受困离子的迁移特性提升了液相色谱-高分辨率质谱（LC-HRMS）在暴露组学筛查应用中的注释准确性

《Analytical Chemistry》：Trapped Ion Mobility Improves Annotation Accuracy in LC-HRMS Screening Applications for Exposomics

本文评估了离子迁移谱（TIMS）结合LC-HRMS在复杂样本基质（尿液、血清、母乳、粉尘、污水）中的分离效果，发现TIMS能有效区分同位素、异构体及基质干扰，减少假阳性（平均1%），提高MS2谱覆盖率。实验表明，TIMS在筛查低浓度污染物方面具有显著优势，建议结合CCS值预测模型和MS2验证以提高准确性。

　　离子迁移率技术与质谱联用，例如被称作“捕获离子迁移率”（TIMS）的技术，被广泛应用于分析复杂样本中的目标化合物，并通过碰撞截面（CCS）值区分同分异构体。这些技术在分离共流出的背景干扰物质和提升分析精度方面展现出独特的优势，尤其是在环境和生物样本的筛查中。本文通过评估TIMS技术在多种环境相关样本中的表现，探讨了其在提升分析准确性和减少误判方面的潜力。

在日常生活中，化学物质的广泛使用对人类和环境构成了潜在的健康风险。因此，需要建立高效的筛查方法，以识别和量化这些化学物质及其转化产物。传统的靶向分析方法虽然精确，但无法覆盖所有可能的化学污染物，因此，基于液相色谱（LC）与高分辨率质谱（HRMS）的筛查方法成为一种重要手段。然而，在复杂的环境和生物样本中，由于共流出的同分异构体或同质量异构体（isobaric）化合物，容易产生假阳性或假阴性结果，这限制了筛查方法的有效性。此外，高背景噪声可能掩盖目标化合物，尤其在痕量分析中，这一问题尤为突出。

为了解决这些问题，离子迁移率分离（IMS）技术被引入，作为LC分离的补充维度。TIMS作为一种改进的离子迁移率技术，能够通过离子在气体相中的迁移行为，实现对共流出化合物的进一步分离。在TIMS中，离子进入分析器时受到电场作用，通过气体流的拖拽作用被逐渐释放，从而根据其迁移特性进行分离。由于TIMS在分离过程中具有较高的分辨率（通常在200到400之间），且通过两个捕获区域的设计避免了灵敏度的损失，因此它在保持高灵敏度的同时，显著提升了分离能力。

为了评估TIMS在复杂样本中的应用效果，研究人员对769种环境污染物进行了筛查，并获得了948个CCS值，其中594个为正离子模式，354个为负离子模式。研究中采用了五种不同的样本基质，包括尿液、羊血清、母乳、灰尘和污水处理厂（WWTP）的进水样本，这些样本在环境和暴露分析中具有代表性。通过在样本中加入相同的内标混合物，并在不同浓度下进行重复分析，研究人员能够比较TIMS开启与关闭时的检测效果，并评估其对样本复杂性的影响。

在数据处理方面，研究团队使用了TASQ软件进行手动提取和注释，同时结合Python脚本AlphaTims进行自动化处理。通过比较不同样本基质中的特征离子图谱，研究人员发现样本复杂度与检测到的非目标特征数量之间存在正相关。例如，污水处理厂进水样本的非目标特征数量远高于尿液样本，而尿液样本又高于母乳样本。这表明，在复杂基质中，离子迁移率技术能够有效减少背景干扰，从而提升目标化合物的识别能力。

研究还发现，TIMS技术在提升离子迁移率分离能力的同时，能够显著减少假阳性注释。在所有样本基质中，共检测到112个与参考标准具有不同迁移率的峰，其中36个被确认为假阳性，而76个则为真实化合物的干扰。这种分离能力在正离子模式下尤为明显，例如在尿液样本中，TIMS分离技术能够将假阳性注释控制在总离子数的1%以内。这表明，TIMS技术在减少错误注释和提高分析准确性方面具有重要作用。

此外，研究团队还评估了TIMS对MS2谱图质量与覆盖范围的影响。通过使用并行积累-串行碎裂（PASEF）技术，TIMS能够在不牺牲灵敏度的情况下，提高MS2谱图的覆盖范围。研究显示，在高浓度样本中，MS2覆盖范围达到64%至93%，而在低浓度样本中，覆盖范围降至32%至84%。这说明，在低浓度样本中，背景干扰对MS2谱图质量的影响更为显著。然而，通过增加TIMS的分辨率和优化分离参数，研究人员能够有效提升低浓度化合物的检测效果。

研究还指出，TIMS技术在环境暴露分析中的应用具有广阔的前景。尤其是在处理具有相似保留时间（RT）和质量电荷比（m/z）的化合物时，离子迁移率分离能够提供额外的分离维度，从而减少误判的可能性。同时，通过使用预测模型（如CCSBase），研究人员能够进一步提高筛查的准确性。尽管预测模型在碰撞截面（CCS）的预测方面表现良好（R2值为0.95），但在保留时间（RT）的预测上仍存在不足，因此需要更宽泛的注释窗口以应对预测误差。

总的来说，TIMS技术在提升环境和生物样本分析的准确性和效率方面展现出显著的优势。通过结合离子迁移率分离和高分辨率质谱技术，研究人员能够更有效地分离共流出化合物和背景干扰，提高结构识别的准确性。尽管TIMS技术不能完全取代传统的色谱分离方法，但它能够作为强有力的补充工具，提升筛查的整体性能。在未来的暴露分析研究中，TIMS技术的应用有望进一步拓展，特别是在需要广泛筛查和高灵敏度检测的场景中。