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飛行時間質量分析器

飛行時間質譜（TOFMS）是一種透過測量飛行時間來確定離子質荷比的質譜方法。離子受到已知強度的電場加速後，會使具有相同電荷的離子具有相同的動能。離子的速度取決於其質量電荷比（具有相同電荷時較重的離子速度較慢，但電荷較高的離子速度會增加），隨後測量離子到達特定距離的檢測器所需的時間。這個時間取決於離子的速度，因此可以用來衡量其質量電荷比。最後可以透過質量電荷比和已知的實驗參數達到辨識離子的目的。

理論

帶電粒子在電場中的位能與粒子的電荷及電場強度相關：

$Ep=qU$ ... (1)

其中 Ep 是位能，q 是粒子的電荷，U 是電位差（也稱為電壓）。

當帶電粒子被電壓U加速進入飛行時間管（TOF管或飛行管）時，其位能轉換為動能。任何質量的動能是：

$Ek={1 \over 2}mv^{2}$ ... (2)

實際上，位能轉換為動能，這代表着方程式 (1) 和 (2) 相等：

$Ep=Ek$ ... (3)

$qU={1 \over 2}mv^{2}$ ... (4)

帶電粒子在加速後的速度不會改變，因為它是在無場飛行時間管中移動。粒子的速度可以在飛行時間管中確定，因為離子飛行的路徑長度 (d) 是已知的，並且離子的飛行時間 (t) 可以使用瞬態數位轉換器或時間數位轉換器。因此

$v={d \over t}$ ... (5)

我們將(5)中v的值代入(4)：

$qU={1 \over 2}m\left({\frac {d}{t}}\right)^{2}$... (6)

重新排列 (6)，使飛行時間由其他一切表示：

$t^{2}={d^{2} \over 2U}{m \over q}$ ... (7)

開平方得出時間，

$t={d \over {\sqrt {2U}}}{\sqrt {m \over q}}$ ... (8)

這些影響飛行時間的因素已被刻意分組。其中${d \over {\sqrt {2U}}}$為常數，在單一加速脈衝中分析一組離子時原則上不會改變。 (8) 因此可以表示為：

$t=k{\sqrt {m \over q}}$ ... (9)

其中 k為比例常數，代表與儀器設定和特性相關的因素。

從式（9）可以清楚地看出離子的飛行時間與質荷比（m/q）的平方根的關係。

以 MALDI 飛行時間質譜儀為例(用於產生胰蛋白酶胜肽片段的質譜圖)。假設一種胰蛋白酶胜肽的質量為 1000 道爾頓 (Da)。 MALDI 產生的胜肽離子化類型通常為 +1 離子，因此在兩種情況下 q = e。假設儀器設定為在 U = 15,000 伏特（15 千伏或 15 kV）電位下加速離子，飛行管的長度為 1.5 公尺。代回(8)，可計算質量為 1000 Da 的離子飛行時間 b 如下：

$t={1.5m \over {\sqrt {2(15000V)}}}{\sqrt {(1000Da)(1,660538921\times 10^{-7})kgDa^{-1} \over +1.602\times 10^{-19}C}}$ ... (10)

請注意，質量必須從道爾頓 (Da) 轉換為公斤 (kg)，以便能夠以正確的單位計算方程式。最終值應以秒為單位：

$t=2.788\times 10^{-5}s$結果計算飛行時間大約是28微秒。如果有一個單電荷的質量為4000道爾頓（Da）的酶解肽段離子，其質量是1000 Da的四倍，那麼它需要兩倍的時間，即大約56微秒來穿越飛行管，因為飛行時間與質量電荷比的平方根成正比。

延遲提取

在軸向MALDI-TOF質譜儀中，雷射脈衝產生的初始離子和中性粒子可以透過在真空中達到平衡，並在離子被加速進入飛行管之前，讓它們垂直於樣品板移動一段相同的距離，來提高質量解像度。

