时间飞行分析仪

离子受到加速电压的作用离开离子源后在一个无场区域内飞行直至抵达检测器，各种质荷比的离子受到相同的加速电压作用，但由于它们的质荷比不同，在无场区域内飞行的速度不同，导致到达检测器的时间也不同。利用离子到达的时间不同达到区分不同质荷比的效果，这就是飞行时间分析系统的原理。图是经典的线性飞行时间质谱分析系统示意图。飞行时间的离子可以由脉冲产生，也可以是连续离子流。但不管如何，在进入分析器前要经过适当的调制。这是因为确定离子的质荷比值是直接依赖于离子在无场区域内的准确飞行时间，也就是说要求所冇离子应同步进入加速区。利用脉冲给予离子加速，一次脉冲，其宽度为ns至10μs可调。随时间的推移，不同质荷比离子相继到达收集器。仪器在小于100μs内输出一张谱图，重复频率是10?100kHz。[img=CL]`WJ@@20C$~LQ$HQEU]1G.png,448,180]https://i4.antpedia.com/attachments/att/image/20220126/1643164929408286.png[/img]分辨率是整个仪器综合性能的反映。所以在讨论分辨改善的同时，除了 TOF本身外还涉及离子源的技术改进。从理论上讲，要求相同质荷比的离子具有相同的飞行时间，而不同质荷比的离子具有足够的时间差。但实际上有相同质荷比的离子达到收集器上的时间有微小的差异，从而导致谱线加宽和分辨率的下降。其原因在于下述三种情况：第一，相同质荷比离子在加速前在源中处于不同的位置，因此获得不同的加速能量；第二，由于热运动使离子有初始能量的分布，表现在初始速度上的差异；第三，即使它们的位置相同，但在脉冲加速前它们的运动方向上有差异，极端的情况是运动方向背向于栅极的那些离子需要有一定的时间进行调头或称回转，然后才得到相同的加速能量进入分析器。其结果，到达收集器的时间发生了滞后。[b]一、分辨率的改善1、双栅极结构 [/b]单栅极的结构使离子被加速到最大能量所需要的时间为飞行时间的十分之几，而由于脉冲控制栅极和脉冲加速栅极构成的双栅极的时间只是飞行时间的百分之几，这样，就初始能量的差异对分辨率影响而言，后者是减小了。[b]2、延迟引出技术(Delay Extraction, DE)[/b] 这一技术是AB Sciex公司的专利， 据称可以提高分辨率1?3倍。它的原理是让离子产生后在源内延迟片刻，然后给予脉冲引出到飞行区。此时，靶极(指离子产生处)与栅极是相同的电位而处于无场状态初始速度稍大的离子离耙极远，离栅极近；初始速度小辟则相反。一旦延迟结束，离栅极近的离子受到栅极脉冲加速的能量要稍低于离栅极远的离子，这样，因为初始速度不 同的相同质荷比离子得到了补偿。DE技术不仅改善了初始能量的差异，也有助于减小 回转时间的影响，分辨率的提高也必然改善精确质量测定的准确度。[b]3、脉冲场聚焦[/b] 这是减小回转时间的一种解决方法。[b]4、反射式TOF[/b] 经第一级TOF飞行，离子进入称为反射器的离子镜，离子被反射以后在第二级收集器上被检测。如果单用第一级检测器，这就是线性TOF，而经反射以后，对于空间位置和初始速度上的色散都能获得补偿。如此减小相同质荷比的离子在动能上的差异而达到飞行时间上的一致性，由此提高了分辨。反射式TOF结构很紧凑，反射阶段的飞行距离要比线性阶段的飞行时间来得短，但是分辨率远远高于线性TOF。这是因为反射器是一个均匀的电场，对于相同质荷比的离子，若初始能量大的则进人反射器区域的路径要长，飞行时间要多一些；若初始能量小的则进入反射器的路径要短，飞行时间要少一些。本来在线性TOF阶段，初始能量大的飞行时间要小于初始能量小的，现在经过反射器阶段后，前者和后者都在时间上得到纠正，所以，使用反射TOF能够使初始能量有差异的相同质荷比离子几乎同时到达第二个检测器。实际上，位置上的色散也是反映在获得加速能童上的差异并导致最终在飞行时间上差异，因而反射式TOF也能将其补偿。