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飞行时间质量分析器

飞行时间质谱（TOFMS）是一种透过测量飞行时间来确定离子质荷比的质谱方法。离子受到已知强度的电场加速后，会使具有相同电荷的离子具有相同的动能。离子的速度取决于其质量电荷比（具有相同电荷时较重的离子速度较慢，但电荷较高的离子速度会增加），随后测量离子到达特定距离的检测器所需的时间。这个时间取决于离子的速度，因此可以用来衡量其质量电荷比。最后可以透过质量电荷比和已知的实验参数达到辨识离子的目的。

理论

带电粒子在电场中的位能与粒子的电荷及电场强度相关：

$Ep=qU$ ... (1)

其中 Ep 是位能，q 是粒子的电荷，U 是电位差（也称为电压）。

当带电粒子被电压U加速进入飞行时间管（TOF管或飞行管）时，其位能转换为动能。任何质量的动能是：

$Ek={1 \over 2}mv^{2}$ ... (2)

实际上，位能转换为动能，这代表着方程式 (1) 和 (2) 相等：

$Ep=Ek$ ... (3)

$qU={1 \over 2}mv^{2}$ ... (4)

带电粒子在加速后的速度不会改变，因为它是在无场飞行时间管中移动。粒子的速度可以在飞行时间管中确定，因为离子飞行的路径长度 (d) 是已知的，并且离子的飞行时间 (t) 可以使用瞬态数位转换器或时间数位转换器。因此

$v={d \over t}$ ... (5)

我们将(5)中v的值代入(4)：

$qU={1 \over 2}m\left({\frac {d}{t}}\right)^{2}$... (6)

重新排列 (6)，使飞行时间由其他一切表示：

$t^{2}={d^{2} \over 2U}{m \over q}$ ... (7)

开平方得出时间，

$t={d \over {\sqrt {2U}}}{\sqrt {m \over q}}$ ... (8)

这些影响飞行时间的因素已被刻意分组。其中${d \over {\sqrt {2U}}}$为常数，在单一加速脉冲中分析一组离子时原则上不会改变。 (8) 因此可以表示为：

$t=k{\sqrt {m \over q}}$ ... (9)

其中 k为比例常数，代表与仪器设定和特性相关的因素。

从式（9）可以清楚地看出离子的飞行时间与质荷比（m/q）的平方根的关系。

以 MALDI 飞行时间质谱仪为例(用于产生胰蛋白酶胜肽片段的质谱图)。假设一种胰蛋白酶胜肽的质量为 1000 道尔顿 (Da)。 MALDI 产生的胜肽离子化类型通常为 +1 离子，因此在两种情况下 q = e。假设仪器设定为在 U = 15,000 伏特（15 千伏或 15 kV）电位下加速离子，飞行管的长度为 1.5 米。代回(8)，可计算质量为 1000 Da 的离子飞行时间 b 如下：

$t={1.5m \over {\sqrt {2(15000V)}}}{\sqrt {(1000Da)(1,660538921\times 10^{-7})kgDa^{-1} \over +1.602\times 10^{-19}C}}$ ... (10)

请注意，质量必须从道尔顿 (Da) 转换为公斤 (kg)，以便能够以正确的单位计算方程式。最终值应以秒为单位：

$t=2.788\times 10^{-5}s$结果计算飞行时间大约是28微秒。如果有一个单电荷的质量为4000道尔顿（Da）的酶解肽段离子，其质量是1000 Da的四倍，那么它需要两倍的时间，即大约56微秒来穿越飞行管，因为飞行时间与质量电荷比的平方根成正比。

延迟提取

在轴向MALDI-TOF质谱仪中，激光脉冲产生的初始离子和中性粒子可以透过在真空中达到平衡，并在离子被加速进入飞行管之前，让它们垂直于样品板移动一段相同的距离，来提高质量分辨率。

