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，根据迁移率K的差异实现离子分离和识别的一种技术。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。传统的迁移时间离子迁移谱（Drift Time Ion Mobility Spectrometry，DTIMS）使用直流电场驱动离子，延长路径的同时需要相应地提高电压，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。2004年，Giles等人首次使用行波进行离子迁移率分离，行波即沿迁移区轴向移动的脉冲电压，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从而实现超高分辨。
行波离子迁移谱（Traveling Wave Ion Mobility Spectrometry，TWIMS）分离离子的原理如图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1a、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，不同迁移率的离子即可实现分离。当离子迁移率K足够大时，离子可以随波作“冲浪”运动（图1b）。
图1 （a、b、c）行波场中离子的SIMION轨迹模拟；（d）行波场的产生
经过近二十年的发展，目前TWIMS仪器按结构主要分为三类：第一类是早期开发的环形电极堆栈结构（SRIG），Waters公司基于该结构推出了Synapt系列淌度质谱仪；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。后两种结构都可以实现离子迁移路径的循环，因此分辨率得到了极大的提高（>500），下面将对二者的结构和工作原理分别介绍。
cIM的主体结构如图2B所示，路径长度共计98 cm。主体结构的cIM电极结构如图2D所示，相邻的cIM电极上同时施加反相的射频和行波脉冲，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电极上施加略高于行波波幅的直流电压，提供x方向的限制。cIM主体部分的电极形成一个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TWIMS高10倍。cIM与质谱（MS）系统的主离子光轴相交的接口区域（图2C）是cIM的关键部分，其两组阵列电极结构的设计，可以分别施加x方向（图2E）、y方向（图2F）的行波，从而实现离子进入、射出和迁移率分离三种功能的切换。
Waters在cIM前后均连接传统线性TWIMS，将离子的注入、喷射、存储、激活与cIM的功能进行组合，可以实现IMSn功能。IMSn选择可以将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，以避免在多通道实验中，较大迁移率离子超过较小迁移率离子产生的“套圈”现象。IMSn激活是指将特定迁移率的离子喷射回前级TWIMS，其余离子被喷射到飞行时间质谱（TOF）中，前级TWIMS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IMSn分析。
图2 cIM结构示意图
基于无损离子操纵结构的行波离子迁移谱（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，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分离。90°转弯结构的应用使TW-SLIM在相对紧凑的空间尽可能的实现路径延长，Deng等人开发出分析通道长达13 m的蛇形路径TW-SLIM（图3a），单峰分辨率达到46。在此基础上，结合动态开关离子开关，Smith等人提出了多圈循环式TW-SLIM（图3b）。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1860，并且可以实现基本无损的离子传输。
图2 （a）13 m长的蛇形TW-SLIM；（b）循环蛇形路径TW-SLIM和动态离子开关
总结
经过二十年的发展，TWIMS的结构和性能发展迅速，从早期的环形电极堆栈结构（SRIG），到循环结构（cIM）和无损离子操纵结构（SLIM），分辨率获得了极大提升。作为一种超高分辨离子迁移谱技术，TWIMS通常与质谱进行联用，在蛋白质组学、脂质组学、异构体鉴定等领域有广阔的应用前景。
参考文献
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