TOF質(zhì)譜儀的工作原理

飛行時(shí)間質(zhì)譜儀（Time-of-Flight Mass Spectrometry，簡(jiǎn)稱TOF-MS）是一種基于離子飛行時(shí)間差異進(jìn)行質(zhì)量分析的質(zhì)譜技術(shù)。以下是TOF質(zhì)譜儀的工作原理的詳細(xì)解釋：

一、離子產(chǎn)生與加速

1. 離子源：

• 樣品分子在離子源中被電離成離子。常見(jiàn)的電離方式包括電子轟擊（EI）、電噴霧電離（ESI）、基質(zhì)輔助激光解吸電離（MALDI）等。

• 電離后的離子帶有一定的電荷，通常是正電荷。

2. 加速電場(chǎng)：

• 電離后的離子進(jìn)入加速電場(chǎng)，獲得相同的動(dòng)能。

• 根據(jù)動(dòng)能定理，離子的動(dòng)能$E_k$與其質(zhì)量$m$和速度$v$的關(guān)系為$E_k=\frac{1}{2}m{v}^2$。

• 在加速電場(chǎng)中，所有離子獲得的動(dòng)能相同，因此質(zhì)量較小的離子將獲得更高的速度。

二、無(wú)場(chǎng)飛行與檢測(cè)

1. 無(wú)場(chǎng)飛行管：

• 加速后的離子進(jìn)入無(wú)場(chǎng)飛行管，這是一個(gè)沒(méi)有電場(chǎng)和磁場(chǎng)的真空區(qū)域。

• 離子在無(wú)場(chǎng)飛行管中以恒定的速度飛行，飛行時(shí)間$t$取決于其速度$v$和飛行管長(zhǎng)度$L$，即$t=\frac{L}{v}$。

2. 檢測(cè)器：

• 離子到達(dá)飛行管末端時(shí)，被檢測(cè)器捕獲并記錄其到達(dá)時(shí)間。

• 由于質(zhì)量較小的離子速度較快，因此它們將首先到達(dá)檢測(cè)器，而質(zhì)量較大的離子則較晚到達(dá)。

三、質(zhì)量分析與校準(zhǔn)

1. 質(zhì)量分析：

• 通過(guò)測(cè)量不同離子的飛行時(shí)間，可以計(jì)算出它們的質(zhì)量數(shù)（或質(zhì)荷比$m/z$）。

• 質(zhì)量數(shù)$m$與飛行時(shí)間$t$的關(guān)系可以表示為$m=\frac{2E_k{t}^2}{L^2}$，其中$E_k$為離子的動(dòng)能，$L$為飛行管長(zhǎng)度。

• 在實(shí)際操作中，通常使用已知質(zhì)量的離子進(jìn)行校準(zhǔn)，以建立飛行時(shí)間與質(zhì)量數(shù)之間的準(zhǔn)確關(guān)系。

2. 分辨率與性能：

• TOF質(zhì)譜儀的分辨率取決于飛行時(shí)間的測(cè)量精度和離子的初始能量分布。

• 為了提高分辨率，可以采用反射式飛行時(shí)間質(zhì)譜儀（Reflectron TOF-MS），通過(guò)離子鏡等裝置對(duì)離子進(jìn)行能量聚焦和空間聚焦，從而減小離子初始能量分布對(duì)飛行時(shí)間的影響。

四、TOF質(zhì)譜儀的特點(diǎn)

1. 掃描速度快：

• TOF質(zhì)譜儀可以在一次實(shí)驗(yàn)中同時(shí)檢測(cè)所有質(zhì)量的離子，因此掃描速度非常快。

2. 分辨率高：

• 通過(guò)優(yōu)化飛行管設(shè)計(jì)和采用先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，TOF質(zhì)譜儀可以實(shí)現(xiàn)高分辨率的質(zhì)量分析。

3. 質(zhì)量范圍寬：

• TOF質(zhì)譜儀適用于分析質(zhì)量范圍較寬的樣品，從小分子到大分子都可以進(jìn)行檢測(cè)。

4. 靈敏度高：

• 結(jié)合先進(jìn)的電離技術(shù)，TOF質(zhì)譜儀可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度的檢測(cè)，適用于痕量分析。