實驗室分析儀器有機質譜飛行時間分析系統結構分析

離子受到加速電壓的作用離開離子源后在一個無場區域內飛行直至抵達檢測器，各種質荷比的離子受到相同的加速電壓作用，但由于它們的質荷比不同，在無場區域內飛行的速度不同，導致到達檢測器的時間也不同。利用離子到達的時間不同達到區分不同質荷比的效果，這就是飛行時間分析系統的原理。圖是經典的線性飛行時間質譜分析系統示意圖。飛行時間的離子可以由脈沖產生，也可以是連續離子流。但不管如何，在進入分析器前要經過適當的調制。這是因為確定離子的質荷比值是直接依賴于離子在無場區域內的準確飛行時間，也就是說要求所冇離子應同步進入加速區。利用脈沖給予離子加速，一次脈沖，其寬度為ns至10μs可調。隨時間的推移，不同質荷比離子相繼到達收集器。儀器在小于100μs內輸出一張譜圖，重復頻率是10?100kHz。

分辨率是整個儀器綜合性能的反映。所以在討論分辨改善的同時，除了 TOF本身外還涉及離子源的技術改進。從理論上講，要求相同質荷比的離子具有相同的飛行時間，而不同質荷比的離子具有足夠的時間差。但實際上有相同質荷比的離子達到收集器上的時間有微小的差異，從而導致譜線加寬和分辨率的下降。其原因在于下述三種情況：第一，相同質荷比離子在加速前在源中處于不同的位置，因此獲得不同的加速能量；第二，由于熱運動使離子有初始能量的分布，表現在初始速度上的差異；第三，即使它們的位置相同，但在脈沖加速前它們的運動方向上有差異，極端的情況是運動方向背向于柵極的那些離子需要有一定的時間進行調頭或稱回轉，然后才得到相同的加速能量進入分析器。其結果，到達收集器的時間發生了滯后。

一、分辨率的改善

1、雙柵極結構 單柵極的結構使離子被加速到最大能量所需要的時間為飛行時間的十分之幾，而由于脈沖控制柵極和脈沖加速柵極構成的雙柵極的時間只是飛行時間的百分之幾，這樣，就初始能量的差異對分辨率影響而言，后者是減小了。

2、延遲引出技術(Delay Extraction, DE)  這一技術是AB Sciex公司的ZL， 據稱可以提高分辨率1?3倍。它的原理是讓離子產生后在源內延遲片刻，然后給予脈沖引出到飛行區。此時，靶極(指離子產生處)與柵極是相同的電位而處于無場狀態初始速度稍大的離子離耙極遠，離柵極近；初始速度小辟則相反。一旦延遲結束，離柵極近的離子受到柵極脈沖加速的能量要稍低于離柵極遠的離子，這樣，因為初始速度不 同的相同質荷比離子得到了補償。DE技術不僅改善了初始能量的差異，也有助于減小 回轉時間的影響，分辨率的提高也必然改善精確質量測定的準確度。

3、脈沖場聚焦 這是減小回轉時間的一種解決方法。

4、反射式TOF  經第一級TOF飛行，離子進入稱為反射器的離子鏡，離子被反射以后在第二級收集器上被檢測。如果單用第一級檢測器，這就是線性TOF，而經反射以后，對于空間位置和初始速度上的色散都能獲得補償。如此減小相同質荷比的離子在動能上的差異而達到飛行時間上的一致性，由此提高了分辨。反射式TOF結構很緊湊，反射階段的飛行距離要比線性階段的飛行時間來得短，但是分辨率遠遠高于線性TOF。這是因為反射器是一個均勻的電場，對于相同質荷比的離子，若初始能量大的則進人反射器區域的路徑要長，飛行時間要多一些；若初始能量小的則進入反射器的路徑要短，飛行時間要少一些。本來在線性TOF階段，初始能量大的飛行時間要小于初始能量小的，現在經過反射器階段后，前者和后者都在時間上得到糾正，所以，使用反射TOF能夠使初始能量有差異的相同質荷比離子幾乎同時到達第二個檢測器。實際上，位置上的色散也是反映在獲得加速能童上的差異并導致最終在飛行時間上差異，因而反射式TOF也能將其補償。

下圖是使用 AB Sciex 公司的 Super Voyager—DE STR MALD—TOF 儀上獲得細胞色素C(cytochrome C)的質譜圖，其分辨率達到28000 (FWHM)。增加反射式 TOF的飛行長度可以提高分辨率，但對線性TOF來說行不通。這是因為初始能量的色散在增加飛行長度后差異會變得更大，但在反射式TOF中是在時間上得到了補償，如同磁質譜儀的雙聚焦儀器在空間上進行的補償那樣。當離子初始能量的差異得到顯著減小后，儀器的分辨率將由電器穩定性和檢測器的 性能所決定。要說明的是，在討論MALDI源 的時候，離不開TOFMS的結合，但是在這里討 論TOFMS的時候，不必將離子源限定在MAL-DI, 這意味著TOFMS可以配用電噴霧的離子源，即ESI —TOFMS進行分析。

TOF分析器具有大的質量測定范圍(通常可達50萬u,個別的甚至更高)、高的靈敏度 (肽或蛋白質測定的Fmol量級)、高分辨率的精確質量測定[精度(5~10) X10^-6],再加上儀器結構簡單和操作方便，因而具有很大的應用潛力(提高外標法的精確質量測定將有更大的競爭能力)。

二、源后分解(PSD)

如同磁質譜的無場漂移區產生亞穩離子那樣，當離開離子源的離子在很長的距離中 飛行，有些離子在飛行時間內發生碎裂反應。碎裂后的子離子基本上按前體母離子的速 度飛行，因此到達檢測器的時間是與其母離子相同的。對于TOF儀器測出這種亞穩峰 的原理作如下說明：當離子進PSD (post -source decay)反射器,受到靜電鏡的推斥而轉向第二個檢測器。正常的母離子(m1)具有速度v1的全加速能量，而亞穩峰具有速度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。顯然，正常的母離子m1和正常的子離子(m2)能夠深入靜電鏡，而亞穩峰m*則不會深入，這意味著亞穩離子先到達第二檢測器，隨后才是正常的母離子 (m1)。靜電鏡的正常設置是聚焦正常母離子(m1),對亞穩峰m*來說處于去焦狀態。 當降低反射器電壓至m2/m1使亞穩離子此時能夠到達靜電鏡的深處，即達到如同正常母離子或者說所有全加速的離子的聚焦位置，這樣，就能把亞穩峰聚焦到在第二個檢測器上，而所有正常離子則不再發生反射而留在第一檢測器內。可以設想正常母離子會在飛行區內發生許多碎裂反應，由此形成不同能量的亞穩離子，設置不同的反射鏡電壓，就可以獲得母離子m1的所有亞穩躍遷。這里需要說明的是，單純依靠m2/m1值的調整測出的亞穩離子還有其不確定性。因為一個化合物可能有各種不同的母離子的亞穩躍遷，從理論 講就可能存在m2/m1值相同又分屬于不同的母一子離子對，所以PSD分析還應包括一個定時的離子選擇器。它的位置在飛行的路徑上，它允許讓某一個前體離子通過，不允許不同時間到達的其他離子通過，這就確保了僅有這一前體離子產生的亞穩峰被檢測。