飞行时间质谱

飞行时间质谱技术及发展

前言：质谱分析是现代物理与化学领域使用的极为重要的工具。目前日益广泛的应用于原子能，石油以及化工，电子，医药等工业生产部门，农业科学研究部门及物理电子与粒子物理，地质学，有机，生物，无机，临床化学，考古，环境监测，空间探索等领域[1]。飞行时间质谱飞行时间质谱仪较其他质谱仪具有灵敏度好、分辨率高、分析速度快、质量检测上限只受离子检测器限制等优点，再配合电喷雾离子源基体辅助激光解析离子源[2]大气压化学电离源等离子源，使之成为当今最有发展前景的质谱仪。飞行时间质谱已用于研究许多国际最前沿的热点问题，是基因及基因组学、蛋白质及蛋白质组学、生物化学、医药学以及病毒学等领域中不可替代的有力工具，例如肽和蛋白分析、细菌分析、药物的裂解研究以及病毒检测。特别是在大通量、分析速度要求快的生物大分子分析中，飞行时间质谱成为唯一可以实现的分析手段，例如与激光离子源联用或作为二维气相色谱的检测器等。本文将介绍飞行时间质谱的基本原理、技术及仪器的发展历程。力求对该仪器技术有一个较清楚的认识，并对今后相关的研究工作提供建设性帮助。

1.飞行时间质谱的工作原理：TOF-MS分析方法的原理非常简单。这种质谱仪的

质量分析器是一个离子漂移管。样品在离子源中离子化后即被电场加速，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，假设离子在电场方向上初始位移和初速度都为零，所带电荷数为q，质量数为m, 加速电场的电势差为V, 则加速后其动能应为：

m v2 / 2= qe V

其中，v 为离子在电场方向上的速度。

离子以此速度穿过负极板上的栅条，飞向检测器。离子从负极板到达检测器的飞行时间t，就是TOFMS 进行质量分析的判据。在传统的线性TOFMS，离子沿直线飞行到达检测器；而在反射型TOFMS 中，离子经过多电极组成的反射器后反向飞行到达检测器，后者在分辨率方面优于前者。

2.飞行时间质谱的发展：

由于存在初始能量分散的问题，提高飞行时间质谱分辨率一直是研究者和仪器制造上努力的目标。仪器技术的进展也主要围绕这一目标进行。

2.1离子化技术的发展：最初TOFMS采用电子轰击的方法进行离子化。由电子枪产生的电子电离样品分子使其离解为离子，经加速形成离子束进入飞行区。这种方法可用于气、固、液体样品的分析。其缺点是：1)离子化时间较长，和一般离子的飞行时间数量级相近，容易引起大的误差；2)电子的电离及其进样方式，难以进行大分子样品的分析。目前这种离子化方式多用于小分子的分析。而新的电子发生方式如激光电子枪开始出现。后来脉冲离子发生器应用逐步广泛。用于固体或液体样品的重离子轰击、等离子体解吸(PDMS)及二次离子质谱(SIMS)属于此列。目前脉冲激光技术应用最广，包括激光解吸(LD)、共振激光离子化(RI)、共振加强单多光子离子化（RES/MPI）以及生化分析中常用的基质辅助激光解吸[4] (MALDI))等，适用于不同样品的分析。例如共振激光离子化可用于痕量金属元素的分析[3]。REMPI 则擅长复杂有机物的选择性离子化；MALDI的优点在于：1）可获得高的灵敏度，甚至能检测到离子化区的几个原子；2）对于热不稳定的生物大分子可实现无碎片离子化；3）对固体、液体表面分析，可以很好地控制离子化的位置或深度样品，分析时间大大缩短；4）可以与不同的离子化方式相结合。为解决多肽、蛋白、寡糖、DNA测序等生命科学领域中的前沿分析课题，需要发展特殊电离技术以及超高分辨、高灵敏度、大质量范围、多级串联的高档

