[科普中国]-飞行时间质谱仪

飞行时间质谱仪 Time of Flight Mass Spectrometer (TOF) 是一种很常用的质谱仪。这种质谱仪的质量分析器是一个离子漂移管。由离子源产生的离子加速后进入无场漂移管，并以恒定速度飞向离子接收器。离子质量越大，到达接收器所用时间越长，离子质量越小，到达接收器所用时间越短，根据这一原理，可以把不同质量的离子按m/z值大小进行分离。

简介及发展概况飞行时间质谱仪是通过离子在一定距离真空无场区内按不同质荷比以不同时间到达检测器，从而建立质谱图的质谱仪。经典线性飞行时间质谱仪包括离子源、飞行管、检测器及记录系统和真空系统。与常规使用的质谱仪相比，它具有结构简单、离子流通率高和质量范围不受限制等优点。只是在20世纪40年代，受仪器设计和电子技术的限制其分辨率只在100左右，50年代Wiley和Malarin设计了空间聚焦和延时聚焦(timelag focus)离子源，分辨率提高至几百。70年代Mamyfin和Karataev设计了离子反射镜，进一步解决了离子能量分散问题，使飞行时间质谱仪进入高分辨仪器的行列。由于90年代电子技术的发展和延时聚焦技术的进一步运用，商售激光飞行时间质谱仪已达万以上的分辨率，应用范围也越益广泛。80年代末Kams和Hillenkamp发现了基体辅助激光解吸电离质谱法，实现了分析生物大分子的重大突破，使之成为生命科学研究的重要工具。到21世纪各类功能飞行时间质谱仪已相继问世，如电喷雾离子源、辉光放电离子源、气质联用、液质联用和毛细管电泳联用等，从而具备了常规四极或磁式质谱仪的主要功能。飞行时间质谱仪已被看作是一种很有前途的高性能质谱仪器。1

特点飞行时间质谱仪可检测的分子量范围大，扫描速度快，仪器结构简单。这种飞行时间质谱仪的主要缺点是分辨率低，因为离子在离开在离子源时初始能量不同，使得具有相同质荷比的离子达到检测器的时间有一定分布，造成分辨能力下降。改进的方法之一是在线性检测器前面的加上一组静电场反射镜，将自由飞行中的离子反推回去，初始能量大的离子由于初始速度快，进入静电场反射镜的距离长，返回时的路程也就长，初始能量小的离子返回时的路程短，这样就会在返回路程的一定位置聚焦，从而改善了仪器的分辨能力。这种带有静电场反射镜的飞行时间质谱仪被称为反射式飞行时间质谱仪（Reflectron time-of-flight mass spectrometer）。

工作原理简介飞行时间质谱仪的原理是测量离子从离子源到达检测器的时间。这个过程包括在离子源中产生离子束，然后加速并测量它们从离子源至检测器的时间。其间有一漂移管，通常长约2m，如图6-7所示。所有离子在加速区接受相同的动能，但是它们的质量不同，因而速度有差异，通过漂移管到达检测器的时间(TOF)也就不同。因此有：

可见，较轻的离子具较高的速度，而较重的离子速度较慢。如果离子源至检测器的距离离L，则

显然，离子的m/z值克由其到达检测器的时间所确定。

飞行时间质谱仪的扫描速度快，记录一张质谱所需的时间以微秒计。这种仪器的质量范围宽，可以测定m/z10000以上的离子。2

应用因为ATOFMS可以鉴别组成颗粒物的特殊化合物，因此它可以提供了新视角来考察粒子与周围气体以及其他颗粒物之间的动态化学过程。实时化学组分分析可以消除传统的滤膜或碰撞器气溶胶采样方法的固有问题，比如二次化学反应或者半挥发性化合物的损失。3800-ATOFMS的应用包括：

· 气溶胶分析研究

· 大气粒子表征、排放源识别

· 半导体加工过程

· 室内空气质量监测

· 气溶胶－药物释放研究

· 吸入毒理学研究

· 药物强化样品分析

· 化学和生物气溶胶检测

· 发动机排放测量

· 粉末生产质量以及过程控制等。

在环境监测中应用飞行时间质谱仪在环境监测中的应用主要包括以下几个方面：

颗粒分类：可以分别根据颗粒物质谱特征进行化学组成表征、颗粒物的窄气动力学直径对颗粒物进行分类；也可以同时对颗粒的大小与颗粒化学成分组合进行分类；建立主要化学成分和颗粒粒径之间的对应关系。

数浓度变化：分析颗粒物数浓度随时间的变化；可以分别分析在检测范围内，不同颗粒直径范围的数浓度随时间变化。

化学成分分析及随时间变化：分析某种化学成分随时间的变化，根据其变化趋势可以准确反映出某一时间内发生的特殊变化；特别重要的是可实现颗粒物巾重金属的实时在线分析，是当前不可替代的方法。

源解析：根据颗粒物的分类及时间变化，判断其可能的来源。

颗粒物的演变过程及机理研究：根据不同颗粒物随时间的演变趋势，以推断可能的形成机理。3

本词条内容贡献者为:

宋春霖 - 副教授 - 江南大学