離子淌度質譜技術及其應用研究進展

王玉娜，孟憲雙，劉麗娟，白 樺，馬 強*

(1.中國檢驗檢疫科學研究院，北京 100176；2.哈爾濱醫科大學 公共衛生學院，黑龍江 哈爾濱 150081)

離子遷移譜(Ion mobility spectrometry,IMS)是20世紀60年代末至70年代初由Cohen和Karasek提出并逐步發展起來的一種微量化學物質檢測技術[1]。其原理是基于不同氣相離子在電場中遷移速率的差異對化學物質進行分離和表征，特別適合于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、大氣污染物等，在戰地勘查、機場安檢、環境監測、工業生產等方面均有應用。因商業化裝置構造簡單、檢出限低并具備現場快速檢測能力，離子遷移譜技術受到了廣泛關注。但由于當時人們對大氣壓下電離特性了解較少，加之離子遷移譜分辨率低且不能提供分子質量信息，該技術并未得到非常廣泛的應用推廣。

質譜(Mass spectrometry,MS)是測量質荷比(m/z)的分析技術，該技術將分子電離后形成帶電離子，并可按照離子質荷比順序排列生成譜圖數據。質譜技術是現代分析技術中同時具備靈敏度高、特異性強、分析速度快等特性的普適性技術，被譽為化學分析的“金標準”。20世紀50年代，美國喬治亞理工學院的Barnes、McDaniel和Martin首次將離子遷移譜與磁質譜(Magnetic sector mass spectrometry)聯用，用于研究氣相中分子離子的反應機理,隨后，McAffee和Edelson在1963年將離子遷移譜與飛行時間質譜(Time-of-flight mass spectrometry,TOF-MS)聯用[2]。飛行時間質譜由于具有極快的掃描速率，因此特別適合與離子遷移譜聯用，可在微秒級范圍內獲得若干張高質量質譜圖。

20世紀70年代，隨著商品化離子淌度質譜(Ion mobility spectrometry-mass spectrometry,IMS-MS)的問世，不同類型的質量分析器，包括飛行時間質譜、四極桿質譜(Quadrupole mass spectrometry,QMS)、傅立葉變換離子回旋共振質譜(Fourier-transform ion cyclotron resonance-mass spectrometry,FTICR-MS)等均有與離子遷移譜聯用的應用報道。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范圍。它可同時獲得樣品的離子淌度與質荷比參數，在提高傳統質譜數據準確性和特異性的同時，還可計算出離子的碰撞橫截面積(Collisional cross-section,CCS)，獲得樣品結構狀態等信息，在未知化合物鑒定方面也顯示出強大優勢[3-5]。20世紀80年代末，電噴霧離子化(Electrospray ionization,ESI)和基質輔助激光解吸離子化(Matrix-assisted laser desorption ionization,MALDI)等軟電離技術的問世,使得離子淌度質譜在化合物異構體分離及生物大分子分析方面得到飛速發展[6-7]。本文綜述了近年來離子遷移譜與不同類型質譜聯用技術在公共安全、毒品檢測、食品安全、環境監測、藥物分析以及生物大分子研究等領域的應用進展，并對離子淌度質譜技術的發展前景進行了展望，以期為廣大分析工作者提供技術參考。

圖1 常規離子遷移譜(正離子模式)的工作原理圖[8]Fig.1 Schematic diagram of routine IMS under positive ion mode[8]

1 離子遷移譜

1.1 工作原理

離子遷移譜通常由進樣和電離系統、遷移管、信號放大處理系統、電控系統、溫控系統及氣路系統組成，其核心部件為遷移管，離子生成和分離表征均在遷移管中進行。傳統離子遷移譜的工作原理是將樣品蒸氣或微粒氣化后經半透膜濾除其中的煙霧、無機分子和水分子等雜質，通過載氣攜帶進入遷移管反應區(圖1)。閉合型遷移管是離子遷移譜目前采用的較為成熟的核心分離技術，在反應區內，待測分子通過質子或電子轉移反應，生成產物離子。在遷移管中弱電場的驅動下，離子團簇移向離子柵門。控制離子柵門的開關脈沖，可形成周期性進入漂移區的離子脈沖。在電場與逆流中性漂移氣體的共同作用下，產物離子軸向漂移至法拉第接收盤產生電流，經過信號放大系統放大并轉化成電壓信號，獲得離子遷移譜圖。由于帶電離子的遷移率即單位電場強度作用下離子的漂移速度，取決于其質量、尺寸及電荷數，因此不同種類的產物離子在同一電場下的遷移率也會不同，導致通過整個漂移區所用的遷移時間不同，由此辨識和鑒定被測物質種類，并可進行定量分析。

