TOF-MS.pdf

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22飞行时间质谱仪的理论模拟与仪器设计飞行时间质谱仪的理论模拟与仪器设计2.12.1前言前言飞行时间质谱仪是根据不同质荷比的离子在相同电场作用下的飞行时间不同而完成相互分离的。

1948年，Cameron和Eggers141研制了世界上首台TOFMS，但由于质谱分辨率较低，在当时并没有得到广泛的应用。

直到1955年，Wiley和Mclaren39利用双场加速设计，对空间分散的离子实现一级空间聚焦，从而提高了直线式TOFMS的分辨率，推动了TOFMS的发展。

上世纪70年代，Mamyrin等142在直线式TOFMS的结构基础上引入了反射器设计，成功研制了反射式TOFMS，反射器的引入延长了离子的飞行时间并可以对离子的初始空间分散进行二级空间聚焦补偿，从而使质谱的分辨率大幅度提高。

在几代质谱学家的努力下，TOFMS的设计理论不断完善和发展40,143-145，目前，TOFMS已成为一种应用较广的高性能分析仪器，其分析速度快、分辨率高、理论上无质量检测上限、全谱扫描等优点，使其特别适合于有机物的快速检测以及生物大分子的分析等。

在TOFMS的设计过程中，常用到电场辅助设计软件SIMION。

SIMION是由美国爱达荷州国家环境工程实验室的Dahl编写的一种通过计算电场（或磁场）来对离子或电子的运动轨迹进行模拟的软件。

SIMION的功能非常强大，可根据所设置的电极和电压，在考虑不同电场强度之间的相互影响条件下，完成电极周围电场的精确计算，进而对以一定初始条件处于电场中的离子或电子的运动轨迹进行模拟。

目前，SIMION软件已在仪器的模拟设计方面得到了较广泛地应用146-149。

本章中，介绍了TOFMS的基本理论，对影响TOFMS性能的因素及相关解决方法进行了讨论。

在理论和SIMION模拟的基础上，基于双场加速聚焦和垂直加速技术，设计完成了一台小型直线式TOFMS和一台小型反射式TOFMS，对其各部分组成进行了优化设计。

2.2TOFMS2.2TOFMS的主要性能及优化理论的主要性能及优化理论2.2.12.2.1飞行时间质谱仪的工作原理飞行时间质谱仪的工作原理垂直加速直线式飞行时间质谱的工作原理如图2.1所示，电离源产生的离子在离子传输电场的作用下，以一定的速度沿y轴方向飞行，连续地通过入射狭缝，进入质量分析器的推斥区，脉冲电压U1在推斥区产生推斥电场，使离子获得x方向的推斥能量，并进入栅网G1和栅网G2之间的加速区，此时离子又再次获得x轴方向的加速能量，则离子在x轴方向上的动能为K，如式2.1所示。

由公式推导可得式2.2，可以看出经过推斥区和加速区的加速后，离子在x轴方向上的速度v与其质荷比m/q的平方根成反比，所以不同质荷比的离子以不同的x轴方向速度飞行进入无场飞行区，经过相同距离L的飞行后到达检测器，因其飞行时间的不同而完成不同离子的相互分离，如式2.3所示。

到达检测器的离子经采集后以谱图形式记录，将离子的飞行时间经过质荷比校正后，可得到纵坐标为离子信号强度，横坐标质荷比的质谱图。

图2.1垂直加速直线式飞行时间质谱仪的工作原理图Figure2.1ThePrinciplediagramoftheorthogonalaccelerationtime-of-flightmassspectrometeroperatedinlinearmode.212KmvqU（2.1）2/Uvmq（2.2）/2LLTmqvU（2.3）2.2.2TOFMS2.2.2TOFMS的主要性能参数的主要性能参数质谱的性能关系到其在实际分析中的应用，而质谱仪的性能参数可以很好地反映出质谱的分析能力，是分析工作得以完成的主要依据。

