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飛行時間質譜儀(TOF-MS)質譜儀的工作原理

時間:2025/4/2閱讀:530
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TOF質譜儀的工作原理

飛行時間質譜儀(Time-of-Flight Mass Spectrometry,簡稱TOF-MS)是一種基于離子飛行時間差異進行質量分析的質譜技術。以下是TOF質譜儀的工作原理的詳細解釋:

一、離子產生與加速

  1. 離子源

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

    • 電離后的離子進入加速電場,獲得相同的動能。

    • 根據動能定理,離子的動能與其質量和速度的關系為

    • 在加速電場中,所有離子獲得的動能相同,因此質量較小的離子將獲得更高的速度。

二、無場飛行與檢測

  1. 無場飛行管

    • 加速后的離子進入無場飛行管,這是一個沒有電場和磁場的真空區域。

    • 離子在無場飛行管中以恒定的速度飛行,飛行時間取決于其速度和飛行管長度,即

  2. 檢測器

    • 離子到達飛行管末端時,被檢測器捕獲并記錄其到達時間。

    • 由于質量較小的離子速度較快,因此它們將首先到達檢測器,而質量較大的離子則較晚到達。

三、質量分析與校準

  1. 質量分析

    • 通過測量不同離子的飛行時間,可以計算出它們的質量數(或質荷比)。

    • 質量數與飛行時間的關系可以表示為,其中為離子的動能,為飛行管長度。

    • 在實際操作中,通常使用已知質量的離子進行校準,以建立飛行時間與質量數之間的準確關系。

  2. 分辨率與性能

    • TOF質譜儀的分辨率取決于飛行時間的測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間質譜儀(Reflectron TOF-MS),通過離子鏡等裝置對離子進行能量聚焦和空間聚焦,從而減小離子初始能量分布對飛行時間的影響。

四、TOF質譜儀的特點

  1. 掃描速度快

    • TOF質譜儀可以在一次實驗中同時檢測所有質量的離子,因此掃描速度非常快。

  2. 分辨率高

    • 通過優化飛行管設計和采用先進的檢測技術,TOF質譜儀可以實現高分辨率的質量分析。

  3. 質量范圍寬

    • TOF質譜儀適用于分析質量范圍較寬的樣品,從小分子到大分子都可以進行檢測。

  4. 靈敏度高

    • 結合先進的電離技術,TOF質譜儀可以實現高靈敏度的檢測,適用于痕量分析。


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