1.2 電離源

位于遷移管電離反應區的電離源是待測物實現電離并進行進一步分離檢測的基本保障。放射性電離源由于電離性能穩定可靠，且無需外接電源和后期維護而被廣泛使用。目前使用最多的放射性電離源為63Ni，但放射性元素在高溫條件下易氧化成不穩定的鎳氧化物或鎳鹽，若泄露不僅對環境造成污染，也會對使用者造成傷害。目前，基于光致電離、電暈放電離子化、電噴霧離子化、基質輔助激光解吸離子化等技術的非放射性電離源也得到長足發展和廣泛應用。隨著離子遷移譜應用的愈加廣泛，分析物的數量愈加增多，很多科研工作者也致力于多通道復合電離源的開發研究。目前應用較多的離子源及其優缺點見表1。

表1 離子遷移譜常用離子源的優缺點Table 1 Advantages and disadvantages of common ionization sources for IMS

1.3 主要類別

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,TW-IMS)、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 mobility spectrometry,AIMS)等。在實際應用中，前兩種離子遷移譜使用相對較多。

1.3.1遷移管離子遷移譜遷移管離子遷移譜是應用最為普遍的離子遷移譜，并且是唯一一種可直接測量碰撞橫截面積的技術。有關遷移管離子遷移譜的工作原理介紹參見“1.1”所述。

1.3.2行波離子遷移譜行波離子遷移譜是在常規離子遷移譜基礎上加以改進的新型離子遷移譜，其結構類似于傳統離子遷移譜，區別是施加在行波離子遷移譜離子遷移環上的電壓為周期分布的交流電壓，因此，離子在遷移管中的運動軌跡不再是單純沿著遷移管方向呈直線運動，而是在向前運動的同時還會上下進行振蕩運動，延長了離子運動路徑，增加了離子在遷移區中的遷移時間，從而可實現更加高效的分離，有效減少交叉干擾[9]。行波離子遷移譜的靈敏度高、分離速度快，在蛋白質結構及復合體亞基解析等方面發揮著重要作用[10-13]。

1.3.3場不對稱波形離子遷移譜場不對稱波形離子遷移譜，又稱為差分離子遷移譜(Differential mobility spectrometry,DMS)，于20世紀90年代初首次被報道[14]。場不對稱波形離子遷移譜依據高電場條件下，離子遷移率與電場強度呈非線性關系實現不同離子的分離。其基本原理是：在遷移管平行極板間施加一個不對稱的射頻電壓和補償電壓，利用交變的高低電場相互作用實現高效分離，并施加補償電壓，最終使干擾離子流向平行極板被中和，目標離子順利通過遷移區被檢測到，以實現雜質離子與目標離子的高效分離、富集，從而顯著提高檢測離子的選擇性。場不對稱波形離子遷移譜目前在同分異構體分離、血液或血漿、空氣或水中污染物及疾病標志物的檢測等方面均有良好應用[15-18]。

1.3.4呼吸式離子遷移譜呼吸式離子遷移譜主要由離子源和一對平行板構成，在其中一個極板上分布有一系列相互隔離的檢測電極。離子通過恒定流速的載氣被連續注入分離室內，載有離子的緩沖氣流的方向與施加電場的方向相互垂直。離子隨氣流在電場中運動的過程中，在垂直電場作用下發生偏轉，不同遷移率的離子會被收集在不同檢測電極上，依據所得離子電流信號對離子進行區分。呼吸式離子遷移譜現已出現商品化儀器，但國際上對呼吸式離子遷移譜開展的研究仍相對較少。

2 離子淌度質譜

2.1 儀器構造及工作原理

離子淌度質譜是離子遷移譜與質譜聯用的一種新型分析技術，與單獨使用質譜相比，該技術通常是在質譜離子源和質量分析器之間增加離子遷移管，待測離子通過離子遷移管按照淌度預分離后進一步被質譜檢測，可獲得離子淌度質譜的二維或三維圖譜。

