A Novel High Pressure, High Space Charge Capacity Ion Separation Device Based on Opposing Travelling Wave and DC potentials

Význam tématu

Ionová mobilitní spektrometrie (IMS) hraje klíčovou roli při separaci a charakterizaci nabitých částic v analytické chemii. Technologie Travelling Wave IMS (TWIMS) nabízí rozšíření délky separační dráhy a možnosti složitějších skládacích či uzavřených uspořádání. Zároveň však tradiční TWIMS čelí omezením v kapacitě náboje a přesné kontrole doby elučního.

Cíle a přehled studie

Hlavním cílem bylo navrhnout a otestovat nový separační modul kombinující protisměrné Travelling Wave (TW) a stejnosměrné (DC) pole. Studie zahrnuje teoretický popis principu činnosti i praktické ověření výkonnosti prototypu integrovacího osmikanálového zařízení do hmotnostního spektrometru Waters SYNAPT XS.

Použitá metodika a instrumentace

Vývoj probíhal v prostředí upraveného přístroje Waters SYNAPT XS. Klíčové komponenty:

• Osmikanálová komora se sběrným pre-trapem (5×30×50 mm), trapem (51 mm) a analytickou sekcí (81 mm) s 8 paralelními SRIG prstenci.
• DC pole (max. 1 V/mm) generované děličem odporů.
• Čtyřfázový sinusový TW vyráběný pomocí generátoru AIM-TTi TGA12104 a zesilovače Tabor 9400A.
• Měření iontového proudu s elektrometrem Keysight B2985B.
• Pracovní podmínky: 1 mbar N₂ nebo 3 mbar He, variační TW rychlosti 480–1920 m/s.

Hlavní výsledky a diskuse

Prototyp dosáhl při 100 ms separaci rozlišení IMS ~45 FWHM pro směs Raffinózy a Melezitózy při TW 480 m/s. Při užším rozsahu mobility a delším skenu bylo dosaženo až ~120 FWHM. Experimenty potvrdily lineární nabíjecí kapacitu až ~4×10⁷ iontů. Při vyšší TW rychlosti (1680–1920 m/s) se přepínalo na m/z režim separace s výrazným zužováním šířky píků a přeřazením elučních časů podle m/z.

Přínosy a praktické využití metody

Nové zařízení kombinuje vysokou prostorovou kapacitu náboje s flexibilní kontrolou doby eluční. Umožňuje plynule přecházet mezi IMS a m/z rezolucí úpravou TW rychlosti a amplitudy. Díky kompaktní konstrukci je snadno integrovatelné do MS/MS workflow, významně zvyšuje pracovní cyklus při DDA i DIA experimentech.

Budoucí trendy a možnosti využití

Výzkum se bude zaměřovat na:

• Škálování počtu paralelních kanálů pro další zvýšení kapacity.
• Zvýšení elektrického pole a prodloužení analytické sekce pro lepší rozlišení.
• Optimalizaci separace v lehčích plynech (např. H₂) pro zvýšení rychlosti a rozlišení.
• Přímou integraci s kvadrupólovým analyzátorem pro maximální MS/MS duty cycle.

Závěr

Představené zařízení demonstrovalo shodu teoretického modelu s experimentálními daty. Kompaktní osmikanálový modul dosahuje vysoké IMS rozlišení (~45 FWHM) i značné nabíjecí kapacity (~4×10⁷), přičemž nabízí nový režim m/z separace. Flexibilita provozu otvírá nové možnosti v analytické praxi.

Reference

1. Richardson K., Langridge D., Giles K. Fundamentals of travelling wave ion mobility revisited: I. Smoothly moving waves. Int. J. Mass Spectrom. 428, 71–80 (2018).
2. Wildgoose J. et al. Novel Operating Modes of an Ion Mobility Quadrupole Time-Of-Flight Hybrid Instrument. Proceedings of the 63rd ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, St. Louis (2015).