静水深流:沃特世Q-Tof和IMS的前世今生

2017年10月26日 10:00:52 来源: 分析测试百科
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  20多年前,沃特世推出全球第一台商品化Q-TOF质谱;2006年,沃特世推出全球第一台行波离子淌度质谱(IMS)。在Q-TOF推出20周年、离子淌度质谱推出10周年之际,分析测试百科网编辑采访了沃特世公司质谱产品市场总监舒放先生。如果把成功的产品比作海面上壮丽的冰山,那么质谱前辈们数十年来不断的创新与研发就是水面下的宝藏。人们常说,读史明智,希望此文可以激励今天的研发和应用创新者们,让科学仪器为我们创造更美好的明天。

沃特世公司质谱产品市场总监 舒放

从磁质谱联动扫描到Q-TOF的20年

  众所周知,沃特世于1996年收购了位于英国曼彻斯特的Micromass公司(前身是VG公司)。VG Micromass公司成立于1968年,当年推出MM1固定磁场小型质谱,主要用于残余气体分析;1970年推出Q7四极杆质谱,质量范围达到120 Da;1974年推出第一台磁质谱70-70,分辨率达到20,000,这是第一台用做有机分析的双聚焦高分辨质谱。

  磁质谱的联动扫描

1974年 MM 70-70F质谱仪具有联动扫功能

  70-70虽然是高分辨的双聚焦质谱,但仍然是单级质谱,多个母离子和子离子混合在一起无法获得清晰的结构信息。随后的研究发现离子在到达检测器之前通过磁场、静电场和三个无场区,有些母离子会在飞行途中的无场区发生断裂,这些离子被称作亚稳离子。研发者发现当磁场和静电场按一定的比例关系如B2/E联动扫描时,可以偏转掉其它离子而只检测在无场区断裂的离子,获得亚稳离子谱图。这种谱图类似于MS/MS谱图,只有一个母离子和由该母离子产生的子离子,从而可以研究分子结构。

  亚稳离子是在无场区漂移的过程中自行断裂的,所以灵敏度比较低。为提高灵敏度,1976年,研发者在磁场和静电场之间添加了一个碰撞室(CID),碰撞室内加上气体可以主动让母离子碰撞碎裂,这样就可以通过磁场高分辨选择母离子,再通过静电场检测CID碎裂后的子离子,类似于现代MS/MS串联质谱。1976年Micromass/VG推出商品化仪器MM Zab-2F,这是第一台带CID-MIKES碰撞功能的商品化高分辨质谱。

1976年,MM Zab-2F B-CID-E,具有CID-MIKES功能

  B-CID-E 虽然对母离子的分辨率很高,但对子离子的分辨率很低。为了提高子离子的分辨率,研发者在磁质谱后串联一个四极杆Q,中间再加一个碰撞室,这样就得到了一个高分辨的母离子和单位质量分辨的子离子,这就是1985年推出的70S,这是真正意义上的串联质谱MS/MS。


1985年,MM 70S,第一台商品化B/Q MS/MS

  MS/MS仪器的出现引起了很多科学家们的兴趣,他们的理想要求是既要高分辨的母离子,又要高分辨的子离子。为了达到这些“土豪们”的要求,研发者开始为他们定制仪器,即把两台高分辨磁质谱串联在一起,其间加一个碰撞室。“可以想象,这套仪器体积庞大,仪器大概有9米长,操作也非常困难。”舒放说,“不过这些‘土豪级’用户的确用这些仪器取得了很多成果。”这样就出现了AutoSpec 6F, AutoSpec-T.Zab-4F, Zab-T等一系列型号的庞然大物`。

AutoSpec 6F, AutoSpec-T.Zab-4F, Zab-T双磁质谱

  AutoSpec-Tof:QTof的前身

  由于双磁质谱仪器体积过于庞大和昂贵,如何把这种功能普及是对Micromass研发人员的挑战。1994年,研发者在AutoSpec磁质谱后串联了oaTof(正交加速飞行时间质谱),对子离子的分辨率达到2000 FWHM,精度达到50ppm,形成AutoSpec-Tof构型。这样不但可以同时得到高分辨的子离子和母离子,而且也减小了仪器的体积和价格。这台AutoSpec-Tof就是QTof的前身。

1994年AutoSpec-Tof和原理图

  从1974到1994年,从磁质谱亚稳离子联动扫描,到增加CID,串联四极杆,再演变为双磁质谱串联,再到磁质谱-Tof串联,这就是早期质谱研发者们不断探索各种串联质谱的创新史。与此同时,Micromass也一直在研发三重四极杆串联质谱,第一台是1984年首次推出的12-250 T,随后是Trio-3、Quattro系列,一直到今天的Xevo系列。

三重四极杆串联质谱发展历程

  1996年Q-Tof诞生

  在20多年的持续研发后,Micromass在1996年推出了轰动一时的Q-Tof,即由四极杆与Tof串联构成,四极杆做单位质量分辨的母离子选择,Tof做子离子精确质量测量。它最大的特点是仪器体积小、性价比高、容易操作。从此Q-Tof进入常规分析时代。

