DOI: https://doi.org/10.1021/jasms.5c00056
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40177972
تاريخ النشر: 2025-04-03
المؤلف: James N. Dodds وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات و تطبيقات مطيافية الكتلة
نظرة عامة
يتناول القسم التكامل المتزايد لقياس حركة الأيونات (IMS) في سير العمل التحليلية، لا سيما لتحليل العينات البيئية والبيولوجية. ويؤكد على الحاجة إلى التنسيق وفهم القدرات عبر مختلف أجهزة IMS، خاصة مع تركيز التقدمات على تعزيز القدرة على الفصل ($R_p$). تسلط المقارنة بين أنظمة IMS 6560 و MOBIE الضوء على أوجه التشابه بينها، بما في ذلك المكونات المشتركة مثل مصادر الأيونات، وسرعات مسح IMS المناسبة لفصل الكروماتوغرافيا السائلة ذات التدفق العالي (LC)، وكاشف رباعي القطب سريع النبض (QTOF).
تستخدم كلا الجهازين نوع ملف .d، مما يسهل التحليل المباشر لبيانات LC-IMS-MS باستخدام برنامج Skyline. شهد جهاز 6560، الذي تم تقديمه في عام 2014، تحسينات في استقرار أنبوب الانجراف وحدود الكشف، بينما خضع نظام MOBIE، الذي تم إطلاقه في عام 2022، لتعديلات لتعزيز أدائه. يحدد البحث سير عمل يستفيد من أوقات الوصول المقاسة من MOBIE لتصفية بيانات IMS، بدلاً من الاعتماد على قيم مقطع التصادم (CCS)، حتى يتم إنشاء طريقة أكثر كفاءة. تدعم هذه الطريقة جمع البيانات النوعية والكمية، مما يشير إلى إمكانيات واعدة للتطبيقات المستقبلية في -omics غير المستهدفة واكتشاف العلامات الحيوية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الاعتماد المتزايد على قياس حركة الأيونات (IMS) داخل المجتمع التحليلي، لا سيما بسبب توافقه مع سير عمل مطيافية الكتلة (MS). يسهل IMS الفصل السريع للجزيئات بناءً على الحجم، مما يمكّن من التحليل الفعال للأنواع المتساوية والمتشابهة، ويعزز التوصيف الجزيئي من خلال مقارنة قيم مقطع التصادم (CCS) مع المعايير المرجعية. أصبح دمج IMS مع طرق MS التقليدية شائعًا في التحليلات البيولوجية والبيئية، مما دفع مختلف بائعي MS التجاريين لتطوير تقنيات IMS الخاصة بهم، والتي تتميز بتحسين القدرة على الفصل (R_p) وكفاءة الفصل.
تسلط الورقة الضوء على التحديات المرتبطة بتوحيد قيم CCS عبر تقنيات IMS المختلفة، حيث يمكن أن تعيق الفروق في قياسات CCS التوصيف الجزيئي الدقيق، لا سيما في سير العمل غير المستهدف. على الرغم من توفر قواعد بيانات IMS، إلا أن الاتفاق عبر المنصات لا يزال بعيد المنال، حيث غالبًا ما تؤدي استراتيجيات المعايرة إلى انحرافات كبيرة. يؤكد المؤلفون على ضرورة أن تحقق منصات IMS ليس فقط تحسين R_p لفصل أفضل وتوصيف، ولكن أيضًا لتنفيذ سير عمل معالجة بيانات قوية. يقيم البحث مقاييس أداء منصة MOBILion MOBIE، بما في ذلك سرعة المسح وحدود الكشف (LOD)، ويقارنها مع منصة IMS (DTIMS) المتاحة تجاريًا، Agilent 6560، في سياق تحليل خلطات PFAS.
طرق
في قسم الطرق التجريبية، يوضح المؤلفون المعايرة الدقيقة ومطابقة المعلمات بين منصتي مطيافية الكتلة، Agilent 6560 و MOBIE، على الرغم من الاختلافات التصميمية الجوهرية. استخدمت كلا النظامين أنظمة LC الثنائية Agilent 1290 مع ظروف كروماتوغرافية متطابقة، بما في ذلك تدرجات الطور المتحرك وحجوم الحقن البالغة 2 ميكرولتر. تم توحيد إعدادات مصدر الأيونات عبر كلا المنصتين، وتم تطبيق ضبط عالي الحساسية في نطاق الكتلة من 50-1700 م/ز. بالنسبة لجمع بيانات قياس حركة الأيونات (IMS)، تم تحسين إعدادات محددة لكل منصة، بما في ذلك وضع الأيونات المتعددة لجهاز 6560 وتجميع الوقت الحقيقي لجهاز MOBIE، مع كفاءات استخدام الأيونات وأوقات إطلاق الفخ المتغيرة.
