【原】深度解析TOF (飞行时间质谱)

什么是飞行时间质谱？                                                                                       

                                                                                                     （1个回答）

科研狗：

1、以离子飞行时间为测量参数的质谱类型 

2、在相同的初始能量下，小的离子运动的快，而大的离子运动的慢 

3、离子的飞行时间与质核比成反比 

4、通过检测离子飞过相同距离的时间，折算出离子的m/z

最简单的TOFMS模型分析

最简单的TOF

a.离子从同一点出发，经过相同距离，向检测器飞去 

b.离子具有相同的初始能量 

c.由于m/z的不同而具有不同的速度 

d.离子到达检测器的时间与速度成反比

简单TOF的数学模型

飞行距离1米, m/z是1000u, 加速电压3000 V 

 TOF= 42μs 微秒

四极杆、离子阱等的扫描速度均在毫秒级别

所以TOF扫描速度很快

所有离子必须具备相同的动能KE 

所有离子必须具备相同的动量P 

这样的条件下，离子m/z的平方根和TOF呈严格的正比关系

 数学公式中反映出：无需射频电场、质量上限无限制

TOF模型误差来源

初始位置的范围  Δx（1~3mm） 

初始速度的分散  Δv（1~10deg，𝑣0 𝑡𝑎𝑛(𝜃)）

其他误差：

· HV稳定性（100~10ppm）

· 检测器性能（1ns） 

· 机械加工精度（10um/1000mm）

TOF质量分析器的特点

TOF的特点1：高速下的高分辨

1、高速——up to 30,000 spec/s 

   ---微秒级的快速反应检测，30~500 us/spec（火花放电源）     

   ---2D-GC分析（灵敏度一般，ppm级别，丌如离子阱和四极杆，但速度快） 

2、高分辨——500 to 60,000 FWHM 

    ---定性能力强，高分辨 

    ---高精度分子量鉴定，质量稳定性

（1）与FTMS或者Orbitrap比较

        扫描速度快（1~10000Hz vs 0.1~5Hz）

（2）与磁质谱、FTMS比较

       全谱质量范围宽（1~∞u vs 1~4000u）

TOF的特点2：简单、高质量

结构简单 

· 成本和售价低，相对不FTMS、Orbitrap等高分辨质谱 

· 无磁场、射频电场，纯高压电源 

理论上无质量上限 

（1）LCMS：适合生物大分子的检测

· 1000u~10000u，>10ku 只能做MALDI TOF 

· 受到离子传输的限制，基本四极场理论限制

· 电压强度<20kVpp 

· 频率和四极杆长度互相限制 

（2）MALDITOF：生物质谱 

· 最大20MDa 

· 上限受到检测器能力的限制，离子电子转换困难

TOFMS的应用领域

（1）GC-MS 

·  Waters GCT、LECO 2D-GCMS、

·  国内有研发（复旦、禾信、厦门质谱） 

（2）LC-MS，很多 

·  Proteomics，国内有研发（复旦，国家重大科学仪器2012）

·  一般的LCMS，禾信分析（国家重大科学仪器2011 ） 

（3）TOF-SIMS 

·  PHI，很贵，

·  国内有研发（地科院刘敦一，国家重大科学仪器2011） 

（4）Mobile-MS 

·  HORIBA KORE，MS-200，国内有研发 

（5）on line/process MS 

·  俄罗斯，国内有研发 

（6）MALDI TOF 

·  Bioyoung 北京（OEM英国SAI）

·  复旦（MALDI LIT-TOF）、厦门质谱

TOFMS的工程要点

1、高精度的加工 

· 大尺寸下的高精度，200mm：5um

· 无复杂曲线加工 

2、高稳定度高压电源 

· 高稳定度：10ppm/8h @ 5kV

· 低噪音：10mV @ 5kV

3、快电子学设备 

· MCP <3ns response time，10kRMB 

· 500MHz~1GHz preamplifier，20kRMB 

· >1Gsps recorders，150kRMB

  TOF硬成本分析

当然，最重要的是精妙的理论

TOFMS关键技术

1、Wiley-McLaren聚焦（Wiley，美国，1955）

（修正初始速度和位置的发散）

1、用于早期的直线型TOF-MS 

——脉冲聚焦离子束，减少初始能量的发散

——直接提高分辨力至1000FWHM

·离子飞入加速区一定时间后，给离子二次加速 

·初始能量低的离子得到较多的二次加速能量，而较高的离子得到的能量少,补偿机制 

·在一定据距离后，离子束的宽度会有最小值

2、不同初始位置的离子的飞行时间得到聚焦

TOFMS中狭缝宽度不再是障碍；

狭缝宽度、灵敏度、分辨力在一定范围内可以是正向互相促进的！

2、反射器（Mamyrin, 俄国，1973）

（增加飞行距离，补偿能量发散）

1、直线型TOF转向反射式TOF 

——飞行距离倍增 

——减少初始能量的分散 

——更高的分辨力，3000 

——垂直反射、成角反射

能量高的离子进入反射器的深度大，消耗的时间多 ；

飞行距离倍增，分辨力x2还要多

2、各种反射器(垂直反射)