在脫附/電離過程中，等離子體羽狀物中的離子平衡大約在100納秒或更短時間內完成，之後大多數離子無論質量如何，都會以某種平均速度從表面開始移動。為了補償這種平均速並提高質量解像度，提出了一種稱為「時間滯後聚焦」（time-lag focusing）的技術，即在短（通常為幾納秒）雷射脈衝開始後的幾百納秒到幾微秒之間，延遲從離子源提取離子進入飛行管。這種技術用於共振增強多光子電離或稀薄氣體中的電子碰撞電離；對於一般由雷射脫附/電離吸附在平面表面或導電平面上的微晶體所產生的離子，則稱為「延遲提取」（delayed extraction）。

延遲萃取一般是指真空離子源的一種操作模式。在這種模式下，負責將離子加速(萃取)進入飛行管所施加的電場，會比離子化(或解吸離子化)事件延遲一段短暫的時間(200-500納秒)。這與恆定萃取場的情況不同，在恆定場中，離子一旦形成就會立即被加速。

延遲萃取被用於基質輔助雷射解吸離子化(MALDI)或雷射解吸離子化(LDI)離子源，在這些離子源中，待分析的離子是在一團以高速(400-1000米/秒)膨脹運動的離子雲中產生，而離子雲是從樣品板射出。

縮小抵達偵測器的離子包厚度對提高質量解像度很重要，因此乍看之下讓離子雲在萃取前進一步膨脹似乎有違常理。然而，延遲萃取的目的其實是為了彌補離子的初始動量。它能夠使具有相同質荷比但初始速度不同的離子具有相同抵達偵測器的時間。

在真空中進行延遲離子萃取時，在萃取方向具有較低動量的離子會被較高的電位加速因為當萃取電場施加時它們距離萃取板較遠。相反地，那些具有較大向前動量的離子會被較低電位開始加速因為它們距離萃取板較近。

在離開加速區域時，位於離子雲後方的較慢離子比最初位於離子雲前端、較快離子，將被加速至更高的速度。因此延遲萃取之後，較早離開離子源的離子將比較晚離開離子源的離子在加速方向上具有較低速度，因為離開離子源較晚的離子速度更快。

當正確調整離子源參數時，速度較快的離子群將在離開離子源一定距離後追趕上速度較慢的離子群，所以置於該段距離處的偵測器板將偵測到這些離子群同時到達。從這個角度來看，推遲施加加速電場的做法相當於一種一維飛行時間聚焦元件。

反射式 TOF

可以利用反射鏡(reflectron)來校正離子在飛行方向上的動能分佈。反射鏡使用一恆定的靜電場將離子束反射回偵測器方向。動能較高的離子會進入反射電鏡更深的區域，因此到達偵測器的路徑會稍微更長；相同質量荷比但動能較低的離子，因為進入反射電鏡的深度較淺，相應地到達偵測器的路徑也較短。

離子偵測器的平面(通常是微孔板MCP)被置於一個平面，該平面能使在一離子源萃取脈衝開始後，兩個同一質荷比但不同動能的離子能夠同時到達。同一質荷比但不同動能的離子能同時到達被稱為飛行時間聚焦點。

另一個反射式飛行管(re-TOF)的優點是相同的儀器長度下，離子的實際飛行路徑是傳統直線飛行管的兩倍長。

離子閘控

Bradbury–Nielsen快門是一種用於飛行時間質譜儀（TOF）和離子遷移率譜儀（IMS）的離子閘，同時也用於Hadamard變換飛行時間質譜儀。Bradbury–Nielsen快門非常適合用作快速定時離子選擇器（TIS），這是一種在串聯（TOF/TOF）MALDI質譜儀中用於在窄質量範圍內分離離子的裝置。

正交加速飛行時間質譜儀

連續離子源（最常見的是電灑離子源，ESI）通常透過「正交提取」與飛行時間質量分析儀（TOF）相連，在這種方式中，進入飛行時間質量分析儀的離子沿着與其初始運動方向垂直的軸線被加速。正交加速結合冷卻碰撞離子可以將離子源中的離子產生過程與質量分析過程分開。在這項技術中，MALDI或ESI離子源產生的離子可以達到非常高的解像度。