下图是使用 AB Sciex 公司的 Super Voyager—DE STR MALD—TOF 仪上获得细胞色素C(cytochrome C)的质谱图，其分辨率达到28000 (FWHM)。增加反射式 TOF的飞行长度可以提高分辨率，但对线性TOF来说行不通。这是因为初始能量的色散在增加飞行长度后差异会变得更大，但在反射式TOF中是在时间上得到了补偿，如同磁质谱仪的双聚焦仪器在空间上进行的补偿那样。当离子初始能量的差异得到显著减小后，仪器的分辨率将由电器稳定性和检测器的 性能所决定。要说明的是，在讨论MALDI源 的时候，离不开TOFMS的结合，但是在这里讨 论TOFMS的时候，不必将离子源限定在MAL-DI, 这意味着TOFMS可以配用电喷雾的离子源，即ESI —TOFMS进行分析。[img=image.png,302,300]https://i4.antpedia.com/attachments/att/image/20220126/1643164929914874.png[/img]TOF分析器具有大的质量测定范围(通常可达50万u,个别的甚至更高)、高的灵敏度 (肽或蛋白质测定的Fmol量级)、高分辨率的精确质量测定[精度(5~10) X10[sup]-[/sup][sup]6[/sup]],再加上仪器结构简单和操作方便，因而具有很大的应用潜力(提高外标法的精确质量测定将有更大的竞争能力)。[b]二、源后分解(PSD)[/b]如同磁质谱的无场漂移区产生亚稳离子那样，当离开离子源的离子在很长的距离中 飞行，有些离子在飞行时间内发生碎裂反应。碎裂后的子离子基本上按前体母离子的速 度飞行，因此到达检测器的时间是与其母离子相同的。对于TOF仪器测出这种亚稳峰 的原理作如下说明：当离子进PSD (post -source decay)反射器,受到静电镜的推斥而转向第二个检测器。正常的母离子(m1)具有速度v1的全加速能量，而亚稳峰具有速度v1,但具有全加速的m2/m1能量，因此推斥它只需要低于全加速的能量。显然，正常的母离子m1和正常的子离子(m2)能够深入静电镜，而亚稳峰m*则不会深入，这意味着亚稳离子先到达第二检测器，随后才是正常的母离子 (m1)。静电镜的正常设置是聚焦正常母离子(m1),对亚稳峰m*来说处于去焦状态。 当降低反射器电压至m2/m1使亚稳离子此时能够到达静电镜的深处，即达到如同正常母离子或者说所有全加速的离子的聚焦位置，这样，就能把亚稳峰聚焦到在第二个检测器上，而所有正常离子则不再发生反射而留在第一检测器内。可以设想正常母离子会在飞行区内发生许多碎裂反应，由此形成不同能量的亚稳离子，设置不同的反射镜电压，就可以获得母离子m1的所有亚稳跃迁。这里需要说明的是，单纯依靠m2/m1值的调整测出的亚稳离子还有其不确定性。因为一个化合物可能有各种不同的母离子的亚稳跃迁，从理论 讲就可能存在m2/m1值相同又分属于不同的母一子离子对，所以PSD分析还应包括一个定时的离子选择器。它的位置在飞行的路径上，它允许让某一个前体离子通过，不允许不同时间到达的其他离子通过，这就确保了仅有这一前体离子产生的亚稳峰被检测

主要由一个长度L的无场真空管（漂移管）构成。质荷比为m/z的离子从离子源被加速（加速电压为V）引出后，进入无场空间，经过一定时间t秒后到达漂移管另一端，不同质荷比的离子因速度不同，到达固定飞行时间距离所需的时间不同，其运动方程可写为：m/z=2v.t2/ L2当V、L不变的条件下，飞行时间t与质荷比的平方根成正比。测定飞行时间t即可确定m/z的值。这种依据飞行时间来测定质量的分析器叫飞行时间分析器。