3、成角反射

  岛津 QIT-TOF MALDI

3、垂直加速（Guilhaus,俄国，1989）

（减少初始动能和位置的发散）

1、用于连接离子束和TOFMS：LCTOF、GCTOF

·  离子束轴向与TOF飞行方向垂直 

·  离子束发散小 

·  分辨力3000

离子加速方向与初始运动方向垂直，离子的初始动能对飞行时间的干扰小，连续流离子束的流动动能影响减小。

2、要点

·  电压：PUSH、PULL、GND、OFFSET

·  PULSER的质量严重影响TOF的分辨力

4、延时萃取（Brown，美国，1995） 

(减少初始动能和位置的发散)

1、用于MALDI的离子源处（不能用垂直加速技术）

·  利用二次脉冲减少激光打击后溅射出的离子的动能发撒 

·  分辨力3000

现代TOFMS简介

TOFMS的类型

1、Dodonov style ESI-oaTOF

·  ESI源的高分辨TOF-MS

——分辨力5000～6万FWHM

·  采用的关键技术

——Wiley-McLaren聚焦

——反射器（Mamyrin,1973） 

——垂直引入（Guilhaus,1989）

Prof. Dodonov @厦门大学,1998

2、Qstar Q-TOF-MS

·Sciex product

·Q-TOF

——Q by DJ Douglas

——TOF by Chernushevich

An introduction to quadrupole–time-of-flight mass spectrometry, IV Chernushevich, J. Mass Spectrom. 2001; 36: 849–865

