飞行时间质谱的概述

飞行时间质谱，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（ion drift tube）。由离子源产生的离子首先被收集。在收集器中所有离子速度变为0。使用一个脉冲电场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。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。一部分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。 飞行时间质谱有两种飞行模式，平行飞行模式和垂直飞行模式。在现代质谱产品中，大都已经采用垂直飞行模式。尤其在大气化学领域，美国的科研团队以质谱仪为主，欧洲则以测量粒径的仪器为主。其中，Aerodyne INC., Ionicon GmbH, THS INC.在近几年成为行业领军企业。
如图一所示，质谱仪需要在真空情况下运转，用以保护检测器，同时提高测量精度。在实际使用中，一个微孔（pinhole）需要被使用。 在如图所示的仪器中，气体样本首先通过微孔取样，然后到达离子源，有脉冲电场送入飞行时间模块。然后使用垂直于送入方向的脉冲电场对离子进行加速。这样做的主要目的是确定所有离子在水平方向没有初速度。在U型飞行之后，达到传感器。 不同离子到达传感器的时间不同，借此来选择m/z。通常的假设认为离子只能带一个电荷，如此，得到的信号，直接对应检测到离子的相对原子质量，所以在多数质谱图表中，x轴单位均为原子质量单位(Atomic Mass Unit, AMU)。 四级杆质谱(Quadru Pole Mass Analyzer Mass Spectrometer, QMA-MS)在采样过程中，每次只允许一个特定的m/z通过，因此如果要获得一个完整的质谱图，需要对不同的m/z进行扫描。在大气化学领域生产四级杆质谱的主要生产商为Aerodyne的ACSM产品和THS。 而ToF-MS在每次进样时，可以采集样本中所有的m/z。
四级杆质谱进行24小时检测所获得的数据量通常为2MB左右，而ToF-MS在一天所采集的数据可以达到10GB。