同量异位素

何为加速器质谱？顾名思义，是加速器和质谱两大技术的结合，英文名称：Accelerator mass spectrometry(AMS)。传统质谱仪器是将样品电离之后，通过电磁场选出特定荷质比，从而分析原子或分子质量的技术，但在分析想要的核素时（以14C为例），会有质量数相同的分子本底（12CH2、13CH）和同量异位素（14N）的干扰，加速器质谱技术可以在离子源处引出负离子（抑制部分核素的同量异位素的产生），在串列加速器中间部分利用剥离膜将负离子剥离成正离子（瓦解分子离子），并利用核探测器鉴别同量异位素。这使得AMS在测量长寿命放射性核时十分有效。关于AMS，最早的历史可以追溯到1939年，那时Alvarez和Cornog利用一台回旋加速器进行3He的测量，随后没有了任何消息。直到1977年，Muller提出用串列粒子加速器可以对14C和10Be进行简单高效地测量。到了90年代，随着世界海洋洋流循环实验的开展，对14C的测量精度也越来越高，而第一代的仪器精度难以达到要求。1991年，伍兹霍尔海洋实验室安装了第一台3MV加速器质谱，经过3年的操作，精度达到了5‰，这样喜人的成绩又引发了新一轮的模仿浪潮。时间很快到了20世纪末，AMS端电压不能低于3MV、电荷态的选择不能低于+3价的魔咒也随之打破了。1998年，第一台利用+1件测量14C的仪器诞生，研究者发现它的性能不比大仪器选择+3或+4价时的测量效果差，这也正式拉开了AMS小型化的序幕。经过40多年的发展，AMS在探索未知领域的道路上已经能独当一面。同时，中国第一家生产AMS的公司也已起步。更值得一提的是，2023年11月，中国原子能科学研究院核物理研究所成功研制出国内首台紧凑型加速器质谱仪（AMS），整套系统占地面积约30平方米，较传统装置缩小2/3，标志着我国在高端核分析设备研制方面取得重要进展，为加速器质谱仪的高灵敏分析应用奠定了坚实基础。图片来源：中核集团该团队围绕核心难点——加速器紧凑化进行了创新研究，突破了系列关键技术。他们研发的紧凑型加速器质谱仪长度仅1米，大小为传统装置的1/3，具有结构更紧凑、性能更佳、可开展多核素测量等优势。同时，团队对系统进行了物理与束流光学方面的优化设计，有力提升了经济性。目前，该装置的传输效率和测量灵敏度均通过实验验证。针对此突破性的成果进展，仪器信息网特别采访了中国原子能科学研究院加速器质谱仪研发团队的姜山研究员，与他就AMS自主研发的重要意义、能解决的重大问题以及突破该成果需要哪些关键技术等进行了深入的交流。仪器信息网：加速器质谱（AMS）自主研发的重要意义？能够解决哪些国家重要问题？姜山：AMS是基于加速器技术和离子探测器技术的一种高能同位素质谱仪。由于AMS具有排除分子本底和同量异位素本底的能力，因此极大地提高了测量丰度灵敏度，能够达到10-15（传统同位素质谱仪的丰度灵敏度仅为10-8）。AMS主要用于测量宇宙射线成因核素如：10Be、14C、36Cl、41Ca、129I和236U等，这些测量主要应用于定年和示踪两个大的方向，广泛应用于地质与考古、环境与资源、生物与医药、核能与核安全等领域。对于AMS的自主研发具有三个方面意义：第一、冲破国外的技术封锁，实现产销自如；第二、对于解决国家重大科技问题意义重大，不被外国人“卡脖子”；第三、提升我国的科技水平，使得我们的国际地位不断提升。而自主研发要经历三个阶段，即跟跑、并跑和领跑，我国的AMS研发始于上世纪80年代中期，经过了近40年的努力，目前我们取得了并跑和部分技术的领先阶段。我们目前正在开展的基于超强电离离子源的AMS，有望实现在AMS领域的领跑，同时也能够带动相关领域实现技术超越。AMS和我们正在发展的超强电离质谱仪，能够解决国家很多的科技问题，其中有11 个较为重大的问题列于表格中。下表是：能够解决的十一个重要科学与技术难题，有望在这些下游领域取得国际领先的成果，推动质谱仪产业发展和升级，市场空间巨大。