在進入正交加速區域或脈衝器之前，由連續（ESI）或脈衝（MALDI）離子源產生的離子透過在射頻多極導引中與剩餘氣體碰撞，被聚焦（冷卻）成直徑為1-2毫米的離子束。

在脈衝器之前的高真空區域內安裝了一套靜電透鏡系統，使離子束平行，以最大限度地減少其在加速方向上的發散。冷卻離子碰撞和正交加速飛行時間質譜（TOF）的結合顯著提高了現代飛行時間質譜儀的解像度從幾百提高到幾萬，而不影響靈敏度。

Hadamard變換飛行時間質譜（HT-TOFMS）

Hadamard變換飛行時間質譜（HT-TOFMS）是一種質量分析模式，用於顯著提高傳統飛行時間質譜（TOFMS）的信噪比。傳統的TOFMS一次分析一個離子包，等待離子到達檢測器後再引入另一個離子包，而HT-TOFMS可以同時分析多個在飛行管中移動的離子包。離子包透過快速調製離子束的傳輸來行編碼，使得所有最初釋放的離子包中質量較輕（速度較快）的離子超前於質量較重（速度較慢）的離子。這個過程會產生許多飛行時間分佈的重疊，這些分佈經過卷積以信號的形式呈現。隨後使用Hadamard變換算法進行解卷積過程，有助於比傳統的TOFMS和其他可比的質量分析器產生更快的質譜存儲速率。

串聯飛行時間質譜（TOF/TOF）

串聯飛行時間質譜（TOF/TOF）是一種串聯質譜方法，其中連續使用兩個飛行時間質譜儀。為了記錄前驅（母）離子的全譜，TOF/TOF在MS模式下運行。在這種模式下，特定基質的雷射脈衝能量選擇略高於MALDI起始值，以確保在能夠產生足夠母離子的同時，又盡可能避免母離子過度碎裂，從而獲得理想的母離子譜圖，以找到產率和穩定性之間的最佳平衡點。

當在串聯（MS/MS）模式下運行時，雷射能量大幅度提高至MALDI閾值以上。第一個飛行時間質譜儀（基本上是一個以定時離子選擇器作為終點的飛行管）使用速度過濾器（通常是Bradbury–Nielsen型）來分離選定的前驅離子，而第二個飛行時間質譜儀（包括後加速器、飛行管、離子鏡和離子檢測器）分析碎片離子。

在MALDI TOF/TOF中，碎片離子是由在MALDI離子源中受到激發振動超過其解離能的前驅離子衰變（源後衰變產生的）。系統中還可以額外添加一個高能量碰撞室進行額外的離子碎片化，以提高振動激發前驅離子的解離速率。一些設計包括前驅信號淬滅器作為第二個飛行時間質譜儀的一部分，以減少對離子檢測器的瞬時電流負荷。

四極柱飛行時間質譜（QToF-MS）

四極柱飛行時間質譜（QToF-MS）的配置類似於串聯質譜儀，具有質量分辨四極桿和碰撞池六極桿，但使用飛行時間質量分析器取代第二個質量分辨四極桿。兩個四極桿可以僅在射頻(RF)模式下運行，讓所有離子在最小程度的碎裂下進入質量分析器。為了增加譜圖的細節，系統利用碰撞誘導解離。當離子到達飛行管時，離子脈衝器將它們向上發射到反射鏡然後再返回到檢測器。由於離子脈衝器將相同的動能轉移給所有分子，因此飛行時間由分析物的質量決定。

QToF能夠測量到小數點後四位的質量，經常用於藥物和毒理分析，作為藥物類似物的篩選方法，透過收集質譜並與串聯質譜庫進行比對，即可辨識、鑑定化合物。

檢測器

飛行時間質譜儀（TOFMS）由質量分析器和檢測器組成。在實驗室進行的飛行時間實驗中使用脈衝或連續離子源，但用於太空探測的飛行時間分析器不需要離子源，因為太陽或行星電離層提供離子。飛行時間質量分析器可以是線性飛行管或反射鏡。離子檢測器通常由微孔板檢測器或快速二次發射倍增器（SEM）組成，其中第一轉換板（二次發射極）是平的。檢測器的電信號是透過時間-數字轉換器（TDC）或快速模擬-數字轉換器（ADC）記錄下來的。TDC主要與正交加速式飛行時間分析器結合使用。