飞行时间质谱仪。MALDI与ESI等离子源与高分辨飞行时间质谱仪器联用是近年来应用于生化新药和基因工程药物分析研究领域中的重要方法。MALDI在高真空中离子化并直接得到检测，灵敏度高，然而其电离机理复杂。ESI在大气压下离子化，但离子要从大气中引人真空，灵敏度较低，因此发展高效的真空接口成为重要的课题。1999年，Lai k o成功地发明大气压基体辅助光解析电离源(AP—MALDI )，虽与ESI相似有灵敏度较低的问题，但较之常规MALDI TOFMS有以下几个优势：(1)样品处理均在大气压下完成，避免把样品载入质谱真空系统的麻烦；(2)是一种更柔和的离子源，只需较低的能量就能产生离子，并能减少亚稳离子碎片的出现；(3)离子源对质谱仪器的质量精度和分辨率没有实质性的影响；(4)在大气压下，电离时形成均匀的离子云，使电离更加连续稳定。

2.2离子飞行轨道的改进[5][6]:分辨率低一度是制约TOFMS发展和应用的主要因素。70年代初苏联科学家发明的质量反射器使TOFMS 能量分布问题的解决有了重大突破。该技术成为TOFMS 后来得以长足发展的契机。最初的反射器，是由一组同心的薄板构成，最后一极是一实心板。中间用栅条隔开不同强度的电场。后来发现薄板和栅条的边缘效应引起电场的弯曲，而且离子通过带电珊条时易发生溅射，因此又设计了无栅反射器。同时，为了进一步提高灵敏度和分辨率，节省空间，人们设计了多种新型的反射器如：‘线性反射器’、轴对称离子通道反射器、抛物线型反射器和多缝反射器。Cotter 等人研究的封端（End-Cap）反射型TOFMS可获得好的聚焦效果和高分辨率等等。这些结构的改变都能在某一方面改善反射器的性能，但也存在各自的缺陷。因此，只能针对具体应用环境加以选择。此外增加离子的飞行时间能够提高TOFMS的分辨率。增长飞行区的长度无疑是方法之一。最早的线性TOFMS的漂移管最长达10 米。实际上最有效的方式是使离子在同一区间循环飞行。由此出现了环形质量分析器和折叠式质量分析器。前者使离子绕环形道飞行数圈，后者则采用多次反射使其往返飞行。现在人们仍通过改进飞行区的电场和离子光学器件设置的方法提高仪器分辨率，分辨率提高的程度取决于离子在飞行区循环飞行的次数。

3.飞行时间质谱的应用前景

飞行时间质谱的应用范围宽,分析速度快,无需扫描,能够在几微秒至几十微秒时间内实现全

谱分析,离子的传输效率能够达到100 % ,灵敏度高。因此在环境分析、工业检测特别是在生物领域内发挥着不可替代的作用。新的电离技术的发展不断地拓展TOF/MS的应用范围,因此开发新型电离源将是TOF/MS 研究中不断探索的目标。为了进一步提高灵敏度或分辨率,与其他样品处理、富集技术联用,多种分析仪器联用将成为TOF/MS 将来的研究热点。可以预见，在21世纪的生命科学、原子与分子物理学、表面物理学、聚合物物理和化学、材料科学、分析化学和生态学领域的发展中，TOFMS都将发挥重要的作用。TOFMS在材料中多种痕量元素的同时分析、工业生产监控和自动化、生物制品质量监控、与气相色谱、液相色谱、电泳、离子阱及其它质谱联用用于复杂体系分离分析等技术将成为研究和应用的热点。

4参考文献：

[1]仪器分析第四版朱明华胡平编

[2] 李海洋, 王利，白吉玲，吕日昌. 一种用于飞行时间质谱的激光光电子

枪. 仪器仪表学报, 1999，2, 176-179

[3] 陈瓞延. 超痕量RIS-TOFMS高技术在地质找矿中的应用. 应用科学学

报，1990, 3,194-206

[4]黄正旭，陈华勇，郭长娟，周振．大气压基质辅助激光解析离子源发

展及其应用．光谱学与光谱分析

[5]赵冰，沈学静．飞行时间质谱技术的发展．现代科学仪器，2006，4：