Spektrometria mas z mobilnością jonów (IMS) staje się coraz częściej wykorzystywaną techniką analityczną, często przedstawianą jako dodatkowy wymiar rozdziału zintegrowany z tradycyjnymi przepływami pracy chromatografii cieczowej/gazowej (LC/GC) sprzężonej z MS. IMS polega na rozdziałie cząsteczek w komorze mobilności wypełnionej gazem buforowym, w polu elektrycznym i pod ciśnieniem atmosferycznym1. W zależności od stosunku masy do ładunku (m/z) oraz konformacji geometrycznej, zjonizowana cząsteczka będzie oddziaływać z gazem buforowym podczas przemieszczania się przez komorę mobilności, co znajduje odzwierciedlenie w parametrze mobilności jonów (K)2, obliczanym za pomocą następującego równania:

gdzie D oznacza całkowitą długość strefy migracji, td jest całkowity czas dryfu oraz E jest pole elektryczne. Zatem K mierzy się w m2 V−1 s−1choć z przyczyn praktycznych często wyraża się go w cm2 V−1 s−1Wewnętrzna zdolność do przemieszczania się przez komórkę mobilności może być mierzona za pomocą czasu dryfu, a następnie przeliczona na tak zwaną wartość przekroju poprzecznego zderzeń (CCS), która jest parametrem wysoce powtarzalnym dla każdej cząsteczki, niezależnie od zastosowanego urządzenia IMS.3Wartość CCS można wyznaczyć na podstawie ruchliwości zgodnie z następującym równaniem:

q oznacza ładunek jonu; N gęstość liczbową gazu buforowego; µ masę zredukowaną partnerów kolizyjnych gazu buforowego i jonu; kB stałą Boltzmanna; a T temperaturę gazu buforowego. W związku z tym IMS dostarcza dodatkowych informacji uzupełniających dane analityczne wynikające z analiz chromatograficznych i MS.
Wykazano, że implementacja IMS w platformach LC-MS zwiększa wiarygodność oznaczeń analitycznych, zwłaszcza w przypadku związków występujących w stężeniach śladowych. W kilku badaniach stwierdzono, że metody LC-IMS-MS poprawiają jakość widm masowych poprzez redukcję szumu tła, co w efekcie wpływa na czułość metody, oraz zmniejszają odsetek wyników fałszywie dodatnich i ujemnych otrzymywanych w wielorezydualnych metodologiach LC-MS4,5,6. Ponadto powtarzalność wartości CCS umożliwia porównania nie tylko między różnymi instrumentami wykorzystującymi tę samą technologię, ale także między różnymi technologiami mobilności jonów, mianowicie spektrometrią mobilności jonów z falą przemieszczającą się (TWIMS), spektrometrią mobilności jonów pułapkowanych (TIMS) oraz spektrometrią mobilności jonów w rurze dryfu (DTIMS)2,7, które są najczęściej stosowanymi systemami1. Zatem istotną konsekwencją potencjału CCS jako parametru identyfikacyjnego jest możliwość tworzenia bibliotek CCS, co znajduje odzwierciedlenie w ich zastosowaniu w badaniach metabolomicznych8. Niemniej jednak jedną z najpotężniejszych funkcji IMS jest zdolność do rozdzielania związków izomerycznych i izobarycznych, które mogą nie zostać wystarczająco rozdzielone za pomocą metod LC-MS. Może to mieć miejsce podczas pracy z dużymi zestawami interesujących analitytów w złożonych matrycach, co jest częstą sytuacją w analizach środowiskowych i żywności. W tym kontekście metody LC-IMS-MS zostały zaproponowane do monitorowania pestycydów oraz, w mniejszym stopniu, leków weterynaryjnych i mikotoksyn w żywności9.
Dzięki wysokiej rozdzielczości i selektywności, platformy LC/GC-IMS-MS stają się najużyteczniejszymi narzędziami do rozwiązywania niektórych z obecnych problemów w zakresie bezpieczeństwa żywności, szczególnie tych związanych z mieszaninami izomerycznymi. Zagrożenia zdrowotne związane z mieszaninami izomerycznymi jako zanieczyszczeniami żywności zostały odzwierciedlone w aktualnych przepisach europejskich, które na przykład ograniczają maksymalną stężenie sześciu głównych alkaloidów sporyszu (EAs) oraz ich odpowiadających sześciu epimerów w kilku produktach spożywczych10.
