-MS 帶來了包括自上而下蛋白分析在內(nèi)的更多應(yīng)用潛能。此外，將TIMS 與LC-MS 聯(lián)用也可借助TIMS 分離LC 無法分離的單一m/z離子，實現(xiàn)保留時間、m/z、強度及CCS 的四維分析。

然而，TIMS存在離子存儲容量有限、分辨能力與檢測靈敏度相矛盾以及樣品分析通量低等問題，仍需要進一步改進。另外，TIMS-MS技術(shù)相比單一MS 分析仍存在離子損失問題，并且儀器結(jié)構(gòu)及應(yīng)用潛能也待進一步開發(fā)。盡管如此，在未來，TIMS-MS 的應(yīng)用依然有望快速擴展。