本节将讨论TOFMS的主要性能参数及影响其性能参数的因素及解决方法，所讨论的性能参数主要包括：

分辨率、灵敏度、质量精度及仪器稳定性等。

2.2.2.1分辨率分辨率质谱分辨率指的是质谱分辨两个相邻离子质量的能力，是质谱仪重要的性能指标，直接影响着其对分析物质的定性能力。

在质谱仪中，存在相邻且刚好分开的两个质量为M1和M2的离子峰，则质谱的分辨率R可表示为：

/Rmm（2.4）式中的m可以是M1和M2中的任一个或（M1+M2）/2，m为M2-M1。

为了对M1和M2两个离子峰的分开程度进行统一限定，通常以两峰所形成的峰谷为峰高的10%或50%两种方式进行分辨率的计算，具体计算方法这里不做赘述。

但是采用双峰法计算质谱分辨率，在实际应用中通常很难找到两个刚好分开的质量峰，这时可以采用单峰法对分辨率进行计算。

单峰法的计算如式2.4所示，式中的m为质谱峰的峰位置，m为质谱峰的半峰宽（fullwidthathalfmaximum,FWHM）。

在飞行时间质谱中，根据飞行时间质量分析器工作原理150，由2.3可得：

222（）qUmTL（2.5）对式2.5进行微分可得式2.6：

22（）2qUdmTdTL（2.6）由式2.4、2.5、2.6可得：

2mTRdmdT（2.7）因此，在飞行时间质谱中，质谱的分辨率R表示为：

2mTRmT（2.8）式中，T通常表示为质谱峰的峰位置，而T为质谱峰的半峰宽，在飞行时间质谱仪中，R=T/2T被更多地用来计算分辨率。

飞行时间质谱仪的分辨率受到多方面因素的影响，主要包括：

离子的初始空间分散、初始能量分散、电场的不均匀性以及电源稳定性等因素。

这些因素造成了相同m/z的离子在飞行时间上的差异，限制了质谱的分辨率。

本节讨论了产生这些因素的原因及其相应的解决方案。

I、离子的初始空间分散理想条件下，离子束经调制传输后，进入质量分析器的推斥区处于同一平面，即离子在x轴方向上的位置相同，如图2.2（a）所示。

但是，由于离子在电离源中形成时的位置和能量差异、离子间的空间电荷效应以及离子热运动等因素的影响，经过离子调制传输区进入推斥区的离子束会存在一定的“厚度”，即离子在x轴方向上的位置不同，离子存在的x位置差异，称为离子的初始空间分散，如图2.2（b）所示。

初始空间分散会使离子的飞行时间产生差异，且空间分散越大，离子的飞行时间差异越大，质谱仪的分辨率越低。

因此，在飞行时间质谱仪设计中需要首先解决离子的空间分散问题。

II、离子的初始能量分散理想条件下，离子束进入质量分析器的推斥区后在x轴方向上的能量为零，不存在速度的差异，如图2.2（a）所示。

但是，由于大多数离子源不是点离子源，其产生的离子在经过离子调制传输后，无法得到完全平行的离子束，而是表现出一定的发散角度，从而使不同的离子在x轴方向上存在不同的速度分量，且同样由于离子间的空间电荷效应以及离子热运动等因素的影响，处于推斥区的离子在x轴方向上会存在v的速度差异，称为离子的初始能量分散，如图2.2（c）所示。

“回头时间”是初始能量分散的一种特例。

两个离子的初始空间分散为零，但是具有完全相反的运动速度，其中速度方向与加速度方向相反的离子经历了减速、再加速的过程回到初始位置，获得了与另一离子相同的速度，这样便形成的额外飞行时间，称为“回头时间tturn”。

离子的初始能量分散，使离子在不同的初始能量基础上进行加速，相同m/z的离子以不同的速度飞行，从而使离子到达检测器的时间出现差异，造成质谱峰的加宽，降低了质谱的分辨率，且离子初始能量分散越大，质谱分辨率越低。

图2.2离子在不同状态下的示意图：

（a）理想条件下，离子状态的示意图；（b）离子初始空间分散示意图；（c）离子初始能量分散示意图；（d）实际条件下，离子状态的示意图。

Figure2.2Schematicdescriptionsofionsindifferentinitialconditions:

（a）ionsunderidealinitialconditions;（b）ionswithinitialspatialdistributions;（c）ionswithinitialkineticenergydistributions;（d）ionsinrealinitialconditions.在实际条件下，处于推斥区的离子束同时存在初始空间分散和初始能量分散，如图2.2（d）所示。