1996年,Waters推出Q-Tof

  “这就是Q-Tof的发展历史,从1974年研发从第一台磁质谱开始,20多年的时间发展到Q-Tof。这其中探索了很多不同的途径,最终研发出这款适合普及的仪器。1997年ASMS会上25%的文章都是QTof的应用。 四年之后终于有其它公司跟风生产。因为这款仪器让很多研究人员获得了丰硕的研究成果。在去年台湾举办的世界蛋白质组学会上,大会还专门给Q-Tof质谱的设计者颁奖。”舒放说。

从离子隧道到离子淌度的10年

  Ion Tunnel离子隧道(用于Q0离子传输)

三重四极质谱的离子传输(左图)和CID碰撞室(右图)示意图

  谈起2006年推出的离子淌度质谱SYNAPT HDMS,舒放却先从三重四极杆质谱说起,传统三重四极杆的Q1之前的Q0离子传输,用的是四极杆。为减少离子传输过程中的损失,2001年Micromass研发者设计了环形电场,即在多个环形片上加RF电场。这种环形电场使离子束在传输过程中很容易把中性粒子和离子分开,离子能够有效聚焦和传输,气体则被真空抽掉,这就是当年的离子隧道(Ion Tunnel)。后来改进为ScanWave技术,现在又发展成为StepWave技术,应用于Waters各种质谱。

Ion Tunnel离子隧道和StepWave原理图

  Travelling-Wave行波(简称T-Wave,用于碰撞室)

  后来研发者发现在加射频电压的环形极片上,两个为一组再加上几伏的直流电压DC,电场形成波浪状,成为T-Wave行波离子传输技术,T-Wave构成的多组行波,离子沿轴向运动,直流电压向前连续切换,如此就可形成一运动的电场或“Travelling Wave”,离子在此电场中做涌浪运动。每一组电压不仅帮助离子传输,还能像海浪一样推着离子往前走,从而非常精确地控制离子的走向和速度。

  将T-Wave应用在碰撞室,极大地提升了串联质谱的灵敏度。因为母离子CID形成子离子后,由于碰撞气体的存在会形成离子向后传输的阻力。而T-Wave行波技术的出现,离子从漂移变成电场控制运动,可以快速推动离子传输到下一级四极杆,有效提升了灵敏度,并降低了交叉污染。

Travelling Wave原理图

  T-Wave用于离子淌度:SYNAPT HDMS诞生

  碰撞室的气压通常在0.075mpa左右以进行碰撞诱导分解(CID),有意思的是,研发者发现如果气压提高(如0.2mpa),还能把离子进一步按照体积和形状分离开,这就是行波离子淌度技术的雏形。最早见于2004年Micromass研发人员发表的文献(Rapid Commun. Mass Spectrom. 2004; 18:2401-2414)。

  T-Wave技术随后被用于Q-Tof质谱,Waters工程师在原有碰撞室气体的基础上加了更多的气体,由于不同尺寸大小的离子碰撞截面积不同,阻力也不同,这样就能够把不同形态的离子分开,这项技术即成为如今有名的离子淌度(IMS,Ion mobility separation)技术。小编还追问离子淌度和离子迁移谱的区别。舒放表示,过去的离子迁移谱使用漂移管,飞行过程不但慢,而且扩散严重,灵敏度损失很大;而Waters开创的行波离子淌度技术可以精确聚焦和控制离子运行,使用约20cm长的T-Wave,即可获得2米长漂移管的淌度分辨率。

  应用行波离子淌度技术,沃特世在2006年推出高清质谱SYNAPT HDMS(High Definition Mass Spectrometer),并获得2007年Pittcon金奖。SYNAPT HDMS在质谱分离质量之外,可按照离子的体积、形状和电荷来分离,增加了分析的特异性和样品的特征。


2006年Waters推出带离子淌度的SYNAPT HDMS,获得2007年Pitton金奖


IMS分辨m/z 545.9499和m/z 545.9502的离子,如果没有IMS,分开这两种离子需要180万的分辨率

  SYNAPT没有止步,它带来越来越多的惊喜。TriWave是在T-Wave的前边加一个TRAP,后面加一个TRANSFER,它们均可作为碰撞室;使SYNAPT质谱具备了MS3三级质谱性能。更令人兴奋的是,这种三级质谱并不是常见的三级质谱方法:母离子在第一个碰撞室(TRAP)产生的碎片,可在之后的T-Wave淌度分离区中根据形态分离,因此当碎片离子按照形态顺序依次进入第二个碰撞室(TRANSFER)后,最终产生的三级碎片不仅包含质量信息,还蕴含了空间结构信息。它被称为时间排列平行碎裂(TAP,Time Aligned Parallel Fragmentation)的三级质谱技术。Waters后来又相继推出了SYNAPT G2和SYNAPT G2-S(G2-Si)等SYNAPT系列产品。