Alkaloidy sporyszowe (EA) stanowią rodzinę toksycznych metabolitów wtórnych produkowanych przez szeroki zakres grzybów, głównie z rodziny Clavicipitaceae (np. Claviceps purpurea, najważniejszego producenta EA ze względu na szeroki zakres gospodarzy), ale także Trichocomaceae, które mogą pasożytować na kłosach żywych roślin (takich jak żyto, jęczmień, pszenica i owies) w czasie kwitnienia11,12. W określonych warunkach, zwłaszcza w zależności od temperatury i aktywności wody, grzyby z rodzaju Claviceps mogą produkować EA, które kumulują się w owocnikach, znanych jako sklerocja lub sporysz, w uprawach gospodarza. W pewnym stopniu EA mogą przetrwać przetwarzanie surowca aż do uzyskania produktu końcowego, dostając się tym samym do łańcucha pokarmowego. Spożycie zanieczyszczonej żywności może prowadzić do zatrucia EA, znanego jako sporyszizm, który objawia się ostrymi symptomami, takimi jak bóle brzucha, wymioty, uczucie pieczenia skóry, bezsenność i halucynacje13. Aby ograniczyć wpływ EA na zdrowie ludzi, Komisja Europejska ustanowiła poziomy maksymalne (ML) w kilku produktach spożywczych dla sumy głównych EA: R-epimerów ergometryny (Em), ergotaminy (Et), ergosyny (Es), ergokrystyny (Ecr), ergokryptyny (Ekr) i ergokorniny (Eco) oraz ich odpowiadających S-epimerów: ergometryniny (Emn), ergosyniny (Esn), ergotamininy (Etn), ergokornininy (Econ), ergokryptyniny (Ekrn) i ergokrystyniny (Ecrn). Związki te mogą ulegać epimeryzacji z form R na S i vice versa, szczególnie pod wpływem silnego światła, długotrwałego przechowywania lub kontaktu z niektórymi rozpuszczalnikami przy wysokim lub niskim pH 12. Chociaż proporcje form R i S mogą się różnić w zależności od warunków, panel CONTAM EFSA zgłosił częstsze występowanie form R niż form S po przeanalizowaniu dostępnej literatury na temat EA w produktach spożywczych14. Zatem poziomy ML różnią się w zależności od kilku czynników, takich jak podatność uprawy, stopień przetworzenia lub częstotliwość spożycia. W ramach regulacji UE poziomy ML dla produktów mącznych z jęczmienia, pszenicy, pszenicy płaskurki i owsa ustalono na 50 lub 150 µg/kg (odpowiednio w zależności od zawartości popiołu niższej lub wyższej niż 900 mg/100 g), podczas gdy zboża przeznaczone bezpośrednio do spożycia przez ludzi podlegają ML na poziomie 150 µg/kg, z wyjątkiem żywności dla niemowląt na bazie zbóż, w której ML jest obniżony do 20 µg/kg10.
Te rygorystyczne przepisy wymagają metod analitycznych o czułości wystarczającej do oznaczania poziomów śladowych stężeń (µg/kg), przy jednoczesnej właściwej identyfikacji regulowanych EA oraz ich odpowiadających epimerów, ponieważ obie formy, izomery R- i S-, mogą występować razem w zanieczyszczonych próbkach. Zadanie to stanowi ogromne wyzwanie, ponieważ każda para toksyna-epimer posiada tę samą dokładną masę i wzór fragmentacji. Ponadto prawidłowa separacja chromatograficzna obu związków może być złożona. Dlatego wymagane są dobrze zoptymalizowane gradienty LC, aby uniknąć błędów w oznaczaniu ilościowym, gdy epimery EA współwystępują w próbkach żywności. Chociaż w kilku badaniach zgłoszono metody LC-MS dla jednoznacznego oznaczania EA15,16,17,18, metoda chromatograficzna musi być szeroko badana, aby uzyskać odpowiednią separację pików chromatograficznych w celu jednoznacznej identyfikacji EA. Jednak nie jest to zazwyczaj możliwe w przypadku metod wieloklasowych, w których jednocześnie oznaczane są zanieczyszczenia należące do różnych rodzin chemicznych. W tym kontekście w niedawnym badaniu przeprowadzonym przez Carbonell-Rozas, Hernández-Mesa i wsp.19 opisano metodę LC-IMS-MS do ilościowego oznaczania EA w próbkach pszenicy i jęczmienia, z wykorzystaniem dwóch różnych instrumentów TWIMS, które zapewniły powtarzalne wartości CCS i niskie granice oznaczania ilościowego (LOQs), pozwalając wykryć wszelkie niezgodności z aktualnym ustawodawstwem. Celem niniejszego protokołu jest zatem pokazanie, w jaki sposób integracja IMS w schematach LC-MS przyczynia się do separacji izomerycznych EA, zwiększając selektywność metody analitycznej. Dodatkowo ilustruje on, jak tworzenie bibliotek CCS poprzez charakterystykę standardów analitycznych zapewnia wyższą pewność identyfikacji mikotoksyn. Protokół ten został zaprojektowany, aby jasno wyjaśnić korzyści z wdrożenia IMS w analizie bezpieczeństwa żywności, przyjmując za przykład oznaczanie EA w zbożach. Protokół ten obejmuje przygotowanie próbek w oparciu o procedurę QuEChERS, analizę próbek metodą LC-TIMS-MS oraz ekstrakcję i interpretację danych IMS.