针对离子初始空间分散和离子初始能量分散的问题，在TOFMS发展进程中，逐渐形成了较为成熟的设计理论和经验：

1）、离子的空间聚焦电场设计根据Wiley-Mclaren的双场加速聚焦理论，直线式TOFMS中一般都采用两段加速电场对离子进行加速，然后离子经过无场飞行区到达检测器，求解离子总飞行时间对其初始空间分散一阶导数为零的方程，便得到了两段加速电场的强度比值，调节双场加速电场强度，即可完成离子的一级空间聚焦。

双场加速聚焦大大减弱了离子初始空间分散对质谱分辨率的影响。

质谱学家在直线式TOFMS的理论研究基础上，又提出了反射式TOFMS设计理论。

反射式TOFMS中，除了双场加速电场外，反射器的引入增加了可调的反射电场，从而可以求解离子总飞行时间对其初始空间分散一阶和二阶导数同时为零的方程组，通过调节双场加速电场和反射电场的强度，便可完成离子的二级空间聚焦，进一步消除离子初始空间分散对质谱峰宽的影响。

另外，由于反射器的引入，延长了离子的飞行路径，使离子的总飞行时间变长，也有利于提高了TOFMS的分辨率。

2）、离子垂直引入结构设计离子垂直引入结构指的是离子束通过入射狭缝以垂直于加速电场的方向（图2.2（a）中y轴方向）引入至推斥区。

入射狭缝可以对离子束的宽度进行限制，入射狭缝越小，进入推斥区的离子束越“扁”，从而有效地减小了离子的初始空间分散。

但是，实际仪器设计中，入射狭缝的宽度决定了引入离子的数目，过窄的入射狭缝会造成离子引入数目的减小，造成仪器灵敏度的损失。

此外，离子的垂直引入结构除去了角度发射较大的离子，减小了离子束引入的发散角，从而减小了离子的初始能量分散。

所以，离子垂直引入结构对TOFMS分辨率的提高起到了重要的作用。

3）、离子调制传输系统设计在TOFMS的设计中，为了减小离子的初始空间分散和初始能量分散，需要在离子通过入射狭缝之前对离子进行调制传输。

离子的调制传输系统可分为离子碰撞冷却聚焦系统和离子束透镜整形传输系统两种类型。

离子碰撞冷却聚焦系统通常采用的是射频多极杆（如四极杆、六极杆和八极杆等）技术，射频多极杆所处区域维持一定的低气压，离子在经过射频多极杆区域时在射频电场的作用下会发生振荡运动，不断地与背景气体发生碰撞，从而使自身的能量不断减小，且离子不断地向中心轴线方向汇聚，最终形成能量较低、分布较窄的离子束，减小了离子的初始空间分散和初始能量分散。

离子碰撞冷却聚焦系统因其需要体积庞大的射频电源，且系统较为复杂。

考虑到小型质谱仪需要满足仪器体积小和操作简单等要求，在小型TOFMS中常使用离子束透镜整形传输系统。

离子束整形传输系统是采用静电场透镜对离子束进行整形和传输，离子首先经过小口引入离子传输区，形成点离子束，然后离子束在电场作用下保持向前运动。

静电场透镜区域通过静电极组合形成的离子整形电场，可将发散角度较大的点离子束整形成平行的离子束，减小了离子的发散角度，配合调节入射狭缝宽度，减小了离子的初始空间分散。

III、电场的不均匀性TOFMS是根据各阶段电场对离子的物理作用来完成离子飞行并相互分离的，在质谱理论中的一级和二级空间聚焦都是按照均匀的电场强度进行计算，电场的均匀性是仪器高性能得以实现的前提。