重大问题解决的具体内容目 标1创新药物研发药代动力学，实现14C、3H、41Ca、13C、2H 等示踪剂的快速测量小动物，0期，1期临床等, 每天测150个样品2中医中药中药产地、真伪等鉴定，经络物质、归经理论研究等验证中医理论，弘扬中医中药3疾病早期诊断同位素指纹测定, 用于骨质疏松、心脑血管、肿瘤、AD等早期诊断一口气、一滴尿实现早期快速诊断新技术4芯片材料和超纯材料半导体材料和超纯材料杂质和沾污量的检测测量的纯度范围11N-15N5“双碳”大气环境监测高精度测量，14CO2、14CO、14CH4 等温室气体测量精度好于0.05%6生物质基材料生物基材料，如塑料、涂料、橡胶和香料等中生物质碳含量的快速鉴定气体进样，快速、在线实现14C的测量，测量精度好于1%7化石能与生物质能源鉴定化石燃料中，如煤、汽油、天然气、等中生物质碳含量的快速鉴定气体进样，快速、在线实现14C的测量8超纯同位素材料超纯同位素气态、固态和液态材料的测量，主要用于国防工业同位素丰度范围在10-5-10-10,精度好于0.1%9考古、地质与资源41Ca解决人类起源定年问题，40Ar-40K-40Ca、U-Th/He和Ar-Ar等同时测量定年等国际难题200万年人类起源定年, 大幅提升K-Ar和U-Th/He等法定年水平10海水监测海水中主要污染物3H、14C和129I等的测量一台仪器，实现三个核素的测量11脑科学脑组织微量元素的运动、变化，脑电波产生的物质基础在组织、细胞层上实现元素和同位素准确测量仪器信息网：此次团队成功研制的全国首台的紧凑型加速器质谱仪突破了哪些关键技术？能解决哪些以前没有解决的难题，最适合的应用场景有哪些？姜山：突破了两项关键技术：一是离子源技术；二是探测器技术。离子源是所有质谱仪的关键部件，目前AMS所采用的离子源是溅射负离子源。2020年之前，我们研发的AMS系统，采用的都是国外的负离子源。十年前，团队就已经认识到：离子源是AMS的核心部件，必须研发出我国自己的具有知识产权的离子源，这样才能够在以后的AMS仪器研发和制造中不被“卡脖子”。2015年，团队与国内一家离子源公司合作共同研发溅射负离子源，经过6年的努力，2021年终于研发出来我国自己的负离子源。探测器技术和加速器技术是AMS区别于传统质谱仪的两项技术，其中重离子探测器技术是最为关键。其技术核心是如何实现对低能量重粒子的能谱测量，例如：如何实现800keV的U或Pu同位素离子的能谱测量？同时具有粒子鉴别能力，例如鉴别41Ca和41K，它们具有相同的质核比，传统质谱仪无法识别它们。经过十几年的努力，团队先后研发出了传统ΔE-E 探测器和充气飞行时间粒子鉴别探测器。最终实现了国际上最先进的，低能量簿窗气体电离室探测器，该气体探测器的入射窗采用Si3N4薄膜，膜的厚度仅仅30nm, 这样低能量的重离子才能够穿过窗进入探测器，从而得到重离子的能谱。用这样的探测器，最终实现了500-1000keV能力范围重粒子的测量，为AMS实现10Be、14C、129I、236U以及超铀核素的测量奠定了重要基础。仪器信息网：后续您团队的研发计划?姜山：团队接下来的研发计划是：发展我们具有完全自主知识产权的超强电离质谱仪，包括：1、超强电离的加速器质谱仪和2、超强电离无机质谱仪（包括同位素质谱仪和元素质谱仪）两大类，打开更大的应用空间。超强电离质谱仪是我国在质谱领域实现领跑的一种质谱仪。计划2025年，实现这两种超强电离质谱仪的工业化的制作，并投放市场开展应用。超强电离质谱仪：是指质谱仪的离子源具有超强的电离作用，能够剥离掉多个电子，离子具有3+、4+，，，电荷态，甚至全剥离态。当离子的电荷态≥3+ 时，所有的分子离子或多原子离子全部瓦解，再结合核物理中的离子鉴别技术，就排除了传统质谱测量中最主要的干扰 (分子离子或多原子离子干扰) 和实现同量异位素（如40K、40Ar和40Ca）的分辨。具有超强电离作用的离子源有多种，我们选用电子回旋共振电离型（ECR）离子源。我们研发的超强电离质谱仪为ECR-AMS和ECR-MS两类。超强电离质谱仪因其能够排除各种成分离子的干扰，突破了传统质谱仪只能够测量M/q的瓶颈，实现了真正质量谱测量。因此，显著提高了性能指标，其测量灵敏度能够提高100—10000倍，测量精度能够提高10—100倍。这样就大大的扩展了应用空间。在地质与考古、环境与资源、医疗与健康、材料与能源等领域都能够解决很多以前解决不了的问题。