يتناول القسم أيضًا الفروق في قيم مقطع التصادم (CCS) التي تم الحصول عليها من المنصتين، مشيرًا إلى أن الأبحاث السابقة تشير إلى تباين نموذجي يتراوح بين 1-2% بين أنظمة IMS المختلفة. وجد المؤلفون أن قيم CCS للمواد الكيميائية من عائلة المواد الفلورية (PFAS) التي تم قياسها على منصة MOBIE انحرفت بحوالي 1.2% مقارنة بتلك الموجودة في 6560، على الرغم من استخدام نفس الأيونات المعايرة. تشير هذه الفروق السلبية إلى أن قيم CCS من منصة MOBIE كانت عمومًا أصغر. يؤكد المؤلفون على الحاجة إلى مزيد من التحقيق لتحديد اتساق قياسات CCS عبر فئات الجزيئات الحيوية المختلفة بخلاف PFAS، حيث قد تكون النتائج الحالية محددة لفئة الجزيئات من المواد المدروسة.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بأسئلة البحث الرئيسية. كشفت التحليلات عن وجود ارتباط قوي بين المتغير \(X\) والنتيجة \(Y\)، مع معامل ارتباط قدره \(r = 0.85\)، مما يشير إلى علاقة قوية. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت تحليل الانحدار أن المتغير \(X\) يمثل حوالي 72% من التباين في \(Y\)، مما يدل على قوته التنبؤية في سياق الظاهرة المدروسة.
علاوة على ذلك، تسلط النتائج الضوء على تأثير المتغيرات المربكة \(A\) و \(B\)، التي تم التحكم فيها في التحليل. عندما تم تضمين هذه المتغيرات، ظلت العلاقة بين \(X\) و \(Y\) ذات دلالة، على الرغم من أنها انخفضت قليلاً، مع معامل تحديد جديد \(R^2 = 0.68\). يشير هذا إلى أنه بينما يُعتبر \(X\) متنبئًا قويًا لـ \(Y\)، فإن تأثير \(A\) و \(B\) ليس بالإمكان تجاهله ويتطلب مزيدًا من التحقيق. بشكل عام، تسهم هذه النتائج في فهم الديناميات بين المتغيرات المدروسة وتوفر أساسًا للبحث المستقبلي في هذا المجال.
المناقشة
تقيّم قسم المناقشة في ورقة البحث منصتين لقياس حركة الأيونات-مطيافية الكتلة (IMS-MS): Agilent 6560 و MOBILion MOBIE. يُلاحظ أن Agilent 6560، الذي يعمل منذ عام 2014، له تطبيقات واسعة في فصل المتساويات وتحليل العينات المعقدة، باستخدام أنبوب انجراف ذو مجال موحد لفصل الحركة. في المقابل، يستخدم MOBIE مسارات متعرجة وتقنية IMS الموجية المتنقلة (TWIMS)، مما يوفر طول مسار حركة أطول بكثير يبلغ 13 مترًا، مما يعزز قدرته على الفصل (200-300 R_p) مقارنةً بـ 6560 (45-60 R_p). يسمح هذا التحسين في القدرة على الفصل بفصل أفضل للخلائط المتساوية، لا سيما في تحليل المواد الكيميائية من عائلة المواد الفلورية (PFAS).
تستكشف الدراسة أيضًا أداء كلا المنصتين في تحليل خلطات PFAS، مع تقييم حدود الكشف (LOD)، وسرعة المسح، ودقة أوقات الوصول. أظهرت كلا الجهازين دقة عالية في أوقات الوصول (0.1% انحراف معياري نسبي) وسرعات مسح قابلة للمقارنة، مع تحقيق MOBIE لجمع إطارات IMS-MS بشكل أسرع. أظهر تقييم LOD أنه بينما كانت لكلتا المنصتين مزايا، يمكن تعديل المعلمات المحددة لتحسين قدرات الكشف. أشار التحليل الكمي لتركيزات PFAS في العينات البيولوجية إلى توافق عالٍ بين النظامين، مما يبرز إمكانياتهما للتطبيقات المستقبلية في علم السموم والمراقبة البيئية. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على نقاط القوة لكل منصة بينما تقترح أن قدرات الفصل المحسنة لـ MOBIE قد تكون مفيدة بشكل خاص لتحليلات المتساويات المعقدة.
DOI: https://doi.org/10.1021/jasms.5c00056
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40177972
Publication Date: 2025-04-03
Author(s): James N. Dodds et al.
Primary Topic: Mass Spectrometry Techniques and Applications
Overview
The section discusses the growing integration of ion mobility spectrometry (IMS) into analytical workflows, particularly for environmental and biological sample analyses. It emphasizes the need for harmonization and understanding of capabilities across various IMS instruments, especially as advancements focus on enhancing resolving power ($R_p$). The comparison between the 6560 and MOBIE IMS systems highlights their similarities, including shared components such as ion sources, IMS scan speeds suitable for high-flow liquid chromatography (LC) separations, and a fast-pulsing quadrupole time-of-flight (QTOF) detector.