仪器信息网讯 2015年10月18日，中国分析测试协会仪器评议组对北京东西分析仪器有限公司与广州禾信分析仪器公司联合研制的GC×GC TOF MS 3300全二维气相色谱飞行时间质谱仪进行现场测评。该活动作为BCEIA展会同期开展的活动，评测结果将在展会期间进行发布。　　测评专家组成员包括：中国分析测试协会研究员汪正范、中石化石油化工研究院高级工程师苏焕华，中国农业大学教授李重九，国家生物医学分析中心教授杨松成，中国科学院科学仪器研究中心研究员于科岐、国家生物医学分析中心研究员赵晓光，清华大学教授张新荣、北京大学教授刘虎威，中国科学院化学研究所研究员王光辉。北京蛋白质组研究中心研究员魏开华任测评组组长。北京东西分析仪器有限公司合作伙伴广州禾信分析仪器有限公司董事长周振也带领广州禾信项目团队一同参加了本次活动。　　全二维气相色谱飞行时间质谱的研发是对当前国内外常用的一维气相色谱质谱的一次革命，为解析复杂物质与检测未知物质提供了一个强有力和新颖的解决手段。目前国际上只有个别公司掌握了这项尖端技术。GC×GC TOF MS 3300全二维气相色谱飞行时间质谱仪作为全二维色谱和质谱彻底整合的产品，国际尚属少见。通过此项目的研究，东西分析和广州禾信获得了多个相关专利。　　本次会议由魏开华主持。项目组向专家组汇报仪器研制情况，介绍测评方案。专家组针对测评方案提出意见并进行了现场测评。并对现场测评结果进行了总结和补充。　　GC×GC TOF3300的新颖性和独创性引起了专家的极大兴趣。针对专家的疑问，项目组现场做样和演示，通过分析结果解答专家的问题，整个互动过程气氛活跃。http://img1.17img.cn/17img/images/201510/insimg/0f81a93f-b3ae-42ef-bce8-53a094d5374c.jpg　　项目技术负责人、北京东西分析仪器有限公司生命科学及生物技术首席科学家薛恒钢汇报仪器研制结果　　项目技术负责人、北京东西分析仪器有限公司生命科学及生物技术首席科学家薛恒钢介绍了产品的设计理念、立项依据、产品研制过程、突破的关键技术点和仪器的检出限等性能指标。据介绍，此仪器主要应用在大气中有机物分析、地质石油中组分分析、现代农业研究、冶金环保等领域。薛恒钢还以柴油组分分析为例介绍了仪器的应用特点。除此之外，薛恒钢还对比了该产品与国外同类产品的分析结果。http://img1.17img.cn/17img/images/201510/insimg/687222a7-70d7-4bd0-818b-399d625c8ef1.jpg专家组对仪器进行现场测评http://img1.17img.cn/17img/images/201510/insimg/c61dd797-fd21-48b4-a469-fd132b816bca.jpg柴油样品一维TIC图(GC Q MS)　　由柴油样品的一维色谱TIC图可以看到，一维色谱分离化合物数目不到200个。http://img1.17img.cn/17img/images/201510/insimg/fc1d8f5a-c227-4137-a873-9060d7527a7d.jpg柴油样品的全二维色谱TIC图http://img1.17img.cn/17img/images/201510/insimg/07c512dc-79d5-4553-aeb9-1fb238fbc18c.jpg柴油样品的全二维色谱TIC图3D显示　　通过全二维色谱可以对超过1500个化合物进行定性。　　会议最后，参会专家对该款仪器予以了积极的和正面的肯定，为能见证国产仪器的跨越式的进步感到十分欣喜。专家表示希望东西分析继续大胆创新，不断推出具有自主知识产权的优秀高端科学仪器产品，勇敢攀登世界分析仪器的顶峰。　　另外，专家特别称赞东西分析和广州禾信的这种合作模式，为国内仪器厂商合作共赢树立了一个良好的典范。广州禾信秉承“做中国人的质谱仪器”的理念，在中国质谱仪的研发和应用方面，取得了丰硕的成果。http://img1.17img.cn/17img/images/201510/insimg/8f7bc677-9ae9-4b60-9fca-2f7933a2fb2a.jpg参会全体人员在东西分析楼前合影