自20世紀50年代離子遷移譜與磁質譜首次聯用[19]以來，人們陸續將離子遷移譜與四極桿質譜、四極離子阱質譜(Quadrupole ion trap mass spectrometry,QIT-MS)、線性離子阱質譜(Linear ion trap mass spectrometry,LIT-MS)和傅立葉變換離子回旋共振質譜進行聯用，大大提高了譜圖分辨率和擴展了定量線性動態范圍。Creaser等[20]將四極離子阱放置于離子遷移譜前進行聯用，離子在四極離子阱中被捕獲和富集，然后進行淌度測量，這對于較低含量組分的分析鑒定有著重要的意義。

20世紀80年代末，特別是以電噴霧離子化和基質輔助激光解吸離子化為代表的軟電離技術問世以來，離子遷移譜在同分異構體及手性化合物分離方面的獨特優勢引起人們關注，配有各種新型離子源的離子淌度質譜技術也相繼推出。當前，離子遷移譜大多與飛行時間質譜進行聯用(圖2)，這得益于飛行時間質譜的超快掃描速率，結合離子遷移譜的毫秒級分離速度，大大提高了峰容量和譜圖分辨率。同時，離子幾何形狀和碰撞橫截面積精確計算方法的飛速發展，推動了離子淌度質譜技術的進步，軟電離源的應用也為生物大分子構象研究提供了有力的技術支撐。

圖2 行波離子遷移譜-飛行時間質譜的工作原理圖[21]Fig.2 Schematic diagram of commercially available travelling-wave ion mobility spectrometry(TWIMS)integrated with an orthogonal acceleration quadrupole hybrid time-of-flight mass spectrometer[21]

2.2 應用研究進展

2.2.2毒品檢測當今世界，新型毒品不斷出現并迅速蔓延，已成為最嚴重的社會問題之一。離子遷移譜和離子淌度質譜在違禁毒品檢測中的應用也十分廣泛。可卡因、海洛因、嗎啡等含氮化合物具有較強的質子親和力，離子遷移譜信號響應良好，在美國等相關國家，離子遷移譜在警方和毒品管制局得以應用[28-31]。近年來，離子淌度質譜憑借其優異的鑒定性能，越來越多地被應用在毒品檢測領域。Wu等[32]將二次電噴霧離子化技術與質譜結合，搭建了離子淌度質譜分析平臺(圖3)，并將二次電噴霧離子化與傳統電噴霧離子化進行了比較，結果表明，對于揮發性小分子化合物，二次電噴霧離子化較傳統電噴霧離子化具有更高的電離效率，鹽酸海洛因、麥角酸酰二乙氨、硫酸嗎啡、鹽酸苯環利定、四氫大麻酚等違禁毒品在二次電噴霧離子化-離子淌度質譜模式下的檢測靈敏度明顯優于電噴霧離子化-離子淌度質譜方法，從而為揮發性小分子物質的分離檢測提供了新思路。Matz等[33]運用離子淌度質譜技術在70 s內完成了7種鴉片類制劑的分離分析，實現了嗎啡和去甲可待因2種同分異構體的基線分離，縮短了樣品分析時間，大幅提高了樣品分析通量。Bailey等[34]分別采用解吸電噴霧離子化(Desorption electrospray ionization,DESI)結合線性離子阱-靜電場軌道阱質譜和基質輔助激光解吸離子化-離子淌度質譜對接受戒毒和酗酒治療患者的指紋和唾液進行比對分析，發現可卡因、苯甲酰芽子堿和甲基芽子堿等毒品成分的分析結果與唾液一致，提供了一種非侵入式的便捷檢測技術手段。

圖3 電噴霧/二次噴霧離子化-離子淌度質譜的工作原理圖[32]Fig.3 Schematic diagram of electrospray/secondary electrospray ionization ion mobility spectrometry-mass spectrometry[32]

