De volledige chemische karakterisering van biomoleculen is de sleutel tot het begrijpen van hun onderliggende biologische en functionele eigenschappen. Hiertoe hebben zich de afgelopen jaren “omics”-wetenschappen ontwikkeld, gericht op de grootschalige karakterisering van chemische structuren bij biologische concentraties. In proteomica en metabolomica is MS een kerninstrument geworden om de structurele heterogeniteit in biologische media te ontrafelen, met name dankzij de gevoeligheid en het vermogen om structurele informatie te verstrekken via tandem MS (MS / MS). In MS /MS-strategieën wordt een ion geselecteerd op basis van zijn massa, vervolgens gefragmenteerd en ten slotte worden de massa’s van zijn fragmenten verkregen om een vingerafdruk van het molecuul vast te stellen. MS/MS-spectra kunnen met name worden gebruikt om spectrale ^databases1,2 te matchen of om de bovenliggende structuren voorlopig te reconstrueren3,4. In de veronderstelling dat vergelijkbare spectra tot vergelijkbare verbindingen behoren, kunnen MS/MS-gegevens ook worden gebruikt om moleculaire netwerken (MN’s) te bouwen die verwante soorten verbinden via een ^{gelijkenisscore5,6}.

Vanwege de inherente eigenschap van MS om de massa-ladingsverhouding (m/z) van ionen te detecteren, is de techniek echter blind voor een aantal structurele kenmerken die binnen het bereik van (stereo)isomerie vallen. Koolhydraten zijn bijvoorbeeld gemaakt van verschillende monosaccharide-subeenheden, waarvan er vele stereo-isomeren of zelfs epimeren zijn (bijv. Glc vs. Gal of Glc vs. Man). Deze subeenheden zijn verbonden door glycosidische bindingen, die kunnen verschillen door de positie van de koppeling (regio-isomerisme) en de sterische configuratie van de anomere koolstof (anomerisme). Deze kenmerken maken het voor standalone MS moeilijk om onderscheid te maken tussen ^{koolhydraatisomeren7}, en alleen regio-isomerisme kan worden aangepakt met behulp van hoogenergetische activeringsmethoden8,9,10. Hoewel derivatisatie een optie is om de equivalentie van stereo-imcesorische ^groepen11 te verstoren, vereist het een uitgebreide monstervoorbereiding. Een andere, meer eenvoudige optie is om MS te koppelen aan een analytische dimensie die gevoelig is voor isomerisme, zoals IMS.

Omdat dit protocol is ontworpen voor gebruikers die al bekend zijn met de basisconcepten van IMS en omdat gedetailleerde beoordelingen elders beschikbaar ^zijn12,13, wordt hier slechts een kort overzicht van de principes van IMS gegeven. IMS is een gasfasescheidingsmethode die vertrouwt op de interactie van ionen met een buffergas en een elektrisch veld, waardoor ionen uiteindelijk worden gescheiden volgens hun gasfaseconformaties. Verschillende principes van IMS gekoppeld aan MS zijn te vinden op commerciële instrumenten: sommige werken op afwisselend hoge en lage elektrische velden (veldasymmetrisch IMS, FAIMS), terwijl de meeste werken binnen de lage veldlimiet, met name driftbuis IMS (DTIMS, lineair afnemend elektrisch veld), reizende golf IMS (TWIMS, symmetrische potentiaalgolven) en gevangen IMS (TIMS, hoge stroom van buffergasvangende ionen tegen elektrische velden)¹³ . De low-field methoden geven toegang tot een zogenaamde CCS, een eigenschap van het ion-gaspaar die het oppervlak (in ^Å2 of ^nm2) vertegenwoordigt van het ion dat tijdens de scheiding interageert met het buffergas. CCS is theoretisch instrumentonafhankelijk en is dus nuttig om gegevens te genereren die tussen verschillende laboratoria kunnen worden ^{gereproduceerd14}. Ionenmobiliteitsscheidingen kunnen worden beïnvloed door verschillende parameters en met name door fluctuaties van de gasdruk en gastemperatuur in de mobiliteitscel. De CCS-kalibratie is een manier om dit te verhelpen, omdat zowel de kalibrant als de soort van belang op dezelfde manier zullen worden ^beïnvloed13. Het is echter verplicht om het instrument in een temperatuurgecontroleerde ruimte te installeren en een betrouwbaar gasdrukregelsysteem te hebben.

