Development of timsMRMS: A Gated-TIMS FT-ICR MS instrument to decipher isomeric content of complex organic mixtures

Význam tématu

Integrace selektivních iontově-mobilitních separací (TIMS) s ultra-vysokým rozlišením Fourier transform ion cyclotron resonance (FT-ICR, komerčně MRMS) otevírá nové možnosti při rozlišování izomerů a konformerů v komplexních organických směsích. Schopnost separovat podle mobilitního koeficientu a následně provést ExD (electron-based dissociation) či jiné MS/MS techniky při zachování vysoké hmotnostní přesnosti je klíčová pro environmentální analýzy, studium bio-olejů, strukturální proteomiku a pro zvyšování informativnosti MALDI zobrazování.

Cíle a přehled studie

Hlavním cílem bylo navrhnout a ukázat funkčnost nového přístroje timsMRMS: gated-TIMS integrovaného s FT-ICR MS optimalizovaného pro vysokou iontovou kapacitu, nízkoenergetický přenos a možnost multi-fill akumulace před ExD/MS/MS. Studie demonstruje: správu iontů mezi TIMS a FT-ICR, věrnost mobility při různých režimech gTIMS, vliv prodlouženého zadržení v kolizní buňce na ExD fragmentaci a aplikace v MALDI zobrazování a analýze komplexních směsí.

Použitá metodika a instrumentace

Popis přístroje a klíčová vylepšení:

• Platforma: timsMRMS – kombinace gated-TIMS (gTIMS) s FT-ICR (ParaCell) na vysokopolním magnetu (uvedeno 18 T).
• TIMS cartridge: D7 TIMS cartridge podobná používané v timsTOF flex; duální akumulace + analýza (parallel accumulation + analysis) pro téměř 100% duty cycle.
• Hexapolová kolizní buňka a 21-lens stacked-lens přenosová sestava pro vysokou iontovou kapacitu, široké m/z přenosové pásmo a optimalizované ejekční profily pro úzké temporální rozložení při vstupu do ICR buňky.
• Ionová brána: re-funkcionalizovaný rychlý kvadrupól jako binární iontová brána pro gTIMS (umožňuje izolaci současně v mobilitě i m/z).
• MALDI modul: SmartBeam 3D laser (až 5 µm fokus), galvonometrická rastrací zrcadla, microgrid xyz stage s výškou měřícím laserem pro adaptivní fokus; umožněno multimodální použití (duální ESI + MALDI s přepínáním v softwaru).
• Transmise: optimalizace tlakových poměrů v TIMS komoře (stages 1+2 ~2–3 mbar) a řízení restrikčního ventilu pro stabilní plynoucí podmínky a konzistentní separaci.
• Analytické režimy: dvě implementace gTIMS – sweeping gate (posuvná brána přes opakovaný ramp) a sweeping ramp (statická brána, posuv TIMS rampy).

Hlavní výsledky a diskuse

Klíčová zjištění:

• Mobilitní věrnost: gTIMS vykazuje velmi vysokou přesnost mobility s korelačním koeficientem R2 = 0,9999 pro oba režimy (sweeping gate i sweeping ramp).
• Bezpečné ukládání iontů: hexapolová kolizní buňka umožňuje nízkoenergetické a stabilní ukládání iontů po desítky sekund bez ohřevu nebo ztrát, což podporuje multi-filling (vícenásobné doplňování) před ExD/MS/MS a maximalizaci S/N.
• ExD stabilita při dlouhém zadržení: k porovnání byly použity dvě podmínky – bez prodlouženého zadržení (ICT = 0 s) a po čtyřech TIMS cyklech (ICT = 2 s). Nevznikly žádné významné rozdíly ve fragmentačních profilech ExD, což potvrzuje, že multi-filling neovlivňuje strukturální informaci získanou ExD.
• Vysoká iontová nálož a dynamický rozsah: systém optimalizovaný pro velké iontové ensemble – zaznamenáno až ~15 000 000 iontů na scan s intra-scan dynamickým S/N překryvem 5,1–5,4 řádů (vylepšeno po zavedení hexapolové buňky a stacked-lens).
• MALDI zobrazování: microgrid stage a adaptivní fokus umožňují reprodukovatelné MALDI obrazy s rozlišením pixlu až 10 µm; galvometerské rastry řídí velikost pixelu.
• Režimy paralelizace: úpravy potenciálů (zvýšení bariéry T2 mezi akumulací a analyzátorem) a řízení přenosu iontů umožnily paralelní plnění a eluci tak, aby byla minimalizována mobilitně závislá aktivace a dosaženo konzistentního energetického profilu iontů.