2.2.3食品安全近年來食品安全問題備受關注，離子遷移譜以其小巧便攜、操作簡便等優勢在食品安全領域占有一席之地[35-38]。當前，分析工作者致力于采用離子淌度質譜技術開發快速靈敏、準確可靠的分析方法。Goscinny等[39]建立了一種水果和蔬菜中100種多類別農藥殘留的行波離子遷移譜-飛行時間質譜分析方法。以氮氣作為載氣，對不同離子淌度參數進行優化，并考察了不同基質提取溶液對遷移時間的影響。結果表明，遷移時間基本不受基質干擾和待測物濃度的影響，驗證了遷移時間是化合物定性鑒別的關鍵參數，結合色譜保留時間和質荷比，可有效消除假陽性結果，顯著提高檢測準確性。Causon等[40]提出了一種基于高效液相色譜-離子淌度-四極桿-飛行時間質譜的葡萄酒中酚類成分的分析流程。除保留時間和高分辨質譜圖外，單電場碰撞橫截面積值也易于獲取。在6個平行試驗中，233種酚類成分的特征保留時間平均精度為0.28%，遷移時間平均精度為0.18%，質量偏差為1.5 ppm。通過建立穩定可靠的標準化檢測流程，使酚類提取物間的分子特征精準匹配，有利于不同機構和實驗室間的相互比對。Gloess等[41]將電暈放電離子化與離子淌度質譜聯用，分別采用正、負離子化模式，對咖啡焙燒過程中產生的揮發性有機化合物進行在線分析，離子遷移譜可將同分異構體化合物高效分離，有效提高離子選擇性，實驗在巴西阿拉比卡咖啡中檢出了150余種揮發性物質，同時發現烷基吡嗪作為咖啡香氣的風味物質，其烷基鏈長度和位置不同，散發的香味也不同，該研究對咖啡化學成分的檢測分析提供了新方法。麻痹性貝類毒素存在于貝類等海產品中，攝食后可產生麻痹作用，經食物鏈的富集傳遞，可引發人體麻痹性中毒。由于高極性化合物難氣化以及大量潛在干擾類似物的存在，其檢測一直具有挑戰性。Beach等[42]開發了親水相互作用色譜與差分離子遷移譜-串聯質譜聯用的分析方法，通過優化差分離子遷移譜參數，使待測物與干擾類似物得以有效分離，該方法對麻痹性貝類毒素具有高度選擇性，并可準確定量。

2.2.5藥物分析離子遷移譜以其快速、簡便、靈敏等優勢，在藥物的質量控制、快速篩查、分析檢測等方面日益受到關注，離子遷移譜與質譜結合，可使藥物分析的定性能力大大增強。Jafari等[49]采用中空纖維液相微萃取三相萃取模式與電噴霧質譜結合，建立了同時分離測定血漿、尿液樣本中抗抑郁藥三甲丙咪嗪和地昔帕明的方法，2種藥物可在10 ms完成基線分離，定量下限達5 μg/L。Hines等[50]利用行波離子淌度質譜技術可提供碰撞橫截面積、質荷比等正交信息的特性，將其用于藥物及代謝物的鑒定。該研究將小分子與已知碰撞橫截面積值的校準物多肽結合，采用384孔板流注分析法，測定了1 425種藥物或其藥物類似物的碰撞橫截面積。通過軟件簡化數據提取、處理和校準，發現相同分子量的藥物覆蓋了較廣的碰撞橫截面積值范圍，表明這些藥物具有結構多樣性。在碰撞橫截面積-質譜圖譜中，每種藥物占據一個狹窄區域，表明每種具有特定靶點的藥物均存在緊密的結構-功能關系，該技術不僅提高了藥物及其代謝物的鑒別能力，根據其在碰撞橫截面積-質譜圖譜中的位置對新的候選分子的生物活性進行分類，還可作為一般方法的基準用于計算碰撞橫截面積值；Weston等[51]將離子遷移譜-四極桿-飛行時間質譜與解吸電噴霧離子源結合，對雙氯苯雙胍己烷、對乙酰氨基酚等非處方及處方藥片進行分析，離子遷移譜可實現藥片中待測成分的快速分離，解吸電噴霧離子源使樣品無需預處理和色譜分離，可直接進行原位分析，檢測時間小于2 min，檢出限達毫摩爾級，方法靈敏度高、快速便捷、選擇性好，在小分子藥物制劑的藥物篩選方面具有較好的應用前景。Chan等[52]應用超高效液相色譜-四極桿-離子淌度-飛行時間質譜聯用技術對來氟米特和對乙酰氨基酚進行代謝產物分析，借助離子遷移譜確定二者的遷移時間，并討論了遷移時間、分子量、碰撞橫截面積等特性的相關性。Ruth等[53]采用離子遷移譜結合高分辨質譜技術對大麻二酚等4種大麻素類物質分別進行定性定量分析，甄別驗證產品標簽的真實性和準確性。

