Precursor and Product Ion Mobility and Collision Cross Section Determination by Travelling Wave Cyclic Ion Mobility – Mass Spectrometry

Význam tématu

Ion mobility–mass spectrometry (IM‑MS) s určením kolizního průřezu (CCS) přidává další rozměr selektivity k běžným LC‑MS/MS přístupům a je zásadní pro rozlišení izomerů a polohových izomerů, které konvenční tandemová hmotnostní spektrometrie často nedokáže jednoznačně určit. Cílené měření CCS jak prekurzorových, tak produktových iontů zlepšuje strukturální identifikaci v oblastech farmacie, environmentální chemie, přírodních produktů a toxikologie a umožňuje budování opakovatelných CCS „otisků“ sloučenin pro rutinní analýzy.

Cíle a přehled studie

Studie hodnotí výkonnost Travelling‑Wave Cyclic Ion Mobility – Mass Spectrometry (cyclic TWIMS) při:

• určení CCS pro prekurzorové i produktové ionty,
• rozlišení izomerů, jejichž strukturu nelze jednoznačně určit pouze z MS/MS,
• integraci výsledků s in‑silico predikcí produktových iontů a vytvoření pracovních postupů pro zpracování vícerozměrných dat (m/z, retence, CCS, intenzita).

Použitá metodika

Chromatografie:

• ACQUITY UPLC BEH C18, 100 mm x 2.1 mm, 1.8 µm, 35 °C, průtok 0.3 mL/min, injekce 10 µL.
• Mobilní fáze A: 95 % voda (2 mM acetát amonný) : 5 % methanol; B: methanol (2 mM acetát amonný).
• Gradienty: 22 min pro PFOS izomery, 5 min pro standardy farmak a přírodních produktů.

Mass spectrometry / ionizace:

• EA/ESI pozitivní i negativní režim; kapilární napětí 0.5/0.3 kV.
• Teplota zdroje 100 °C; desolvace 550 °C, průtok plynu 1000 L/h.
• Akvizice: HDMSE (DIA s IM), HDMS (IM‑MS) s/bez kvadrupólové izolace.

Zpracování dat:

• MassLynx a DriftScope pro akvizici a prvotní review; kalibrace driftu/CCS a centroidování dat.
• ApexRT pro detekci píků; CompareCSV pro vícesloupcové párování s tolerancemi.
• CFM‑ID v2.4 pro in‑silico predikci produktových iontů; vlastní aplikace ve Streamlit s knihovnami pandas, numpy, plotly a matplotlib pro vizualizaci a výpočty CCS.

Použitá instrumentace

• UPLC systém ACQUITY s BEH C18 kolonou (100 x 2.1 mm, 1.8 µm).
• SELECT SERIES Cyclic Ion Mobility – Mass Spectrometer (Travelling‑wave cyclic IMS od Waters) s ESI zdrojem.
• MassLynx a DriftScope (data acquisition/visualization), ApexRT, CompareCSV, CFM‑ID (software), a vlastní Python rozhraní (Streamlit, pandas, numpy, plotly, matplotlib).

Hlavní výsledky a diskuse

Klíčová zjištění:

• CCS měření produktových i prekurzorových iontů umožnila rozlišit lineární a větvené PFOS izomery; rozdíly v driftovém čase a CCS byly konzistentní a opakovatelné.
• U flavonoidů (isoorientin/isovitexin a orientin/vitexin) bylo dosaženo rozlišení izomerických prekurzorů i diagnostických produktových iontů na základě driftového času a vypočteného CCS.
• Pro farmaceuticky relevantní sloučeniny byly vytvořeny vysoce specifické CCS „otisky“ produktových iontů a tyto otisky byly úspěšně spárovány s in‑silico predikcemi (CFM‑ID), čímž se zvýšila jistota anotace.
• Popis workflow zahrnuje kroky: multidimenzionální detekce píků, centroidování, CCS kalibraci, porovnání s predikcemi a vizualizaci výsledků — což umožnilo rychlou revizi a manuální i automatizované anotace.

Grafické a tabulární výsledky (shrnutí):

• Obrázky ukazují konfiguraci cyclic IMS a příklady separace driftového času pro produktový ion m/z 379 ukazující jasné oddělení lineárního PFOS vs větveného izomeru.
• Tabulka uvádí naměřené m/z a CCS hodnoty pro sadu environmentálních, přírodních a farmaceutických sloučenin; zvýrazněny jsou případy, kde CCS přidává diskriminační informaci.

Přínosy a praktické využití metody

Praktické výhody a aplikace:

• Zvýšená selektivita a jistota identifikace izomerů v rutinní analytice (např. PFAS monitoring, metabolitická identifikace, kontrola kvality léčiv).
• Možnost použití produktových iontů s přiřazenými CCS jako doplňku spektrálních knih pro spolehlivější anotaci v metabolomice a forenzní chemii.
• Integrace s in‑silico nástroji zrychluje identifikaci neznámých a asistuje v interpretaci MS/MS dat, zejména tam, kde fragmentace neposkytuje jednoznačnou informaci o pozici funkčních skupin.

Budoucí trendy a možnosti využití

Pravděpodobné směry vývoje:

• Rozšiřování standardizovaných CCS databází produktových iontů a jejich využití ve sdílených knihovnách pro rychlou anotaci.
• Hlubší integrace in‑silico predikcí (např. CFM‑ID) s automatizovanými workflow pro DIA data (HDMSE), včetně strojového učení pro zvýšení jistoty shod.
• Zvýšení rozlišení a opakovatelnosti IM měření díky více cyklům v cyclic TWIMS, což umožní detekovat jemnější strukturální rozdíly.
• Komercializace lehkých review‑aplikací a API pro plně automatizované zpracování vícerozměrných datasetů v regulované laboratorní praxi.

Závěr

Travelling‑Wave Cyclic IMS‑MS poskytuje silný doplněk k LC‑MS/MS pro strukturální elucidaci: měření CCS produktových iontů zvyšuje schopnost rozlišit izomery a poskytuje specifické „otisky“, které lze kombinovat s in‑silico predikcemi pro rychlejší a přesnější anotaci. Navržené workflowy pro multidimenzionální zpracování dat podporují využití metody v širokém spektru aplikací od environmentální analytiky po farmaceutický výzkum.

Reference

1. Giles et al. A Cyclic Ion Mobility‑Mass Spectrometry System. Analytical Chemistry. 2019 Jul 2;91(13):8564–8573.
2. Techniques for sample analysis using product ion collision‑cross section information, US12332210B2.
3. Allen et al. CFM‑ID: a web server for annotation, spectrum prediction and metabolite identification from tandem mass spectra. Nucleic Acids Research. 2014 Jul;42(Web Server issue):W94–W99.