Triwave示意图

在Synapt HDMS上获得的Verapamil(戊脉安)的三级质谱

  实用型离子淌度质谱:Vion IMS QTof

  2015年,沃特世推出了Vion IMS QTof。Vion IMS和SYNAPT HDMS的不同在于,Vion将离子淌度放在了离子源和四极杆Q1之间,这是为了更适应MSE全数据采集模式研发的新型离子淌度IMS Q-Tof。

Vion IMS QTof

SYNAPT结构与 Vion结构对比图

  从设计难度上来看,Vion的难度更高。对比SYNAPT与Vion的结构图可知,不同于SYNAPT仪器内部离子淌度区0.05mbar-0.5mbar的压差,Vion由离子源区101kbar的大气压过渡到离子淌度区内3mbar的高真空,需要很强的真空过渡技术的支持。沃特世为此研发了独特的真空压力调节器,它能实时动态调整气体压力,保证分析实验时的压力与仪器校准时的压力一致,使离子淌度室内的气体维持恒定,这就意味着能够获得可重复性的CCS测量值,让离子淌度的数据重复性达到建立日常分析实用的CCS数据库的标准。现在Vion已经建立了包括了900多个化合物的碰撞截面(CCS)值的数据库,从而让IMS技术面向日常分析使用。”舒放表示。

  Vion在Q-Tof的Q1前加上IMS分离。由于Q1是仅有单位质量分辨的四极杆,加上IMS后,毫无疑问可以增加MS1对母离子的分离分辨能力。回顾本文前面讲到的,这种方法比磁质谱-磁质谱,磁质谱-TOF和QTof要简单得多;而且非常独特的是,IMS还可以分辨同分异构体。

  同时IMS的有效功能降低了DIA MSE非数据依赖采集方法去卷集数据解析的复杂程度。传统串联质谱常用DDA数据依赖采集方法,即第一次先进行全扫描;根据数据强度阈值,第二次选择第一个母离子CID碎裂;第三次选择第二个母离子CID碎裂……。在液相色谱峰流出的时间段内,很多时间没有被充分利用;UPLC的一个色谱峰通常只有2秒,DDA就显得“力不从心”。Waters发明的DIA MSE非数据依赖采集方法,依靠碰撞室高低电压的切换,同时获得母离子和子离子的全部信息,这样可充分利用几乎所有时间来进行有效的二级质谱分析而没有数据丢失。但DIA MSE非数据依赖采集方法也给数据解析带来了很大难度。在Q1前的IMS可以降低这种后续的数据解析难度,因为IMS在离子进入Q1之前进行了一次有效分离。

离子在IMS中先得到分离(红色和绿色),分离后的红色离子进入QTof再进行MS/MS分析

  值得一提的是2017年ASMS上Waters还推出了SONAR功能,提高了QTof的MS/MS性能,在UPLC分离的同时通过扫描四极杆电压使离子分别通过四极杆,再送入碰撞室碎裂。SONAR和IMS是互补的技术,SONAR速度更快;而IMS选择性更强。它们都可有效降低非数据相关采集(DIA MSE)的数据复杂度,增加定性定量的可信度,并适应UPLC的高速度。

离子(红色和绿色)通过SONAR在MS1中快速分离后,分别进入CID进行MS/MS分析

  “由于离子淌度实现了多一维的正交分离,所以原始数据更加复杂,沃特世还提供强大的组学软件Progenesis QI,用于代谢组学、蛋白质组学和脂质组学的研究。Progenesis QI兼容性极强,还能够处理其它非沃特世质谱的数据,该软件有一半的用户是其他品牌产品的用户。为支持Vion、SYNAPT等高分辨质谱的数据分析,沃特世有个很大的计划,就是把所有的相关软件都整合到一个平台,即UNIFI平台。”舒放说。UNIFI以集成的工作流为中心,能够实现液相和质谱完美的无缝联接,并将数据管理纳入单一的软件平台,该平台包括数据采集、处理、可视化、报告、配置合理的工具或网络实验室环境。

沃特世离子淌度发展史

专注于分离科学 突破无限可能

  舒放说:“静水深流。沃特世专注于分离科学,不断突破各种分离的极限。液相色谱是根据化合物分子的保留时间分离的,质谱是根据质量电荷比分离,IMS是根据淌度漂移时间分离。沃特世不断探索,把这三种特性更好地结合起来,突破各种可能。The Science of What’s Possible正是Waters的口号。”沃特世以其悠久的创新历史和独特的企业文化,吸引了一批“铁粉”,“有很多用户评价沃特世的销售不像销售而更像学者,”舒放笑着说,“‘专注’和‘深耕’是沃特世过去、现在和未来都会坚持下去的理念!”

舒放与Brain Green合影

  “我今年去英国Waters质谱中心又见到了Brain Green先生,他是VG Micromass公司五个创始人之一,著名的质谱设计专家,曾经获得英国质谱学会颁发的Aston奖。他虽已年过八十,但依然精神矍铄,每天为他热爱的质谱设计事业工作着。老一辈科学家对科研孜孜不倦的精神是我们后来者的楷模”舒放说。

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