目前团队已经完成原理验证装置和原理验证实验，也获得了5项国际发明专利的授权。2022年，超强电离质谱仪技术获得了全国首届颠覆性技术大赛一等奖。仪器信息网：多年来，您团队一直坚持加速器质谱技术的研究工作，请您谈谈有哪些体会、收获、经验？姜山：共有三点体会：第一、核心团队最重要。当前的高科技领域，尤其是科学仪器，都一定是多学的交叉与融合，不是那一两个人就能够完成的。AMS领域涉及：进样器技术、离子源技术、加速器技术、分析器技术、探测器与电子学技术、自动控制技术共计六大技术领域。我们不但有团队，最重要的是有一个核心技术团队，核心团队里掌握上述六大技术领域的前沿和最先进的技术。因此，核心技术团队是科学仪器研发最重要的基础，没有这样一个团队研发工作是无法开展的。第二、创新是立足和发展的根本。众所周知、目前科学仪器界里，接大多数的核心技术都掌握在外国人手里。而我国所掌握的核心知识产（原创技术），寥寥无几，其原因还是创新能力的不足。为什么我国在科学仪器上缺少创新力？评价机制（以论文数量论英雄）和市场导向（造船不如买船，买船不如租船）是根本所在，我们在这里不做过多分析。总之我们需要创新，创新的关键需要创新型人才，尤其是领军人才。谁获得了创新型领军人才，谁就能够得到最先进的科学仪器，“仪器强则科技强，科技强则国家强”。如果没有创新，就没有自己的核心技术，生产的产品就是模仿，企业发展就是靠“内卷”，很难立足稳定，更难以不断发展。第三、持之以恒是保障。仪器的研发是一个十分艰难的过程，需要有经费的支持、需要有人才队伍的的建设、思想的统一、需要突破关键部件的研制等等，更需要有创新的仪器设计。不仅仅要战胜一个又一个的困难，还要承受一次又一次失败的打击和烦恼。对待这些，都需要有一股韧劲和一种百折不挠的精神，持之以恒，才能够取得最后的胜利。企业的成功应该是，在第一和第二的基础上持之以恒，坚持、坚持再坚持！

为什么飞行时间质谱（tofms）是相对于四级杆质谱（qms）更理想的检测器？您是否想了解飞行时间质谱仪（tofms）和四极杆质谱仪（qms）的区别，比较两者的性能以及了解这些参数对您的应用案例可能产生的具体影响？总体而言，飞行时间质谱比四极杆质谱仪具有先天的性能优势。tofms采集瞬时全谱信息，大幅提升了仪器的分析速度和灵敏度，确保任何重要信息不会丢失并允许回溯分析，更容易鉴别未知分析物和解析测量结果。更重要的是，tofms具备的超高质量分辨率和高精确质量更利于复杂基体中未知物种的准确鉴别，详见后文。参数对比飞行时间质谱tofms级杆质谱qms mass analyzer数据采集同时记录所有离子（全谱）离子筛：同一时段只能记录一种离子采集速度1000hz全谱1000hz单个离子质量分辨率r = m/rm10’000可分辨同量异位素峰可精确推导化学式单质量数分辨率不可分辨同量异位素峰相对精确质量rm/m1000质量数时，4 ppm = 4 mth/th精确质量rm0.001 th at 300 th0.5 th质量范围1 th 到 10000 th通常为10 th 到 500 th四极杆和tof质量分析仪的工作原理？四极杆和飞行时间(tof)质量分析仪实现对不同质荷比(m/q)的离子分离的原理截然不同，这从根本上导致了两者检测能力的巨大差异。四级杆质量分析仪四极杆质量分析仪简单来说是一个‘离子筛’：在同一时刻，有且仅有特定m/q值的离子才能通过四极杆被后端检测器检测到。 第二步，通过挑选或者逐个扫描测量质荷比来获得部分或者完整谱图。图1是一个简单的四级杆原理动图：射频rf电场将离子聚焦在四级杆的轴心；叠加的直流dc电场用于破坏离子飞行轨迹的稳定性，并随后将它们从四极杆中弹出。通过调节这两个电场的强度，可使得只有一个较小m/q范围的离子保持稳定的飞行轨迹从而顺利通过四级杆。该质荷比范围外的其他离子将因不稳定而损失掉（被过滤掉）。然后，在整个m/q质荷比范围内扫描特定或者每个离子的质荷比，就可以记录部分或者完整质量谱图。产生射频rf场的电子器件的电压输出是有物理上限的，也就相应限定了四级杆所能测量的质荷比的上限范围。 图1. 四级杆原理动画图。同一时间，只有特定m/q值的离子才能通过；其他离子都会被‘丢’掉。