Een interessante evolutie van IMS is IMS/IMS, dat voor het eerst werd geïntroduceerd in 2006 door clemmer’s groep als een analoog van MS/^MS15,16. In IMS/IMS wordt een ion van belang selectief geïsoleerd op basis van zijn ionenmobiliteit; het wordt vervolgens geactiveerd (tot mogelijke fragmentatie) en een nieuwe IMS-analyse van het geactiveerde ion of fragmenten wordt uitgevoerd. In het eerste instrumentele ontwerp werden twee IMS-cellen in serie gezet, gescheiden door een ionentrechter waar de activering stond. Sindsdien, hoewel een aantal IMS/IMS-opstellingen werden voorgesteld (voor een beoordeling, zie Eldrid en ^{Thalassinos17}), kwam de eerste commerciële massaspectrometer met IMS/IMS-capaciteit pas in 201918 beschikbaar. Dit instrument verbeterde het oorspronkelijke concept aanzienlijk door het te combineren met een andere technologische doorbraak: een cyclisch ontwerp van de IMS-cel.

De cyclische IMS-cel maakt het theoretisch mogelijk om de lengte van het driftpad en dus het oplossend vermogen van het instrument bijna oneindig te ^vergroten19. Dit werd bereikt door middel van een bepaalde instrumentgeometrie, waarbij de cyclische TWIMS-cel orthogonaal op de optische hoofdas van het ion wordt geplaatst. Een multifunctioneel arraygebied bij de ingang van de IMS-cel maakt het mogelijk om de richting van het ionenpad te regelen: (i) ionen zijwaarts verzenden voor IMS-scheiding, (ii) vooruit voor MS-detectie, of (iii) achteruit van de IMS-cel om te worden opgeslagen in een prearraycel. Vanuit deze prearray store-cel kunnen de ionen worden geactiveerd en de fragmenten opnieuw in de IMS-cel worden geïnjecteerd voor ionenmobiliteitsmeting, een aanpak die met succes is gebruikt om stereo-isomeren te ^{karakteriseren20}. Uiteindelijk bevatten de verzamelde gegevens ionenmobiliteit en m/z-informatie voor de voorloper en zijn fragmenten.

In een recente publicatie die dit cyclische ontwerp gebruikte voor glycaananalyses (Ollivier et ^al.21), toonden we aan dat het mobiliteitsprofiel van de fragmenten in dergelijke IMS / IMS-gegevens fungeert als een vingerafdruk van een biomolecuul dat kan worden gebruikt in een moleculaire netwerkstrategie. Het resulterende netwerk, IM-MN genaamd, leidde tot de organisatie van glycomics-datasets op een structureel relevante manier, terwijl het netwerk dat uitsluitend was opgebouwd uit MS / MS-gegevens (MS-MN) weinig informatie onthulde. Om deze publicatie aan te vullen en Cyclic IMS-gebruikers te helpen deze workflow te implementeren, biedt dit protocol een volledige beschrijving van het protocol dat wordt gebruikt om de gegevens te verzamelen. Dit protocol richt zich alleen op het genereren van de IMS/IMS-gegevens die gebruikers vervolgens kunnen gebruiken om IM-MN-netwerken te bouwen (^zie21) of voor een andere toepassing naar keuze. Het bouwen van IM-MN zal hierin niet worden overwogen, omdat protocollen voor moleculaire netwerken al beschikbaar ^zijn22. De cruciale punten die moeten worden gevolgd om waardevolle en reproduceerbare IMS/IMS-acquisities te genereren, worden benadrukt. Naar het voorbeeld van een van de oligosachariden bestudeerd door Ollivier et al. ²¹, worden de volgende stappen gedetailleerd beschreven: (i) monstervoorbereiding, (ii) afstemming van het cyclische IMS-instrument, (iii) geautomatiseerde piekselectie van de gegevens en (iv) CCS-kalibratie.