Přínosy a praktické využití metody

Praktické výhody a aplikace:

• Rozlišení izomerů a konformerů v komplexních organických směsích (environmentální extrakty, bio-oleje) pomocí kombinace TIMS šířky mobilitní distribuce a vysokého m/z rozlišení FT-ICR.
• Konformer-selektivní MS/MS: možnost cílených ExD experimentů na jednotlivé mobilitní frakce umožňuje podrobnou strukturální analýzu biomolekul (proteinová topologie, modifikace).
• Vysokodynamické studie: multi-fill strategie a stabilní ukládání iontů umožňují zvýšení S/N pro nízko nabité i vzácné signály bez degradace fragmentačních profilů.
• MALDI zobrazování tkání: mikrometrické rozlišení a adaptivní fokus zajišťují konzistentní ablaci a zvýšenou prostorovou věrnost při molekulárním zobrazování.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekávané směry rozvoje:

• Rozšíření CCS (collision cross section) databází a jejich integrace do workflow pro přesnější identifikaci izomerů a konformerů.
• Automatizace multi-fill a loopovaných ExD sekvencí pro vysokoprůchodové kvantitativní aplikace a rychlé naskenování komplexních matic.
• Pokračující optimalizace kolizní buňky a přenosových optik pro další zvyšování dynamického rozsahu a počtu iontů na scan bez redukce kvality spektra.
• Spojení s pokročilými výpočetními přístupy a AI pro dekonvoluci izomerových populací a predikci struktur na základě kombinovaných IMS+FT-ICR dat.
• Rozvoj multimodálních zobrazovacích studií kombinujících vysoké prostorové rozlišení MALDI s mobilitně rozlišenými MS/MS pro komplexní biologické a patologické mapy.

Závěr

Studie popisuje úspěšnou konstrukci a validaci timsMRMS — gated-TIMS integrovaného s FT-ICR MS — která umožňuje vysokou citlivost, velmi vysoké spektrální rozlišení a věrné zachování mobilitní informace. Klíčové technické inovace (hexapolová kolizní buňka, stacked-lens, duální akumulace/analýza TIMS, adaptivní MALDI stage) poskytují robustní platformu pro analýzu izomerů v komplexních směsích a pro konformer-selektivní MS/MS bez kompromisů v ExD fragmetaci. Tato integrace otevírá nové aplikační možnosti v enviromentální chemii, analytice obnovitelných paliv, strukturální proteomice a v molekulárním zobrazování.

Reference

1. Wootton CA, Maillard J, Theisen A, Brabeck GF, Schat CL, Rüger CP, Afonso C, Giusti P. A Gated TIMS FTICR MS Instrument to Decipher Isomeric Content of Complex Organic Mixtures. Anal Chem. 2024;96(28):11343–11352. DOI: 10.1021/acs.analchem.4c01370
2. Spraggins JM, Djambazova KV, Rivera ES, Migas LG, Neumann EK, Fuetterer A, Suetering J, Goedecke N, Ly A, Van de Plas R, Caprioli RM. High-Performance Molecular Imaging with MALDI Trapped Ion-Mobility Time-of-Flight (timsTOF) Mass Spectrometry. Anal Chem. 2019;91(22):14552–14560.
3. Theisen A, Black B, Corinti D, Brown J, Bellina B, Barran PE. Initial Protein Unfolding Events in Ubiquitin, Cytochrome c and Myoglobin Are Revealed with the Use of 213 nm UVPD Coupled to IM-MS. JASMS. 2019;30(1):24–33. doi:10.1007/s13361-018-1992-0
4. Borotto NB, Osho KE, Richards TK, Graham KA. Collision-Induced Unfolding of Native-like Protein Ions Within a Trapped Ion Mobility Spectrometry Device. J Am Soc Mass Spectrom. 2022;33(1):83–89. DOI: 10.1021/jasms.1c00273
5. Ridgeway ME, Wolff JJ, Silveria JA, Lin L, Costello CE, Park MA. Gated trapped ion mobility spectrometry coupled to Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry. Int J Mobil Spec. 2016;19:77–85. DOI: 10.1007/s12127-016-0197-0
6. Stow SM, Causon TJ, Zheng X, Kurulugama RT, Mairinger T, May JC, Rennie EE, Baker ES, Smith RD, McLean JA, Hann S, Fjeldsted JC. Collision cross section calibration and recommendations. Anal Chem. 2017;89(17):9048–9055.