这里的动图中，选择性离子检测（sim）用来测量了三个较小质荷比的离子（蓝色、黄色和灰色），而质荷比最大的离子（红色）则一直不在筛选范围之内，可理解为没有被检测到。飞行时间质量分析器tof分析仪则是根据离子通过特定区域（通常称为飞行管）时不同的飞行速度来达到离子分离的效果。整个过程有点类似于一场跑步比赛：一组离子在起点被加速（比赛开始），然后以匀速通过无场飞行管（赛跑过程）漂移到检测器（终点线）。从飞行管起点到与检测器‘撞线’之间的时间，也就是离子的飞行时间，被高速检测器记录下来。直观的说，重的分子应该比轻的分子‘飞’得慢，也就意味着到达检测器的时间也越长。所以，在离子带电荷数都相等的前提下，通过离子飞行时间可以反推出其质荷比。这里我们有一个更详细的解释和推导。在tof飞行管的起始加速区，所有离子都会同时受到一个脉冲强电场，即不同质荷比的离子都得到同样的起始动能e。更准确来说，离子获得的动能与其带电荷量q成正比。电荷量相同的离子，e/q近似完全一致。动能e跟质量和速度的方程式：e = ½ mv2这也就意味着：e/q = ½ m/q v2 约等于恒定。因此，质荷比m/q较小的离子会以更快的速度地通过tof区域，更快到达检测器。仪器会高速测量每个离子从起始加速区到检测器的飞行时间，然后将其转换为质谱图：质荷比和信号强度。图2. 飞行时间质谱原理动画图。 每种离子都从脉冲电场中获得了相同的动能，以恒定速度通过无场漂移区（飞行管）。静电场反射镜（reflectron）大幅改善了因离子初始动能差异而导致的分辨率损失。检测器则高频率的记录不同时间点检测到的离子数。所有的离子‘飞行行程’都在微秒级别，也就意味上万趟‘飞行行程’累加在一起，最后形成了一秒的全谱图。上图中的动画持续了几秒钟。在仪器中，实际的离子飞行速度要快得多：每秒数万次飞行，每次飞行时间10到100微秒不等。一般情况下，我们无需每秒几万次的超高数据采集频率，因此通常会将数据累加成每0.1（10 hz）秒或者更长时间段的谱图。举例来说：当tof以两万次/秒的采集速率运行时，每2000次提取的数据可以积累到一张谱图当中，也就是10张谱图/秒的仪器响应。现代tof仪器采用了各种精妙的电子和机械设计来提高质量分辨率，包括静电场反射镜等部件。同时，从离子‘撞线’检测器到仪器屏幕上显示质谱之间的很多步骤也需系统设计和考虑。tofms快速‘全景’测量与每次测量中只记录单一质荷比离子的四级杆不同，飞行时间质谱每时每刻都在记录所有质荷比的离子的信号强度。tof同时检测所有离子的特质，相比于qms离子监测（sim）和全谱扫描都具有先天性的优越性。四极杆在扫描每个离子都需要一定的驻留时间（一般为0.1秒以上），这也意味着可能需要较长时间才能完成全谱扫描，继而导致较慢的测量速度，并损失大量有效信息。例如图3(左图)展示了用vocus 2r ptr-tof在4hz采集率下对志愿者单次呼气的测量结果。在这个简单的实验中，一共有241种不同的vocs化合物被定性定量。如果用四极杆质量分析仪来测量同样数量的离子，并假设使用0.25秒的单离子驻留时间，则需要至少一分钟的时间来完成测量。这也意味着，当志愿者的呼气动作完成时，四极杆全谱扫描还在进行中（图3(右图)。图3. 约1.5秒开始的单次呼气中的各物种时间序列。左图：用tofms实测得到的呼气结果。右图：同样的呼气试验，用四级杆质谱的模拟结果。图中标志点代表了每组数据对应的时间点。四级杆扫描的离子数目越多，对仪器灵敏度的影响越大在四级杆质谱的单个离子对应的停留时间中，所有其他离子都被丢弃。这会直接影响仪器整体的灵敏度。想象一下，对一个校准气瓶进行十秒钟的测量，一个四极杆和一个tofms质谱分别测量十个质荷比的离子。四极杆对每个质荷比的信号累积时间不超过1秒，而tofms对每个m/q的信号累积时间则为10秒。很明显，tofms将为每个离子累积更多的信号，因此在10秒的时间内具有相对于四级杆更高的灵敏度。 tof瞬时全谱确保不错过有效信息为了改善测量速率，四级杆可以只测量少量的特定离子(也称为选择离子监测模式sim)。值得注意的是，未被列入特定离子清单的离子可能包含重要信息。例如，图4展示了用tofwerk ei-tof以5谱每秒的采集频率测量的gc逸出物的质谱。