在脱附/电离过程中，等离子体羽状物中的离子平衡大约在100纳秒或更短时间内完成，之后大多数离子无论质量如何，都会以某种平均速度从表面开始移动。为了补偿这种平均速并提高质量分辨率，提出了一种称为“时间滞后聚焦”（time-lag focusing）的技术，即在短（通常为几纳秒）激光脉冲开始后的几百纳秒到几微秒之间，延迟从离子源提取离子进入飞行管。这种技术用于共振增强多光子电离或稀薄气体中的电子碰撞电离；对于一般由激光脱附/电离吸附在平面表面或导电平面上的微晶体所产生的离子，则称为“延迟提取”（delayed extraction）。

延迟萃取一般是指真空离子源的一种操作模式。在这种模式下，负责将离子加速(萃取)进入飞行管所施加的电场，会比离子化(或解吸离子化)事件延迟一段短暂的时间(200-500纳秒)。这与恒定萃取场的情况不同，在恒定场中，离子一旦形成就会立即被加速。

延迟萃取被用于基质辅助激光解吸离子化(MALDI)或激光解吸离子化(LDI)离子源，在这些离子源中，待分析的离子是在一团以高速(400-1000米/秒)膨胀运动的离子云中产生，而离子云是从样品板射出。

缩小抵达侦测器的离子包厚度对提高质量分辨率很重要，因此乍看之下让离子云在萃取前进一步膨胀似乎有违常理。然而，延迟萃取的目的其实是为了弥补离子的初始动量。它能够使具有相同质荷比但初始速度不同的离子具有相同抵达侦测器的时间。

在真空中进行延迟离子萃取时，在萃取方向具有较低动量的离子会被较高的电位加速因为当萃取电场施加时它们距离萃取板较远。相反地，那些具有较大向前动量的离子会被较低电位开始加速因为它们距离萃取板较近。

在离开加速区域时，位于离子云后方的较慢离子比最初位于离子云前端、较快离子，将被加速至更高的速度。因此延迟萃取之后，较早离开离子源的离子将比较晚离开离子源的离子在加速方向上具有较低速度，因为离开离子源较晚的离子速度更快。

当正确调整离子源参数时，速度较快的离子群将在离开离子源一定距离后追赶上速度较慢的离子群，所以置于该段距离处的侦测器板将侦测到这些离子群同时到达。从这个角度来看，推迟施加加速电场的做法相当于一种一维飞行时间聚焦元件。

反射式 TOF

可以利用反射镜(reflectron)来校正离子在飞行方向上的动能分布。反射镜使用一恒定的静电场将离子束反射回侦测器方向。动能较高的离子会进入反射电镜更深的区域，因此到达侦测器的路径会稍微更长；相同质量荷比但动能较低的离子，因为进入反射电镜的深度较浅，相应地到达侦测器的路径也较短。

离子侦测器的平面(通常是微孔板MCP)被置于一个平面，该平面能使在一离子源萃取脉冲开始后，两个同一质荷比但不同动能的离子能够同时到达。同一质荷比但不同动能的离子能同时到达被称为飞行时间聚焦点。

另一个反射式飞行管(re-TOF)的优点是相同的仪器长度下，离子的实际飞行路径是传统直线飞行管的两倍长。

离子闸控

Bradbury–Nielsen快门是一种用于飞行时间质谱仪（TOF）和离子迁移率谱仪（IMS）的离子闸，同时也用于Hadamard变换飞行时间质谱仪。Bradbury–Nielsen快门非常适合用作快速定时离子选择器（TIS），这是一种在串联（TOF/TOF）MALDI质谱仪中用于在窄质量范围内分离离子的装置。

正交加速飞行时间质谱仪

连续离子源（最常见的是电洒离子源，ESI）通常透过“正交提取”与飞行时间质量分析仪（TOF）相连，在这种方式中，进入飞行时间质量分析仪的离子沿着与其初始运动方向垂直的轴线被加速。正交加速结合冷却碰撞离子可以将离子源中的离子产生过程与质量分析过程分开。在这项技术中，MALDI或ESI离子源产生的离子可以达到非常高的分辨率。

