漫谈离子迁移质谱

离子迁移质谱(IMS)也称之为等离子体色谱在分析领域已应用多年，主要应用包括侦测在战争中化学武器，检测爆炸物，有毒气体等。美国军方和安全机构在IMS上付出了大量的努力使之实用化，在以前某次新闻中好像看到美国陆军向布鲁克订购了IMS类战场气体探测装置。

IMS的在安全检查方面研究比较多，前期IMS设备主要设计主要是提高IMS响应速度，快速检测。相比较各种“动物稽查员”和成像设备（涉及隐私泄露），IMS避免了被检查人员不必要的不快感，降低人力成本。但是IMS需要设计为很高的分析速度，相对于票务检查系统，检查时间需要控制到20s以内，这样才可能满足公共场所大量人流快速检查的需要。
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图1采用这种装置研制的安检装置未来有可能应用在机场,火车站安检,主要用来检查爆炸物和毒品,目前试验可以检测到1μg的可卡因.。

图2为史密斯探测和美国桑迪亚国家实验室制造的用于检测爆炸物的配备IMS的探测门样机。

IMS另一个主要问题是灵敏度，在检测离子在质谱内迁移过程中不可避免的离子扩散过程实际，该过程对离子浓度有一定的稀释作用。提高灵敏度的方法是在IMS设置不同的区域，典型的设计为IMS离子一般包括三个区域，第一个区域用来储存富集离子或者采用离子漏斗（ion funnel）等装置，第二个用电场来分离离子，该部分为离子电场漂移区。第三个区域会改变电压在此再次聚集离子。在与别的质量分析器联合使用的时候第三个区用来作下一级质量分析器的接口，这种设计在目前已有所应用来分析生物样品的联用质谱如IMS-TOF（图3）。后期在生命科学应用的IMS主要设计方向是提高灵敏度，在把MS整合到多级质谱不损失仪器灵敏度。
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图3印第安纳大学研制的ims-tof装置。配备离子漏斗(富集离子作用)的多级IMS-TOF质谱。

知道了IMS的前世今生，下面我们来说说离子迁移质谱的工作过程。离子迁移质谱与其说是质谱不如说它的工作过程更像色谱过程。当带电离子进入漂移区，漂移区分布有电场，在电场的驱动下，带电离子与漂移区的中性惰性气体碰撞并移动，不同的“形状”和重量离子迁移速度不同，迁移速
度与离子的迁移常数有关，迁移常数的用以下方程来描述：

K是离子迁移常数，该常数与迁移场电场强度和离子迁移速度直接相关。q是离子电荷，N是缓冲气体密度数，k是波尔兹曼常数，T是绝对温度，m是缓冲气体常数，M是离子质量，Ω是离子跨碰撞区域系数。

IMS其实根据离子的“形状”来分离鉴定分析物，它可以提供一定的结构信息，区分质量相同但空间结构不同的异构体。例如：如区分在不同溶液的蛋白质折叠状态，一般认为同一种折叠的蛋白质会迁移的更快，迁移时间更短，这些信息是传统质谱是无法获得的。

IMS质谱可以在大气压力和真空环境下运行，并且在大气压力下有更好的分辨率。所以IMS很容易整合到多级串联质谱中，并且因为IMS在不同状态下气压运行的良好耐受力，IMS一般作为多级质谱的第一级，如AB Sciex 在自己的多款质谱中提供整合/不整合IMS的方案。在质谱成像系统中，IMS作为良好的接口，降低了生物组织作为样品的时候质谱离子源设计的难度，对生物组织同时解离的多种物质如：脂类，蛋白质类良好的预分离和筛选作用。

IMS也具有一定的色谱分离能力，并且分离过程更快。在质谱中引入一级IMS，相当多了一维度分离过程。IMS-MS平台提高了蛋白质组学研究的动态范围，提高分析速度如：高效液相色谱分离复杂生物样品从几分钟到几小时，但是IMS只需要几微秒。有些人认为在小分子分析领域，IMS也许会替代HPLC作为药物分析的一种快速例行分析手段。

IMS对气体的捕获能力和研究的分子气态状态的表现行为可以用来探测人类的尿液中的挥发性物质，图4为典型分析IMS三维图，通过多种挥发性物质的统计分析来提高分析的专属性。IMS同样可以综合分析人类体液：汗液，尿液，血液。。。这些体液可以帮助我们追踪在地震中废墟中失踪人员（最近地震多），当解决了灵敏度和特异性这些问题后，IMS也许会降低搜救犬们的工作量（狗狗辛苦啊，而且在短时间频繁的高强度使用鼻子工作，会提高狗狗们的错误率！）。

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图4人类尿液IMS分析三维谱图。

IMS未来也许会小型化，也许会整合到各种装置上（不限于质谱），我们在未来会看到它的更大的发展和应用。在此，感谢那些写文章的大牛们，向你们致敬，恕我冒昧的使用你们的漂亮的图文，因为不做商业用途，也不做学术的讨论，只是和生物质谱板块的筒子们“漫谈”一下，没有详细注明出处，敬请谅解。