为了完整的体现单个色谱峰，四极杆操作者一般选择不超过三个离子进行sim。另一方面，图中最大的色谱峰中包含的ei谱图含有200多个离子。相对于四级杆提供的少数几个离子，使用包含200多个离子的全谱图数据，与nist库的标准谱图匹配来进行峰识别的准确性要高的多。此外，使用sim的操作者必须非常确定他们对除样品目标物外的其他任何vocs不感兴趣。这一点对于非目标分析尤其重要，也是极难做到的，因为在非目标分析中，样品的确切成分是未知的。通过每时每刻测量所有离子，保存全谱数据，测量变得 “面向未来”：如果研究或新的应用表明一个新的分子是值得注意的，分析人员可以重新审视以前收集的tof数据，针对这些‘新’物种进行回溯分析。图4. ei-tof测得的gc气相色谱逸出物和相应的色谱峰。至少有六个色谱峰可以被清楚的识别出来，每个峰的宽度都小于三秒。图中蓝色、红色和黑色的数据点提出了模拟的四级杆在sim模式的测量效果。插图展示了强度最高的色谱峰所对应的包含200多种离子信息的nist ei谱图。不间断连续测量能更好的揭示样品中各离子的对应关系四极杆分析仪的结果是不连续的：这是因为每次只能扫描一个离子，而不是同时扫描所有离子。这种效应被简称为 “质谱偏斜”。如果样品的voc成分变化很快，就无法准确定量vocs之间的相对比例。这对于化学计量‘指纹’分析或大气污染物的溯源分析等应用都非常重要。举个例子，图5显示了一段vocus elf小精灵ptr-tof对环境空气中芳香烃的测量结果。该测量来自欧洲某城市的车载实验，被测空气的成分随时间和空间位置的变化而极快的变化。图5. 车载移动检测中芳香烃物质浓度秒级的变化曲线。右图中模拟的四级杆分析结果给污染物溯源和源谱图数据库建立都增加了很大的不确定性。苯、甲苯、二甲苯和更大的芳烃的相对比例一般可以用来表征污染物来源：在本案例中，汽油车尾气。如果使用相应的只有三个离子的四极杆测量结果，就无法准确确定不同芳烃的相对比例，后续的来源识别就变得更加困难。另一个飞行时间质谱检测器的好搭档是适用于元素及其同位素分析的电感耦合等离子体质谱仪（icp-ms）。在非连续进样时，icp-ms需要在较短时间内测量多种元素和它们对应的各同位素峰，这也是传统的四级杆检测器所不能实现的。上述应用场景包括有单颗粒分析或者快速（高达几百hz）激光剥蚀成像等。图6展示了一组在钢材质纳米颗粒中分析铬，铁，镍和钼等元素信息。单颗颗粒物所产生的信号时长不超过0.5毫秒。tofwerk的icptof （icp-ms搭配飞行时间检测器）能够可靠地表征这些纳米颗粒物的完整谱图信息，而四级杆检测器则受限于其同一时刻只能测量一种元素的劣势，会丢失很大一部分信息，同时对各元素之间的浓度相对比值也不能准确测量。图6. 用icptof r检测到的单个钢材质纳米颗粒中铬，铁，镍和钼随时间变化信号图。上半部分：每90微秒记录的单个钢纳米颗粒物的高时间分辨率信号。下半部分：模拟四级杆检测器记录的上述单颗粒物分析的实验结果。该套模拟结果是在假设四级杆单离子停留时间为90微秒的情形下。因为四级杆是依次扫描这四种元素信息，他们的灵敏度响应的减少了33倍。更重要的是，四级杆数据推导出的元素的相对浓度比值跟真实数字会有76%-270%的偏差！高质量分辨率是准确识别未知离子的必要条件之一四极杆质量分析仪的分辨力受限于四极杆的加工精度和电子器件的性能。四极杆分析仪通常是以单位质量分辨率来操作的。即使是目前市场上非常高端的四极杆，其分辨力也只有r=m/dm（fwhm）=3000-4000th/th，这还是在大幅降低仪器灵敏度的情况下。图7将单位质量分辨率的ptr四极杆谱图与分辨力为r=5000 th/th的vocus s ptr-tof谱图进行了详细对比。在单位质量分辨率下，无法区分同量异位化合物。同量异位化合物具有相同的标称质量，但元素组成不同。同量异位化合物在样品中会有不同的随时间变化曲线，能够对它们分别测量并定量对分析结果的精确性非常重要（图8）。图8. 具有5000分辨率的vocus s ptr-tof的测量数据。在69质荷比的三个同量异位离子信号对应的完全不同的时间序列。