2.2.6生物大分子研究隨著電噴霧離子化和基質輔助激光解吸離子化等軟電離技術的相繼問世，離子淌度質譜在生物大分子領域日益受到關注。近年來，大量文獻報道了應用離子淌度質譜技術進行蛋白質結構解析、蛋白質高通量分析、蛋白質組學、蛋白質-蛋白質之間及蛋白質-小分子之間相互作用等方面的研究[54-58]。Baker等[59]采用反相色譜與離子遷移譜-飛行時間質譜聯用方法，在15 min內實現了蛋白質混合樣本的分離，與傳統梯度洗脫相比，大大縮短了分析時間，為蛋白質樣本的高通量檢測提供了新方法。Young等[60]借助電噴霧離子化-離子淌度質譜聯用的強大分析能力，對蛋白質聚集體和小分子抑制作用進行精準快速分析，并以Aβ40淀粉樣蛋白為例，發現并鑒定了兩種新的Aβ40小分子抑制劑(圖4)。Benigni等[61]建立了離子淌度質譜分析方法，對變性和非變性條件下的蛋白質、蛋白質-核酸復合物及蛋白質-蛋白質復合物等生物大分子及其復合物進行檢測，并首次應用離子淌度質譜技術通過碰撞橫截面積對150 kD的蛋白質和蛋白復合物進行分析。膜蛋白是生物膜功能的主要承擔者，生物膜上的脂質可以調節膜蛋白的結構和功能，從膜蛋白復合物上分離脂質是膜蛋白質研究的難點。Liu等[62]采用離子淌度質譜技術對大腸桿菌膜蛋白-脂質相互作用進行表征，隨著碰撞能量和離子源溫度的增加，蛋白質離子逐漸發生去溶劑化、構象重組及碰撞誘導蛋白質去折疊，脂質繼而被電離，經離子遷移譜分離實現了測定。由于在脂質被離子化前后，膜蛋白的電荷量未發生變化(均帶15個電荷)，有力表明了大腸桿菌膜蛋白的結合脂質以中性狀態存在。脂質高度的化學復雜性一直是脂質組學研究的重要挑戰，Paglia等[63]借助離子遷移譜的高效分離作用，將其與質譜技術有機結合，與單獨使用質譜相比，離子淌度質譜可降低背景干擾，顯著提高峰容量和信噪比，從而實現更精確的定性定量分析，此外超高效液相色譜-離子淌度質譜聯用技術還可實現對常規脂類的結構表征。Sarbu等[64]應用離子淌度質譜技術對人腦神經節苷脂進行研究，從37周正常胎兒大腦額葉取樣，進行分離純化，發現了大量糖鏈異質體的存在和神經酰胺鏈的多樣性，通過離子遷移譜和高分辨質譜的結合，可發現143種神經節苷脂表現出高度的異質性，研究還發現人腦中神經節苷脂唾液酸化作用程度也高于以往報道。Zhang等[65]建立了帕金森病小鼠模型，應用電噴霧電離-離子淌度質譜技術對模型小鼠和對照組小鼠紋狀體組織進行代謝分析，通過對離子淌度質譜圖譜和主成分分析發現，帕金森病小鼠至少有9種代謝物發生明顯改變，可作為帕金森疾病的生物標志物，更為重要的是，發現了多巴胺的同分異構體(2-乙胺)，這表明以往的研究可能低估了帕金森病患者中多巴胺的減少水平。

圖4 采用電噴霧離子化-離子淌度質譜實驗過程原理圖[60]Fig.4 Schematic diagram of the ESI-IMS-MS experimental procedure[60]

3 總結與展望

質譜技術是現代分析技術中同時具備靈敏度高、特異性強、分析速度快等特性的普適性技術，被譽為化學分析的“金標準”。離子淌度質譜結合了離子遷移譜技術靈敏、快速、能夠提供離子結構信息和質譜能夠提供精確質量信息的特點，在異構體化合物分析、生物大分子相互作用研究等方面正凸顯出優越性。但離子遷移譜的分辨率低、靈敏度受捕獲手段影響較大、線性范圍窄等缺點，也局限了其進一步發展。近年來，國內外研究人員采用該技術在各領域進行了大量應用研究。離子遷移譜技術經過50余年的發展，其理論研究日趨成熟，同時多種離子源的開發也大大拓展了離子遷移譜技術的應用范圍。隨著更多類型離子源的引入，離子遷移譜的分辨率、靈敏度會逐步提升完善，離子淌度質譜的應用范圍也會越來越廣，其分析不再局限于氣相揮發性有機物，對液體和固體也可直接進行分析。另一方面，離子遷移譜部件微型化而又不損失性能也是其重要發展方向之一，目前各大質譜廠商已陸續掌握了各自的離子遷移譜技術，并將小型離子遷移譜部件嵌入質譜儀器。相信隨著科技的進步，離子淌度質譜技術的應用會越來越多，應用領域將越來越廣。