但是，由于多种因素的影响，实际仪器中各阶段的电场并不是完全均匀的，电场的不均匀性主要来自于极片边缘场效应、栅网边缘场效应、零件加工精度和零件装配精度等。

极片边缘场效应：

在TOFMS的内部结构中，极片用来构成TOFMS加速区和反射区等部分的电场区域，极片组合构建成的区域有利于保证所形成电场的均匀性。

理想的极片是没有厚度的，可形成均匀的内部电场。

但是，由于极片存在一定的厚度，当极片处于某电压值时，在该极片内环边缘的一段距离内会形成非均匀电场，而远离极片边缘的内环电场区域则近似均匀。

栅网边缘场效应：

在TOFMS的设计中，通常使用金属栅网对其各部分电场进行分隔，以达到理想的不同阶段的电场强度。

但是，与极片相似，栅网的金属丝总会有一定的粗细，其外径周围会形成非均匀电场，则通过金属丝边缘的离子因受电场强度不均匀性影响而发生偏转。

另外，栅网网格的大小，即相邻金属丝的间距，也关系到相邻电场的相互渗透。

栅网网格间隙越小，相邻电场区域之间的电场渗透越小，则越容易保持相邻两电场区域各自电场的均匀性。

零件加工精度：

无论是极片、栅网还是推斥板等零件，都需要保证其平面度和粗糙度等加工精度的要求。

零件的加工精度对保证电场的均匀性至关重要，理论计算时均将零件的加工精度作为理想情况考虑。

但是，零件加工工艺及加工水平等因素都会影响零件的加工精度。

加工精度的损失会造成零件平面周围电场的变化。

极片的加工精度差，会破坏加速区和反射区电场的均匀性；栅网的加工精度差会造成两交替电场交界处的电场畸变。

因此，为了获得仪器的高分辨性能，必须尽可能保证仪器各个零件的加工精度。

零件装配精度：

仪器零件在进行装配时，必须保证零件相互之间的装配精度。

零件间的装配精度决定了各部分电场的均匀程度。

零件的装配精度主要包括：

1）、离子调制传输区零件的同轴度；2）、推斥板与栅网之间的距离误差；3）、加速区和反射区中各极片之间的距离误差；4）、推斥板、栅网、加速区极片、反射器极片及MCP片相互之间的平行度。

IV、电源稳定性为了保证TOFMS中各部分电场强度的稳定和准确，获得较高的仪器性能，需要保证直流电源的稳定输出。

电源的稳定性指标主要包括纹波系数、温漂系数、时漂系数等性能参数。

其中，纹波系数是指直流电压中交流成分的峰峰值，反映出瞬间电压值的上下波动。

电源电压的输出直接决定了离子的飞行时间，电压的上下波动会造成电场强度的波动性变化，使离子的飞行时间发生改变，最终相同m/z的离子飞行至检测器的时间展宽加大，在质谱图上表现为质谱峰分辨率的降低。

温漂和时漂是反映直流电源长时间工作其电压输出稳定性的性能参数，两者分别是指直流电源所输出电压值随着环境温度变化和工作时间延长而发生的变化。

温漂性能差时，电源模块对质谱工作环境的温度要求苛刻，环境温度的变化对离子飞行时间影响大；时漂性能差时，质谱的最优空间聚焦条件无法长时间保持，从而影响了质谱的分辨率。

因此，在选择质谱仪的工作电源时，特别是质谱质量分析器的电源时，选择纹波系数、温漂和时漂系数小的电源，有利于获得质谱的高分辨率和长期工作的稳定性。

2.2.2.2灵敏度灵敏度灵敏度是反映仪器整体性能的一项重要指标，直接影响其对分析物的检出能力。

通常，仪器灵敏度分为绝对灵敏度和相对灵敏度151。

绝对灵敏度是指一定量的待测样品在分析仪器上产生信号的响应值151，其表达式为：

/SIQ（2.9）式中，S为仪器灵敏度，I为信号响应值，Q为单位进样量。

质谱分析时，Q常表示为进样量的质量（g）或压强（Torr）量，而I表示为信号强度的电量C（库伦）。

相对灵敏度指的是一定量待测样品的信号强度（signal，S）和噪声信号强度（noise，N）之比S/N。

其中噪声信号主要是仪器固有电信号、仪器污染、样品基质等因素造成的基线背景信号。

质谱分析时，通常使用S/N为3:

1的样品进样量作为质谱仪的检出限（limitofdetection，LOD），以此来描述质谱的检测灵敏度。

影响质谱仪灵敏度的主要因素包括：

电离源的电离效率、离子利用效率、检测增益和检测效率、仪器本底噪声等。

I、电离源的电离效率电离源是决定质谱灵敏度的最重要因素，电离效率直接关系到所产生离子的数目。

电离源的电离效率与电离源的类型有关，主要是由其自身的工作原理决定的，而对于同类型的电离源，其电离效率主要是由其工作时的电离条件决定的。

电离源的工作条件包括：

电离源的功率（如放电电离源的放电功率、光电离源的光强度等）和电离源内待测样品分子的密度等。

另外，不同电离源对于不同的待测样品具有不同的电离效率，即待测样品的性质也是电离效率一个影响因素。

II、离子的利用效率为了使质谱获得较高的检测灵敏度，在保证质谱分辨率需要的前提下，必须尽可能地使更多的离子被检测到，产生有效的质谱信号响应。

电离源产生的大量离子到达检测器时会经历不同阶段的离子损失过程，通常以离子的利用效率来描述电离源所产生离子中最终被检测到的效率。

离子利用效率主要受到几方面的影响：

第一，电离源中大量离子的有效引出。

由于电离源的工作性质和气压等条件限制，电离过程往往发生在一定的空间区域内。

通过电场作用对一定空间内的离子进行引出时，区域内的分散离子不可能完成全部的有效引出，造成了一部分离子的损失。

另外，当电离源区域内的气压较高时，电场对离子的引出作用会相应减弱，也影响了电离源离子的引出效率。

第二，离子在电离源与质量分析器之间的传输过程会造成数量上的损失，这部分的损失主要发生在离子传输区域。

一般情况下，离子经由小孔或毛细管管口从电离源引出，此时离子具有较大的能量发散角度，在离子向前运动过程中，离子束的空间分散越来越大。

离子调制传输部分的静电透镜、多极杆传输以及离子漏斗等技术能在一定程度上对离子进行聚焦，但是仍有部分离子无法有效地通过离子调制传输区域。

另外，入射狭缝的宽度会影响飞行时间质谱的分辨率，宽度小有助于提高分辨率，也在一定程度上限制了引入离子的数量，造成离子的损失。

第三，一般情况下，在TOFMS质量分析器中，离子束以连续流的状态进入推斥区，推斥区的脉冲电场以脉冲方式将离子束“斩断”，然后将其推斥进入加速区，没有经过脉冲推斥的离子束继续运动而湮灭，从而使进入到推斥区的离子没有得到充分利用。

通常，可以通过增加脉冲推斥频率来增加离子的利用率，但是，脉冲推斥频率过快会限制TOFMS所能检测离子的质量范围。

因此，可以对连续流的离子束进行改造，通过脉冲的离子引入方式来增加离子的利用率，离子阱与TOFMS的联用便采用这种方式，提高了离子利用率，获得较高的质谱灵敏度107。

第四，TOFMS质量分析器中的离子在经过两电场之间的栅网时，会有一部分离子与栅网的金属丝发生碰撞而损失掉，这是因为栅网金属丝有一定的外径和间距，使栅网有一定的离子通过率。

一般情况下，金属丝越细，间距越大，离子在栅网上的通过率越高，但是其电场渗透现象也越明显。

此外，反射式TOFMS中的离子需要经过更多层栅网，造成更多离子的损失，通常其离子利用率要低于直线式TOFMS。

第五，由于离子垂直引入的速度不同，且可能在经过栅网金属丝边缘时发生弯曲，使离子在TOFMS质量分析器中飞行时发生发散，最终到达检测器平面处的离子束具有较大的离子发散面积，不能有效地被检测器接收。