底图展示了特定时间点上的节选谱图：高质量分辨率将这三种离子清楚的解析开来。高质量分辨率提供的精确质量信息更重要是用来确定离子峰的元素组成。这对化合物的鉴定至关重要，而这也是单位质量分辨率无法做到的。在图9中，高质量分辨率（5000 th/th）和高相对质量精度（5ppm以内）可以帮助我们把97.045 th处检测到的离子鉴别为氟苯而不是3-糠醛(97.028 th)或2-乙基呋喃(97.065 th)。图9. 高质量分辨率和高质量精度保证了离子定性定量的高准确性。结论综上所述，飞行时间质谱仪相对于四级杆分析仪的优势是显而易见的。单个样品的测量速度更快，而且不会有”质谱偏斜”效应。对于同一个质量范围，tof分析仪相对于四级杆有更好的灵敏度。因为每时每刻都在记录‘全景’谱图，不会错过或者丢失任何可能的重要信息。最后，tof的高质量分辨率可以鉴别同量异位化合物并精确推导出元素组分。 来源：tofwerk

您是否想了解飞行时间质谱仪（TOFMS）和四极杆质谱仪（QMS）的区别，比较两者的性能以及了解这些参数对您的应用案例可能产生的具体影响？总体而言，飞行时间质谱比四极杆质谱仪具有先天的性能优势。TOFMS采集瞬时全谱信息，大幅提升了仪器的分析速度和灵敏度，确保任何重要信息不会丢失并允许回溯分析，更容易鉴别未知分析物和解析测量结果。更重要的是，TOFMS具备的超高质量分辨率和高精确质量更利于复杂基体中未知物种的准确鉴别，详见后文。参数对比飞行时间质谱TOFMS级杆质谱QMS Mass Analyzer数据采集同时记录所有离子（全谱）离子筛：同一时段只能记录一种离子采集速度1000Hz全谱1000Hz单个离子质量分辨率R = M/rM10’000可分辨同量异位素峰可精确推导化学式单质量数分辨率不可分辨同量异位素峰相对精确质量rM/M1000质量数时，4 ppm = 4 mTh/Th精确质量rM0.001 Th at 300 Th0.5 Th质量范围1 Th 到 10000 Th通常为10 Th 到 500 Th四极杆和TOF质量分析仪的工作原理？四极杆和飞行时间(TOF)质量分析仪实现对不同质荷比(m/Q)的离子分离的原理截然不同，这从根本上导致了两者检测能力的巨大差异。四级杆质量分析仪四极杆质量分析仪简单来说是一个‘离子筛’：在同一时刻，有且仅有特定m/Q值的离子才能通过四极杆被后端检测器检测到。第二步，通过挑选或者逐个扫描测量质荷比来获得部分或者完整谱图。图1是一个简单的四级杆原理动图：射频RF电场将离子聚焦在四级杆的轴心；叠加的直流DC电场用于破坏离子飞行轨迹的稳定性，并随后将它们从四极杆中弹出。通过调节这两个电场的强度，可使得只有一个较小m/Q范围的离子保持稳定的飞行轨迹从而顺利通过四级杆。该质荷比范围外的其他离子将因不稳定而损失掉（被过滤掉）。然后，在整个m/Q质荷比范围内扫描特定或者每个离子的质荷比，就可以记录部分或者完整质量谱图。产生射频RF场的电子器件的电压输出是有物理上限的，也就相应限定了四级杆所能测量的质荷比的上限范围。图1. 四级杆原理动画图。同一时间，只有特定m/Q值的离子才能通过；其他离子都会被‘丢’掉。这里的动图中，选择性离子检测（SIM）用来测量了三个较小质荷比的离子（蓝色、黄色和灰色），而质荷比最大的离子（红色）则一直不在筛选范围之内，可理解为没有被检测到。飞行时间质量分析器TOF分析仪则是根据离子通过特定区域（通常称为飞行管）时不同的飞行速度来达到离子分离的效果。整个过程有点类似于一场跑步比赛：一组离子在起点被加速（比赛开始），然后以匀速通过无场飞行管（赛跑过程）漂移到检测器（终点线）。从飞行管起点到与检测器‘撞线’之间的时间，也就是离子的飞行时间，被高速检测器记录下来。直观的说，重的分子应该比轻的分子‘飞’得慢，也就意味着到达检测器的时间也越长。所以，在离子带电荷数都相等的前提下，通过离子飞行时间可以反推出其质荷比。这里我们有一个更详细的解释和推导。在TOF飞行管的起始加速区，所有离子都会同时受到一个脉冲强电场，即不同质荷比的离子都得到同样的起始动能E。更准确来说，离子获得的动能与其带电荷量Q成正比。电荷量相同的离子，E/Q近似完全一致。