3、6200/6500 TOFMS

4、Waters QTOF

5、复旦大学，MS800，2006

6、复旦大学 LIT-TOF 2011

7、Waters GCT

· 7000分辨 

· 定性能力强

8、LECO GCxGC TOF

· 高速采集，100Hz

9、MALDI TOF

· 关键技术     · WM聚焦

· 反射器        · 延时萃取

10、MALDI TOF 2

 · 线性模式下单电荷质量上限高、灵敏度高

· 增加飞行距离取得高分辨

 ·正负离子同时检测

11、禾信ATOF

12、便携式TOF 

· 英国KORE MS200

13、厦门大学

14、TOF-SIMS

MORE ABOUT TOFMS

TOF质谱仪器内部分区

离子源的考察

1、ESI离子源的考察要点——样品 

(1)样品的特性 

· 简单有机分子——一般的药物 

· 敏感小分子——金属有机 

· 生物敏感（大）分子——蛋白复合物 

(2)样品极性 

· 可以被质子化——[M+H]+ 

· 离子化——APCI等，[M]+ 

· 非极性——Photo-ionization，[M]+ 

(3)溶解方式（溶剂极性、挥发性、毒性） 

· 与LC流动性相同：水、乙腈、甲醇 

· 相似相溶 

(4)样品的杂质 

· 盐类——严重干扰离子化过程 

· 电子、质子的受体——抢夺离子化过程

2、ESI离子源的技术特点——仪器 

(1)流速

· 常规色谱柱——trubo spray、ion spray，ml/min 

· nano色谱柱——nanospray 

· 离线分析——可以测量ESI电流（不会与色谱柱的电渗流混淆） 

(2)温度、辅助气体 

· 辅助气体——提高去溶剂效率、热传递 

· 加热辅助气体 

(3)辅助离子来源 

· APCI放电针——激发态氮分子 

· DART、DESI等——小分子离子

3、常见ESI离子源 

(1)Sciex

· Turbo spray——加热辅助气体 

· ion spray——常温，常规化学分析 

(2)New objective, Proxeon, Advion 

· Nano-spray 

(3)Michrom 

· Captive-nano spray

(4)DART、DESI——分子离子反应

4、ESI离子源与API接口 

什么是API接口 

(1)Air/atmosphere pressure interface 

(2)连接大气压和真空系统的第一级（机械泵） 

· 760torr to 1torr 

· 怎么做这个孔是API的最关键技术 

· 加热反冲气体（对吹） 

· 离子聚焦透镜（760、1torr） 

· 隔离阀门（mariner、waters） 

(3)常规ESI-API会损失99%以上的离子

5、API重要技术——Nozzle

Nozzle——SCIEX、waters 

· 0.2mm的不锈钢板打小孔 

· 薄！与离子接触机会少 

· 干净、直接、污染少， 适合于生物样品 

· 小孔会逐渐损耗变大， 真空负担增大

 Turbo spray采用了反吹气和加热的金属化陶瓷nozzle

6、API重要技术——加热玻璃毛细管

加热玻璃毛细管——Agilent、bruker 

(1)内径0.3mm，长度100mm，温度超过80度

(2)空气动力学抽入离子，不依赖电场 

· 可以出现离子逆着电场进入质谱的现象 

· 设和与CE等连接 

· 可以检测单纯的ESI电流（没有电渗流） 

(3)加工更容易，高温下离子吸附少 

(4)低于80度污染大

7、其他API接口技术——金属毛细管

金属毛细管——Finnigan、岛津 

· 基本上同玻璃毛细管 

· 但是电场梯度必须遵守，否则没信号 

· 可以弯曲了，岛津CDL

API  1torr下的离子处理技术

1、API离子传输技术 

气压1torr左右，平均自由程1cm 

(1)作用：气体分子和离子的分离 

(2)分子离子反应非常容易： 

· de-cluster 

· charge reduction 

· Molecule-ion reaction 

· Ion-ion reaction 

(3)离子在电场下的运动开始可以计算和模拟 

· 理论计算作用有限 

· 趋势是有的！

(4)容易放电，DC、RF不能超过1000Vpp 

(5)真空膨胀过程会大量吸热，温度会降低至-150度

2、API离子采样方式

(1)双锥 

· API锥，Nozzle 

· 采样锥，sampling cone 

(2)Q00 

· 小型四极杆 

· 多极杆 

· 方形杆、圆筒杆等 

(3)S-lens 

· 层叠圆环 

· ion funnel

双锥采样API

(简单、纯静电) 

Q00技术的API 

· MIR, QJET 

· MIR: DC+RF  

· QJET: RF 

  

Fudan Q00 blades

S-lens

Ion funnel

· S-lens的变形 

· 灵敏度好、结构复杂 

· 金！容易污染，S

ION GUIDE     真空条件下的离子传输

1、Ion guide 

(1)作用 

· 离子与背景气体分子碰撞，动能下降，冷却离子 

· 汇聚成束 

(2)方法

· RF——secular movement  

· RF only 四极杆、多极杆

2、四极杆的基本性质

(1)四极杆作为IG的重要指标 

· 质量范围 

· 灵敏度 

· 停留时间 

(2)四极杆作为IG的参数 

· RF频率 

· RF强度 

· 四极杆直径 

· 四极杆长度

作为LINAC的计算应采用离子阱的方法

3、四极杆 参数 vs 指标 关系表

4、四极杆传输离子的特点  

  质量范围 

· Q=0.1~0.9，8x fold 

· 最佳传输q=0.7附近 

· q=0.908存在，LMCO

5、多极杆和四极杆的比较 

四极杆拥有最好的灵敏度，但不利于较宽的质量范围

6、LINAC加快离子的传输 

 Linear accelerator

7、T-wave离子迁移 

离子的尺寸分离 

· 蛋白分析 

· 同分异构体分析 

· 速度慢、灵敏度中

HYBRID TOFMS    飞行时间质谱的串联技术

1、QTOF

MS1~2

· 成本高、速度快、灵敏

An introduction to quadrupole–time-of-flight mass spectrometry J. Mass Spectrom. 2001; 36: 849 – 865 

2、IT-TOF

高灵敏度、MS几都慢

3、LIT-TOF

(1)MSn 

(2)高速、高分辨 

· MS2比QTOF差一点 

· MSn有可能

4、复旦LIT-TOF2 

MIR-Trap-Trap-TOF

5、IMS-TOF

生物分子的构型和构象分析

IG-TOF接口

1、离子束和TOF的接口

(1)能量限制

· 6~20eV +/-0.5eV——Rod offset 

(2)离子束质量

· 发散角小，5度——Einzel lens 

· 轴向偏差，1度——DCQ

离子束与TOF接口比Q、IT和FTMS都要难，比Orbitrap简单

2、典型的Dodonov型ESI oaTOF

3、TOF的duty cycle 

离子进入的能量基本相同 

· 小离子跑得快，大离子跑得慢，占空比。

· 造成TOF谱图有效m/z区间实际上是 10x fold

改进：

(1)Pulsar，局部优化 

(2)线性离子阱做PUSH，MS1就太慢了，10Hz vs 10kHz

4、质量范围的选择

影响TOF mz质量覆盖的因素 

· Push的占空比——Pulser的频率 

· IG的传输特性——RF电压 2011/12/10 LIT-TOF，创新科学仪器工程中心 39 质

看见小的就看不见10x的大的，看见大的就看不见1/10的小的。

5、Duty cycle paradox for UHR TOF

(1)TDC需求 

· 高电压——大m/z灵敏度好 

· 高速TDC

(2)HV高→ TOF小→占空比小→提高频 率 

(3)ADC要求 

· 峰宽一定，TOF要长→很长的飞 行管 

· 动态范围好 

(4)TOF长→占空比小→增大管 子直径

飞行时间高分辨质谱联用仪

在中药活性成分分析中的应用案例