AN IMPROVED CALIBRATION APPROACH FOR TRAVELLING WAVE ION MOBILITY SPECTROMETRY: ROBUST, HIGH-PRECISION COLLISION CROSS SECTIONS

Význam tématu

Separace iontů pomocí technologie travelling wave ion mobility spectrometrie (TWIM) umožňuje získat kolizní průřezy (CCS), které jsou klíčové pro charakterizaci struktur biomolekul i malých organických sloučenin. Přesné a reprodukovatelné CCS hodnoty jsou zásadní v oblasti proteomiky, metabolomiky, kvality potravin i farmaceutického průmyslu. Vývoj spolehlivějších kalibračních postupů zvyšuje důvěryhodnost výsledků a rozšiřuje aplikovatelnost TWIM v různých oblastech analýzy.

Cíle a přehled studie

• Navrhnout nové kalibrační funkce pro TWIM založené na pokročilé teorii a numerických simulacích, zahrnující relaxační i radiální efekty.
• Ověřit tyto funkce na široké sadě standardních kompaundů a proteinů měřených v různých podmínkách na dvou platformách (Waters Synapt G2 a Cyclic IMS).
• Srovnat přesnost a robustnost tradičních power-law kalibrací s navrženými víceparametrovými funkcemi.

Použitá metodika a instrumentace

• Teoretický model: Rovnice popisující pohyb iontů v jednom rozměru za působení sinusového TW pole rozšířená o relaxační a radiální termíny.
• Numerické simulace: SIMION3D s modelem SDS kolizí pro simulaci diskrétního krocování TW a off-axis pohybu iontů.
• Instrumentace:
• Waters Synapt G2 (3 mbar N₂, amplituda vlny 20–50 V, rychlost 375–1000 m/s).
• Waters SELECT SERIES Cyclic IMS Q-TOF (cIM, ~2 mbar N₂, cesta 98 cm, >600 elektrod).
• Zkušební látky: Polynukleotidové ionty polyalaninu, směsi domácích lipidů, proteiny (cytochrom c, BSA, ADH, ubiquitin aj.) a vybrané peptidové standardy.
• Zpracování dat: Vlastní skripty Python/MATLAB pro výpočet CCS, kalibraci a vyhodnocení RMSE.

Hlavní výsledky a diskuse

• Tradiční power-law kalibrace dávala nízkou chybu (%RMSE <2 %) pouze při nízkých rychlostech TW. Při vyšších rychlostech docházelo k systematickým odchylkám.
• Zavedením relaxačních parametrů (α, γ) se podařilo redukovat chybu kalibrace na <1 % napříč celou maticí napětí a rychlostí.
• Úprava radiálního působení iontů pak přinesla další zlepšení, zejména u malých iontů a nízké náboje.
• All-ion kalibrace pomocí tzv. blend funkce (2–3 volné parametry) dosahovala srovnatelných přesností na obou platformách a předešla přeučení, jak ukázala křížová validace.
• Jednoduchá směs obsahující pouze jeden rodný protein (BSA) a několik peptidů dokázala kalibrovat rozsah CCS od ~45 nm² až po >200 nm² s chybou do 3,6 % při extrapolaci na velké proteiny.

Přínosy a praktické využití metody

• Významně zvýšená robustnost a přesnost CCS hodnot bez nutnosti rozsáhlých sady standardů.
• Snížení experimentálního času a nákladů díky minimalizaci kalibračního setu.
• Možnost jednotné kalibrace pro heterogenní směsi malých i velkých makromolekul.
• Vhodné pro rutinní QA/QC aplikace i výzkumné studie v proteomice a metabolomice.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Vývoj specializovaných komerčních kalibračních směsí na základě minimálního setu s širokým pokrytím CCS spektra.
• Aplikace pro vysokorozlišovací IMS systémy a další iontové mobility formáty (TIMS, DTIMS).
• Integrace s umělou inteligencí a strojovým učením pro automatizované doladění kalibrace podle provozních podmínek.
• Další zdokonalení modelů pro přesnější zachycení vlivu teploty a tlaku v mobilitní komoře.

Závěr

Navržené kalibrační funkce založené na analytickém řešení pohybové rovnice iontu ve TWIM, doplněné o relaxační a radiální korekce, dosahují vysoké přesnosti (%RMSE ≤1 %) a robustnosti napříč platformami a podmínkami. Minimalizovaný kalibrační set umožňuje efektivní provoz za nižší náklady a otevírá cestu k standardizaci CCS měření v široké škále aplikací.

Reference

• Richardson K., Langridge D., Giles K. Int. J. Mass Spectrom. 428, 71–80 (2018).
• Richardson K. et al. MP392, ASMS (2018).
• SIMION 3D v8.1, Scientific Instrument Services, Inc.
• Ruotolo B. et al. Nat. Prot. 3(7), 1139–1152 (2008).
• Zhong Y., Hyung S., Ruotolo B. Analyst 136, 3534–3541 (2011).
• Giles K. et al. TP 385, ASMS (2017).
• Bush M. et al. Anal. Chem. 82, 9557–9565 (2010).
• Bush M., Campuzano I., Robinson C. Anal. Chem. 84, 7124–7130 (2012).
• Picache J. et al. Chemical Science 10, 983–993 (2018).