动能E跟质量和速度的方程式：E = &half mv2这也就意味着：E/Q = &half m/Q v2 约等于恒定。因此，质荷比m/Q较小的离子会以更快的速度地通过TOF区域，更快到达检测器。仪器会高速测量每个离子从起始加速区到检测器的飞行时间，然后将其转换为质谱图：质荷比和信号强度。图2. 飞行时间质谱原理动画图。每种离子都从脉冲电场中获得了相同的动能，以恒定速度通过无场漂移区（飞行管）。静电场反射镜（reflectron）大幅改善了因离子初始动能差异而导致的分辨率损失。检测器则高频率的记录不同时间点检测到的离子数。所有的离子‘飞行行程’都在微秒级别，也就意味上万趟‘飞行行程’累加在一起，最后形成了一秒的全谱图。上图中的动画持续了几秒钟。在TOFWERK仪器中，实际的离子飞行速度要快得多：每秒数万次飞行，每次飞行时间10到100微秒不等。一般情况下，我们无需每秒几万次的超高数据采集频率，因此通常会将数据累加成每0.1（10 Hz）秒或者更长时间段的谱图。举例来说：当TOF以两万次/秒的采集速率运行时，每2000次提取的数据可以积累到一张谱图当中，也就是10张谱图/秒的仪器响应。现代TOF仪器采用了各种精妙的电子和机械设计来提高质量分辨率，包括静电场反射镜等部件。同时，从离子‘撞线’检测器到仪器屏幕上显示质谱之间的很多步骤也需系统设计和考虑。TOFMS快速‘全景’测量与每次测量中只记录单一质荷比离子的四级杆不同，飞行时间质谱每时每刻都在记录所有质荷比的离子的信号强度。TOF同时检测所有离子的特质，相比于QMS离子监测（SIM）和全谱扫描都具有先天性的优越性。四极杆在扫描每个离子都需要一定的驻留时间（一般为0.1秒以上），这也意味着可能需要较长时间才能完成全谱扫描，继而导致较慢的测量速度，并损失大量有效信息。例如图3(左图)展示了用Vocus 2R PTR-TOF在4Hz采集率下对志愿者单次呼气的测量结果。在这个简单的实验中，一共有241种不同的VOCs化合物被定性定量。如果用四极杆质量分析仪来测量同样数量的离子，并假设使用0.25秒的单离子驻留时间，则需要至少一分钟的时间来完成测量。这也意味着，当志愿者的呼气动作完成时，四极杆全谱扫描还在进行中（图3(右图)）。图3. 约1.5秒开始的单次呼气中的各物种时间序列。左图：用TOFMS实测得到的呼气结果。右图：同样的呼气试验，用四级杆质谱的模拟结果。图中标志点代表了每组数据对应的时间点。四级杆扫描的离子数目越多，对仪器灵敏度的影响越大在四级杆质谱的单个离子对应的停留时间中，所有其他离子都被丢弃。这会直接影响仪器整体的灵敏度。想象一下，对一个校准气瓶进行十秒钟的测量，一个四极杆和一个TOFMS质谱分别测量十个质荷比的离子。四极杆对每个质荷比的信号累积时间不超过1秒，而TOFMS对每个m/Q的信号累积时间则为10秒。很明显，TOFMS将为每个离子累积更多的信号，因此在10秒的时间内具有相对于四级杆更高的灵敏度。TOF瞬时全谱确保不错过有效信息为了改善测量速率，四级杆可以只测量少量的特定离子(也称为选择离子监测模式SIM)。值得注意的是，未被列入特定离子清单的离子可能包含重要信息。例如，图4展示了用Tofwerk EI-TOF以5谱每秒的采集频率测量的GC逸出物的质谱。为了完整的体现单个色谱峰，四极杆操作者一般选择不超过三个离子进行SIM。另一方面，图中最大的色谱峰中包含的EI谱图含有200多个离子。相对于四级杆提供的少数几个离子，使用包含200多个离子的全谱图数据，与NIST库的标准谱图匹配来进行峰识别的准确性要高的多。此外，使用SIM的操作者必须非常确定他们对除样品目标物外的其他任何VOCs不感兴趣。这一点对于非目标分析尤其重要，也是极难做到的，因为在非目标分析中，样品的确切成分是未知的。通过每时每刻测量所有离子，保存全谱数据，测量变得 “面向未来”：如果研究或新的应用表明一个新的分子是值得注意的，分析人员可以重新审视以前收集的TOF数据，针对这些‘新’物种进行回溯分析。图4. EI-TOF测得的GC气相色谱逸出物和相应的色谱峰。至少有六个色谱峰可以被清楚的识别出来，每个峰的宽度都小于三秒。图中蓝色、红色和黑色的数据点提出了模拟的四级杆在SIM模式的测量效果。