時間數字轉換器（TDC）會記錄單個離子到達的離散時間"區段"。它結合了閾值觸發和恆分數判據器(CFD)，可區分出電子雜訊和離子抵達。CFD將在微孔板陽極產生的一些高斯形狀、持續時間為納秒級的電脈衝轉換為統一形狀的脈衝（例如，與TTL/ESL邏輯電路兼容的脈衝）並發送到TDC。使用CFD可以提供一個與峰值最大位置相對應的時間點，而不受由微孔板(MCP)或二次電子發射器(SEM)變化引起的峰值幅度變化的影響。現代先進的快速CFD的死時間等於或小於離子檢測器的兩個單次響應時間（對於具有2-5微米寬通道的微孔板MCP單次響應時間可能介於0.2納秒和0.8納秒之間，取決於通道角度），從而防止來自同一脈衝的重複觸發。現代多次擊中TDC的雙次擊中解像度（死時間）可以低至3-5納秒。

時間數字轉換器（TDC）是一種計數檢測器，它可以非常快速（解像度可達幾皮秒），但其動態範圍有限，因為TDC無法正確計數在多個離子同時撞擊檢測器時(即在TDC的死時間內)發生的事件。動態範圍有限的結果是，最後一質譜圖中記錄的離子（事件）數量比實際數量要少。

可以透過多通道檢測器的設計來緩解動態範圍有限的問題：一組迷你陽極陣列連接到微通道板堆疊上和多個CFD/TDC，其中每個CFD/TDC記錄來自單個迷你陽極的信號。為了獲得具有統計上可接受強度的峰值，離子計數需要加總數百個單獨質譜圖（所謂的直方圖）。為了達到非常高的計數率（僅受單個飛行時間質譜持續時間的限制，持續時間在多路飛行時間設置中可以高達幾毫秒），在飛行時間管中使用了非常高的離子提取重複率。商用正交加速飛行時間質量分析器通常以5-20 kHz的重複率運行。在透過加總大量單獨離子檢測結果所獲得的合併質譜中，每個峰值都是通過將每個單獨區間中的計數相加而獲得的直方圖。由於使用TDC記錄單個離子到達時間只產生單一時間點，因此消除了由MCP檢測器和前置放大的有限響應時間產生的部分峰寬，這提高了質量解像度。

以100 picoseconds的時間間隔對來自MCP檢測器中的脈衝離子電流進行數碼化。現代的8位或10位10 GHz ADC具有比TDC更高的動態範圍，因此可以在具有高峰值電流的MALDI-TOF儀器中使用。為了記錄MCP探測器的快速模擬信號，需要精確匹配檢測器陽極與ADC（前置放大器）輸入電路的阻抗，以減少「 ringing」效應。使用小孔（2-5微米）MCP探測器和較短的響應時間，可以提高超高速ADC記錄的數位質譜圖的質量解像度。

應用

Matrix-assisted laser desorption ionization（MALDI）是一種脈衝電離技術，非常適合與飛行時間質譜（TOF MS）結合使用。

Atom probe tomography也利用飛行時間質譜。

Photoelectron photoion coincidence spectroscopy（PEPICO）使用軟電離技術選擇離子內能量，並使用飛行時間質譜進行質量分析。

Secondary ion mass spectrometry（SIMS）通常使用飛行時間質譜儀，以實現不同離子的平行檢測，並具有高質量解像度。

Stefan Rutzinger提議將飛行時間質譜與低溫檢測器(cryogenic detector)結合使用，以進行重生物分子(heavy biomolecules)的光譜分析。

歷史背景

早期的飛行時間分析器名為Velocitron，由A.E. Cameron和D.F. Eggers Jr.於1948年在Y-12國家安全綜合體中報告。這個概念最早在1946年由賓夕法尼亞大學的W.E. Stephens在美國物理學會於麻省理工學院的一個周五下午會議中提出

參考文獻

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