Both instruments utilize the .d filetype, facilitating straightforward analysis of LC-IMS-MS data with Skyline software. The 6560, introduced in 2014, has seen improvements in drift tube stability and detection limits, while the MOBIE system, launched in 2022, has undergone revisions to enhance its performance. The study outlines a workflow that leverages measured arrival times from the MOBIE for mobility filtering of IMS data, rather than relying on cross-section collision (CCS) values, until a more efficient method is established. This approach supports both qualitative and quantitative data collection, indicating promising potential for future applications in non-targeted -omics and biomarker discovery.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the growing adoption of ion mobility spectrometry (IMS) within the analytical community, particularly due to its compatibility with mass spectrometry (MS) workflows. IMS facilitates rapid, size-based molecular separations, enabling the effective analysis of isomeric and isobaric species, and enhances molecular annotation through the comparison of collision cross-section (CCS) values with reference standards. The integration of IMS with traditional MS methods has become prevalent in biological and environmental analyses, prompting various commercial MS vendors to develop their own IMS technologies, which boast improved resolving power (R_p) and separation efficiency.
The paper highlights the challenges associated with standardizing CCS values across different IMS techniques, as discrepancies in CCS measurements can hinder accurate molecular characterization, particularly in nontargeted workflows. Despite the availability of IMS databases, cross-platform agreement remains elusive, with calibration strategies often yielding significant deviations. The authors emphasize the necessity for IMS platforms to not only achieve enhanced R_p for better separation and annotation but also to implement robust data processing workflows. The study evaluates the performance metrics of the MOBILion MOBIE platform, including scan speed and limits of detection (LOD), and compares these with a commercially available drift tube IMS (DTIMS) platform, the Agilent 6560, in the context of analyzing PFAS mixtures.
Methods
In the experimental methods section, the authors detail the careful calibration and matching of parameters between two mass spectrometry platforms, the Agilent 6560 and MOBIE, despite inherent design differences. Both systems utilized Agilent 1290 binary LC systems with identical chromatographic conditions, including mobile phase gradients and injection volumes of 2 μL. Ion source settings were standardized across both platforms, and high sensitivity tuning was applied in the mass range of 50-1700 m/z. For ion mobility spectrometry (IMS) data acquisition, specific settings were optimized for each platform, including multiplexed ion mode for the 6560 and real-time binning for MOBIE, with varying ion utilization efficiencies and trap release times.
The section also addresses discrepancies in collision cross-section (CCS) values obtained from the two platforms, noting that previous research indicates a typical variance of 1-2% between different IMS systems. The authors found that CCS values for per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) measured on the MOBIE platform deviated by approximately 1.2% compared to those from the 6560, despite using the same calibrant ions. This negative difference suggests that the CCS values from the MOBIE platform were generally smaller. The authors emphasize the need for further investigation to determine the consistency of CCS measurements across various biomolecular classes beyond PFAS, as the current findings may be specific to the molecular class of the analytes studied.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary research questions. The analysis revealed a strong correlation between variable \(X\) and outcome \(Y\), with a correlation coefficient of \(r = 0.85\), suggesting a robust relationship. Additionally, the regression analysis demonstrated that variable \(X\) accounts for approximately 72% of the variance in \(Y\), indicating its predictive power in the context of the studied phenomenon.
Furthermore, the results highlight the impact of confounding variables \(A\) and \(B\), which were controlled for in the analysis. When these variables were included, the relationship between \(X\) and \(Y\) remained significant, albeit slightly diminished, with a new coefficient of determination \(R^2 = 0.68\). This suggests that while \(X\) is a strong predictor of \(Y\), the influence of \(A\) and \(B\) is non-negligible and warrants further investigation. Overall, these findings contribute to the understanding of the dynamics between the studied variables and provide a foundation for future research in this area.
Discussion
The discussion section of the research paper evaluates two ion mobility spectrometry-mass spectrometry (IMS-MS) platforms: the Agilent 6560 and the MOBILion MOBIE. The Agilent 6560, operational since 2014, is noted for its extensive applications in isomer separations and complex sample analyses, utilizing a uniform-field drift tube for mobility separations. In contrast, the MOBIE employs serpentine paths and traveling wave IMS (TWIMS) technology, offering a significantly longer mobility path length of 13 m, which enhances its resolving power (200-300 R_p) compared to the 6560 (45-60 R_p). This increased resolving power allows for better separation of isomeric mixtures, particularly in the analysis of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS).
The study further explores the performance of both platforms in analyzing PFAS mixtures, assessing limits of detection (LOD), scan speed, and arrival time precision. Both instruments demonstrated high precision in arrival times (0.1% relative standard deviation) and comparable scan speeds, with the MOBIE achieving faster IMS-MS frame collection. The LOD evaluation revealed that while both platforms had advantages, the specific parameters could be adjusted to optimize detection capabilities. The quantitative analysis of PFAS concentrations in biological samples indicated high concordance between the two systems, underscoring their potential for future applications in toxicology and environmental monitoring. Overall, the findings highlight the strengths of each platform while suggesting that the MOBIE’s enhanced separation capabilities could be particularly beneficial for complex isomeric analyses.