在进入正交加速区域或脉冲器之前，由连续（ESI）或脉冲（MALDI）离子源产生的离子透过在射频多极导引中与剩余气体碰撞，被聚焦（冷却）成直径为1-2毫米的离子束。

在脉冲器之前的高真空区域内安装了一套静电透镜系统，使离子束平行，以最大限度地减少其在加速方向上的发散。冷却离子碰撞和正交加速飞行时间质谱（TOF）的结合显著提高了现代飞行时间质谱仪的分辨率从几百提高到几万，而不影响灵敏度。

Hadamard变换飞行时间质谱（HT-TOFMS）

Hadamard变换飞行时间质谱（HT-TOFMS）是一种质量分析模式，用于显著提高传统飞行时间质谱（TOFMS）的信噪比。传统的TOFMS一次分析一个离子包，等待离子到达检测器后再引入另一个离子包，而HT-TOFMS可以同时分析多个在飞行管中移动的离子包。离子包透过快速调制离子束的传输来行编码，使得所有最初释放的离子包中质量较轻（速度较快）的离子超前于质量较重（速度较慢）的离子。这个过程会产生许多飞行时间分布的重叠，这些分布经过卷积以信号的形式呈现。随后使用Hadamard变换算法进行解卷积过程，有助于比传统的TOFMS和其他可比的质量分析器产生更快的质谱存储速率。

串联飞行时间质谱（TOF/TOF）

串联飞行时间质谱（TOF/TOF）是一种串联质谱方法，其中连续使用两个飞行时间质谱仪。为了记录前驱（母）离子的全谱，TOF/TOF在MS模式下运行。在这种模式下，特定基质的激光脉冲能量选择略高于MALDI起始值，以确保在能够产生足够母离子的同时，又尽可能避免母离子过度碎裂，从而获得理想的母离子谱图，以找到产率和稳定性之间的最佳平衡点。

当在串联（MS/MS）模式下运行时，激光能量大幅度提高至MALDI阈值以上。第一个飞行时间质谱仪（基本上是一个以定时离子选择器作为终点的飞行管）使用速度过滤器（通常是Bradbury–Nielsen型）来分离选定的前驱离子，而第二个飞行时间质谱仪（包括后加速器、飞行管、离子镜和离子检测器）分析碎片离子。

在MALDI TOF/TOF中，碎片离子是由在MALDI离子源中受到激发振动超过其解离能的前驱离子衰变（源后衰变产生的）。系统中还可以额外添加一个高能量碰撞室进行额外的离子碎片化，以提高振动激发前驱离子的解离速率。一些设计包括前驱信号淬灭器作为第二个飞行时间质谱仪的一部分，以减少对离子检测器的瞬时电流负荷。

四极柱飞行时间质谱（QToF-MS）

四极柱飞行时间质谱（QToF-MS）的配置类似于串联质谱仪，具有质量分辨四极杆和碰撞池六极杆，但使用飞行时间质量分析器取代第二个质量分辨四极杆。两个四极杆可以仅在射频(RF)模式下运行，让所有离子在最小程度的碎裂下进入质量分析器。为了增加谱图的细节，系统利用碰撞诱导解离。当离子到达飞行管时，离子脉冲器将它们向上发射到反射镜然后再返回到检测器。由于离子脉冲器将相同的动能转移给所有分子，因此飞行时间由分析物的质量决定。

QToF能够测量到小数点后四位的质量，经常用于药物和毒理分析，作为药物类似物的筛选方法，透过收集质谱并与串联质谱库进行比对，即可辨识、鉴定化合物。

检测器

飞行时间质谱仪（TOFMS）由质量分析器和检测器组成。在实验室进行的飞行时间实验中使用脉冲或连续离子源，但用于太空探测的飞行时间分析器不需要离子源，因为太阳或行星电离层提供离子。飞行时间质量分析器可以是线性飞行管或反射镜。离子检测器通常由微孔板检测器或快速二次发射倍增器（SEM）组成，其中第一转换板（二次发射极）是平的。检测器的电信号是透过时间-数字转换器（TDC）或快速模拟-数字转换器（ADC）记录下来的。TDC主要与正交加速式飞行时间分析器结合使用。