插图展示了强度最高的色谱峰所对应的包含200多种离子信息的NIST EI谱图。不间断连续测量能更好的揭示样品中各离子的对应关系四极杆分析仪的结果是不连续的：这是因为每次只能扫描一个离子，而不是同时扫描所有离子。这种效应被简称为 “质谱偏斜”。如果样品的VOC成分变化很快，就无法准确定量VOCs之间的相对比例。这对于化学计量‘指纹’分析或大气污染物的溯源分析等应用都非常重要。举个例子，图5显示了一段Vocus Elf小精灵PTR-TOF对环境空气中芳香烃的测量结果。该测量来自欧洲某城市的车载实验，被测空气的成分随时间和空间位置的变化而极快的变化。图5. 车载移动检测中芳香烃物质浓度秒级的变化曲线。右图中模拟的四级杆分析结果给污染物溯源和源谱图数据库建立都增加了很大的不确定性。苯、甲苯、二甲苯和更大的芳烃的相对比例一般可以用来表征污染物来源：在本案例中，汽油车尾气。如果使用相应的只有三个离子的四极杆测量结果，就无法准确确定不同芳烃的相对比例，后续的来源识别就变得更加困难。另一个飞行时间质谱检测器的好搭档是适用于元素及其同位素分析的电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）。在非连续进样时，ICP-MS需要在较短时间内测量多种元素和它们对应的各同位素峰，这也是传统的四级杆检测器所不能实现的。上述应用场景包括有单颗粒分析或者快速（高达几百Hz）激光剥蚀成像等。图6展示了一组在钢材质纳米颗粒中分析铬，铁，镍和钼等元素信息。单颗颗粒物所产生的信号时长不超过0.5毫秒。TOFWERK的icpTOF（ICP-MS搭配飞行时间检测器）能够可靠地表征这些纳米颗粒物的完整谱图信息，而四级杆检测器则受限于其同一时刻只能测量一种元素的劣势，会丢失很大一部分信息，同时对各元素之间的浓度相对比值也不能准确测量。图6. 用icpTOF R检测到的单个钢材质纳米颗粒中铬，铁，镍和钼随时间变化信号图。上半部分：每90微秒记录的单个钢纳米颗粒物的高时间分辨率信号。下半部分：模拟四级杆检测器记录的上述单颗粒物分析的实验结果。该套模拟结果是在假设四级杆单离子停留时间为90微秒的情形下。因为四级杆是依次扫描这四种元素信息，他们的灵敏度响应的减少了33倍。更重要的是，四级杆数据推导出的元素的相对浓度比值跟真实数字会有76%-270%的偏差！高质量分辨率是准确识别未知离子的必要条件之一四极杆质量分析仪的分辨力受限于四极杆的加工精度和电子器件的性能。四极杆分析仪通常是以单位质量分辨率来操作的。即使是目前市场上非常高端的四极杆，其分辨力也只有R=M/dM（FWHM）=3000-4000Th/Th，这还是在大幅降低仪器灵敏度的情况下。图7将单位质量分辨率的PTR四极杆谱图与分辨力为R=5000 Th/Th的Vocus S PTR-TOF谱图进行了详细对比。图7. 质子转移反应QMS和TOF谱图对比。在单位质量分辨率下，无法区分同量异位化合物。同量异位化合物具有相同的标称质量，但元素组成不同。同量异位化合物在样品中会有不同的随时间变化曲线，能够对它们分别测量并定量对分析结果的精确性非常重要（图8）。图8. 具有5000分辨率的Vocus S PTR-TOF的测量数据。在69质荷比的三个同量异位离子信号对应的完全不同的时间序列。底图展示了特定时间点上的节选谱图：高质量分辨率将这三种离子清楚的解析开来。高质量分辨率提供的精确质量信息更重要是用来确定离子峰的元素组成。这对化合物的鉴定至关重要，而这也是单位质量分辨率无法做到的。在图9中，高质量分辨率（5000 Th/Th）和高相对质量精度（5ppm以内）可以帮助我们把97.045 Th处检测到的离子鉴别为氟苯而不是3-糠醛(97.028 Th)或2-乙基呋喃(97.065 Th)。图9. 高质量分辨率和高质量精度保证了离子定性定量的高准确性。结论综上所述，飞行时间质谱仪相对于四级杆分析仪的优势是显而易见的。单个样品的测量速度更快，而且不会有”质谱偏斜”效应。对于同一个质量范围，TOF分析仪相对于四级杆有更好的灵敏度。因为每时每刻都在记录‘全景’谱图，不会错过或者丢失任何可能的重要信息。最后，TOF的高质量分辨率可以鉴别同量异位化合物并精确推导出元素组分。