生物分子的结构解析与相关生物学功能的关联已是现今生命科学的一大研究热点。生物分子通常存在多种形式的异构体（Isomers），其具有相同的化学式和分子量，但化学结构却不同。例如糖类、脂质具有复杂的构型，而多肽和蛋白质的结构则会因翻译后修饰（Post-translational modification, PTM）复杂化，这些都将产生多种多样的异构体[1-3]。因此，识别生物分子异构体并阐明其复杂结构在化学和生命科学领域具有重要意义[4]。离子迁移（Ion mobility, IM）与质谱（Mass spectrometry, MS）联用（IM-MS）分析已经发展为生物分子特别是生物大分子结构解析的一种主要手段[5-7]。MS可以获得生物分子的质量信息，IM则可以区分MS不能区分的异构体或同重素（Isobars），在生物分子的结构解析中具有重要作用。近年来，多种IM分析方法被提出。然而，这些技术均基于低E/N场原理[8]（E/N < 30 Td，E代表电场场强，N代表中性气体数密度，Td是Townsend数），存在分辨率不足的问题，其典型分辨率为40-200，不足以解决目前生物分子异构体解析研究的需求。

该研究展示了一种超高场离子云扫描技术，以小型离子阱质谱仪为平台，在超高场（约1E5 Td）条件下实现异构体离子的离子云分离。该技术对二糖、磷脂、翻译后修饰的多肽异构体实现分辨率超过10,000的高分辨IM分析，为生物分子的复杂结构解析提供了新的研究方法。

离子云扫描技术的硬件平台是Mini β(PURSPEC科技(北京)有限公司)双线性离子阱微型质谱仪(图1a)。生物分子经过电离源离子化，被传输至到离子阱中进行结构分析(图1b)。研究人员采用辅助交流电对离子阱中的异构体离子进行共振激励，在强迫振荡下异构体离子云因其阻尼截面不同而分离，并按顺序出射(图1c)。对相应实验条件进行优化之后该方法可以获得分辨率在10000以上的离子云扫描谱(图1d)，并建立出射交流电压与阻尼截面之间良好的相关性。

图1. 离子云扫描分析技术的仪器设置、原理和性能表征。（a）Mini β质谱仪器系统。（b）实验装置示意图。（c）离子云扫描技术原理。强迫振动下的两种异构体离子（紫色和蓝色）的离子轨迹。（d）获得的离子云扫描谱图
（图源：Xiaoyu Zhou et al., Nature Communications, 2023)

基于上述高场离子云扫描分析技术，研究人员对二糖异构体 (海藻糖、麦芽糖、纤维二糖和乳糖，图2a)进行了结构分析。四种二糖包含了组成异构，连接异构以及构象异构三种糖类常见的异构类型。分析结果显示，使用高场离子云扫描分析技术可以对二糖异构体进行高分辨分离与鉴定。研究人员还对乳糖和纤维二糖的混合物进行了离子云扫描分析(图2c)和传统串联质谱分析(图2d)的方法对比。从图2d可见乳糖和纤维二糖具有到相同的碎片模式无法通过串联质谱技术进行区分；然而，这两种异构体可以通过离子云扫描很清晰的分离（图2c）。此外，离子云扫描分析方法展现出很好的异构体定量分析性能(图2e和2f)。

图2. 二糖异构体分析。（a）四种二糖异构体及其（b）离子云扫描谱图。乳糖和纤维二糖混合物的（c）离子云扫描谱图和（d）串级质谱分析谱图。（e）两种二糖标准品及（f）混合物的定量分析结果
（图源：Xiaoyu Zhou et al., Nature Communications, 2023)

研究人员同时对脂质与多肽异构体进行分析。脂质的异构化通常源于脂肪酰基链的sn-位置异构、碳碳双键位置异构和双键顺反异构。而在多肽中，PTMs是产生异构体的重要原因。通过使用离子云扫描技术，具有不同异构类型的脂质和多肽异构体被清晰地分辨（图3），证明了该方法对于各种生物分子异构体具有普适性。

图3. 脂质与多肽异构体分析。（a）脂质异构方式示意图。各种脂质异构体的离子云扫描谱图：（b）sn异构、（c）碳碳双键位置异构和（d）双键顺反异构。（e）多肽的不同翻译后修饰类型及其异构方式示意图。不同翻译后修饰类型的多肽异构体离子云扫描谱图：（f）甲基化、（g）乙酰化和（h）磷酸化
（图源：Xiaoyu Zhou et al., Nature Communications, 2023)