时间数字转换器（TDC）会记录单个离子到达的离散时间"区段"。它结合了阈值触发和恒分数判据器(CFD)，可区分出电子噪声和离子抵达。CFD将在微孔板阳极产生的一些高斯形状、持续时间为纳秒级的电脉冲转换为统一形状的脉冲（例如，与TTL/ESL逻辑电路兼容的脉冲）并发送到TDC。使用CFD可以提供一个与峰值最大位置相对应的时间点，而不受由微孔板(MCP)或二次电子发射器(SEM)变化引起的峰值幅度变化的影响。现代先进的快速CFD的死时间等于或小于离子检测器的两个单次响应时间（对于具有2-5微米宽通道的微孔板MCP单次响应时间可能介于0.2纳秒和0.8纳秒之间，取决于通道角度），从而防止来自同一脉冲的重复触发。现代多次击中TDC的双次击中分辨率（死时间）可以低至3-5纳秒。

时间数字转换器（TDC）是一种计数检测器，它可以非常快速（分辨率可达几皮秒），但其动态范围有限，因为TDC无法正确计数在多个离子同时撞击检测器时(即在TDC的死时间内)发生的事件。动态范围有限的结果是，最后一质谱图中记录的离子（事件）数量比实际数量要少。

可以透过多通道检测器的设计来缓解动态范围有限的问题：一组迷你阳极阵列连接到微通道板堆叠上和多个CFD/TDC，其中每个CFD/TDC记录来自单个迷你阳极的信号。为了获得具有统计上可接受强度的峰值，离子计数需要加总数百个单独质谱图（所谓的直方图）。为了达到非常高的计数率（仅受单个飞行时间质谱持续时间的限制，持续时间在多路飞行时间设置中可以高达几毫秒），在飞行时间管中使用了非常高的离子提取重复率。商用正交加速飞行时间质量分析器通常以5-20 kHz的重复率运行。在透过加总大量单独离子检测结果所获得的合并质谱中，每个峰值都是通过将每个单独区间中的计数相加而获得的直方图。由于使用TDC记录单个离子到达时间只产生单一时间点，因此消除了由MCP检测器和前置放大的有限响应时间产生的部分峰宽，这提高了质量分辨率。

以100 picoseconds的时间间隔对来自MCP检测器中的脉冲离子电流进行数码化。现代的8位或10位10 GHz ADC具有比TDC更高的动态范围，因此可以在具有高峰值电流的MALDI-TOF仪器中使用。为了记录MCP探测器的快速模拟信号，需要精确匹配检测器阳极与ADC（前置放大器）输入电路的阻抗，以减少“ ringing”效应。使用小孔（2-5微米）MCP探测器和较短的响应时间，可以提高超高速ADC记录的数位质谱图的质量分辨率。

应用

Matrix-assisted laser desorption ionization（MALDI）是一种脉冲电离技术，非常适合与飞行时间质谱（TOF MS）结合使用。

Atom probe tomography也利用飞行时间质谱。

Photoelectron photoion coincidence spectroscopy（PEPICO）使用软电离技术选择离子内能量，并使用飞行时间质谱进行质量分析。

Secondary ion mass spectrometry（SIMS）通常使用飞行时间质谱仪，以实现不同离子的平行检测，并具有高质量分辨率。

Stefan Rutzinger提议将飞行时间质谱与低温检测器(cryogenic detector)结合使用，以进行重生物分子(heavy biomolecules)的光谱分析。

历史背景

早期的飞行时间分析器名为Velocitron，由A.E. Cameron和D.F. Eggers Jr.于1948年在Y-12国家安全综合体中报告。这个概念最早在1946年由宾夕法尼亚大学的W.E. Stephens在美国物理学会于麻省理工学院的一个周五下午会议中提出

参考文献

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