这种情况可以通过在离子飞行过程中加入聚焦透镜对发散的离子进行聚焦，来增加离子的利用率。

III、MCP的检测效率TOFMS的检测器为微通道板（microchannelplate,MCP）检测器，其检测效率主要由MCP片的面积和MCP增益系数等决定。

一般情况下，较大的MCP片面积可增加接收离子的数量，较大的MCP增益系数可获得较大的信号放大倍数，有利于实现较高的MCP检测效率。

IV、仪器本底噪声在保证获得足够强的待测样品信号的同时，降低仪器本底噪声也是提高灵敏度的一个重要方面。

仪器本底噪声信号主要来自于质谱工作时的固有电信号、电离源污染以及样品基质等方面。

合理的电源控制系统设计，洁净的质谱电离源以及一定的样品前处理都会降低质谱的本底噪声，提高检测灵敏度。

2.2.2.3质谱仪的其它性能指标质谱仪的其它性能指标除了分辨率和灵敏度，质谱仪的性能指标还包括质量范围和质量精度。

质量范围是指质谱仪所能检测到离子的质荷比范围。

质谱的质量范围由其工作原理决定，离子阱、四极杆等扫描式质量分析器的质量范围主要由射频电源的性能参数决定，磁质谱的质量范围受磁场强度及磁体体积的影响。

不同于其它类型的质谱仪，TOFMS中的离子是根据其飞行时间的不同而相互分离的，因此TOFMS理论上不存在质量检测上限，可以满足高质量离子的检测。

但是实际工作中，TOFMS的质量范围还与电离源的适用范围及检测器的检测性能等因素有关。

质量精度是指对于未知离子质荷比测定的准确性，即离子质量的准确性，通常以离子质荷比的实测值与理论值之差与理论值的比值来表示。

高分辨质谱中，高的质量精度有利于准确测定离子的质荷比，对于未知离子的准确定性起到了至关重要的作用。

质量精度主要与工作电源性能（如：

电源的稳定性、电源精度等）、环境温度变化、飞行时间测定准确度及质谱图质量轴的标定方法等因素有关。

采用高稳定性和精度的电源，维持恒定的质谱工作温度，以及准确的飞行时间测定和质量轴校正都有利于提高质谱图的质量精度。

2.32.3小型小型直线直线式式TOFMSTOFMS的设计的设计本节工作是在前人TOFMS的研究基础上，根据直线式TOFMS的设计理论，结合SIMION软件对小型直线式TOFMS进行了模拟和设计，成功研制完成了一台小型垂直加速直线式TOFMS。

2.3.12.3.1小型小型直线直线式式TOFMSTOFMS的总体设计的总体设计典型质谱仪的基本组成如图2.3所示，包括：

进样系统、质谱电离源、质量分析器、离子检测器、数据采集与处理系统、真空系统和电学系统等。

图2.3典型质谱仪器的组成示意图Figure2.3Schematicdiagramoftypicalmassspectrometercomponent.基于垂直加速和双场加速聚焦的TOFMS的设计理论，我们自行研制了一台小型的直线式TOFMS，其结构示意图如图2.4所示：

图2.4实验室自行研制的小型反射式飞行时间质谱仪结构示意图Figure2.4Schematicarrangementofthehome-builtminiaturereflectingtime-of-flightmassspectrometer.一台完整的飞行时间质谱仪主要包括以下几部分：

（1）进样系统将待测样品引入质谱电离源区；

（2）电离源对待测样品分子进行电离；（3）离子传输系统将电离源引出的离子传输至质量分析器；（4）TOFMS质量分析器通过电场作用实现离子的相互分离；（5）MCP检测器完成离子检测，将得到的离子信号放大并传输；（6）数据采集系统完成信号的数据采集，将信号以谱图形式记录；（7）真空系统维持TOFMS工作所需要的真空度；（8）电学系统提供质谱仪所需的工作电源及电控部件。

下面对直线式TOFMS的真空系统、进样和电离系统、离子传输系统、直线式飞行时间质量分析器、MCP检测器、质谱仪的控制和数据处理系统等主要部分进行详细介绍。

2.3.2.3.22真空系统真空系统一定的真空度是质谱仪正常工作的最基本前提，不同类型的质谱仪因其工作原理的不同通常具有不同的真空度要求。

TOFMS的质量分析器是利用不同质荷比离子的飞行时间不同而相互分离的，如果离子在其飞行轨迹中与其他分子发生碰撞则其飞行时间会发生改变，最终使所测到的质谱峰加宽，影响质谱的分辨率。

为了减小离子在飞行过程中与分子发生碰撞的几率，必须减小质量分析器中的分子密度。

另外，TOFMS离子检测器中的MCP片需要在高真空度下才能进行正常工作。

因此，TOFMS质量分析器具有高的真空度要求，通常应维持高于110-3Pa。

同时，电离源区实现了气体分子的引入，并完成气体分子的电离，该区域的真空度关系到气体的进样量、电离源的电离效率以及仪器本底气体干扰等，同时对质量分析器的真空有一定的影响。

小型直线式TOFMS的真空系统如图2.4所示。

整个真空系统主要由抽速为3