1、1第七章 飛行時間質譜儀原理與應用2本章內容：1，飛行時間質譜儀簡介2，直線型飛行時間質譜儀3，反射式飛行時間質譜儀4，飛行時間質譜儀的應用31，飛行時間質譜儀簡介基本原理利用動能相同的離子（E），飛行相同的距離（L），所用時間的不同（T）而將它們區分開。通過測量離子的飛行時間T,來推算離子的質荷比(m/z).4質譜儀器的幾個關鍵性能指標 (見第一章)1），質量分辨（Mass resolution, m/m）：質譜儀器分辨不同成分物質的能力。2），質量精度（mass accuracy）：衡量質譜儀器測量物質成分的準確度。3），質量范圍（mass range ）：質譜儀器測量物質成分的質量大小范

2、圍。4），靈敏度（sensitivity）：質譜儀器所能測量物質成分的最低含量。5飛行時間質譜儀的幾個關鍵性能指標1），質量分辨（Mass resolution, m/m）：100002），質量精度（mass accuracy）：ppm3），質量范圍（mass range ）：14），靈敏度（sensitivity）：? (不受限制，單分子檢測)6mv2 2 =neV ，L=vT，（暫不考慮初始動能）m:離子質量；v:離子速度；ne:離子總電荷；V:離子所在地點的電勢。L: 飛行距離；T:飛行時間。L2VV7mv2 2 =neV ，L=vT，) 1.().)(21(*)(21(*2*nemVs

3、qrLTnemVsqrLneVmsqrLT當飛行距離：L，和工作電壓：V，一定時，離子飛行時間：T，和離子質荷比一一對應。8 飛行時間質譜儀的質量分辨所有質荷比(m/z)相同的離子盡可能同時到達離子探測器,即具有盡可能相同的飛行時間。因此要求：所有離子應盡可能具有相同的L，和V。或：所有離子應從同一“線”開始“起飛”。)(21(*emVsqrLT 9LV10實際存在問題1，空間分布空間分布： 離子不可能從同一點出發，所以它們的飛行距離L，和所獲得的動能neV都會不同；2，能量分布能量分布：每個離子所具有的初始速度，也即初始動能不同；3，在某些離子源來說，所產生的離子會有時間上的差異，故會影響它

4、們的測量時間。以上各項都會影響對離子飛行時間的準確測量，結果將導致飛行時間質譜儀的質量分辨能力下降和測量結果的準確性。11離子初始空間/能量分布示意圖L1V1V2L2V012L1V1L2V2遠離探測器的離子（V1）將比靠近探測器的離子（V2）獲得更高的加速電壓，但飛行距離也更遠（L1L2）.13飛行時間質譜研究的主要內容和方向:(1). 如何提高飛行時間質譜儀的質量分辨能力；(2). 如何提高離子收集效率；(3). 如何改進飛行時間質譜儀的接口；(4). 功能，結構優化等。142，直線型飛行時間質譜儀LV1 V215(1). 提高飛行時間質譜儀的質量分辨能力方法一：空間聚焦。目的目的通過改變離

5、子加速電壓U，和離子源電極的幾何尺寸，使得從不同點“起飛”的離子同時到達離子探測器.16單電極情況：空間聚焦點位置等于離子源電極尺寸。XSF=2XAXA17XSFXA1XA2UUA2雙電極情況18雙電極情況下的空間聚焦條件)(1 ()(2122122/321AAAAAASFUUUUXXUUXXXSFXA1XA2UUA219結論：可以通過調節電極間距離和不同電極上的電壓來改變離子焦點的位置。在設計飛行時間質譜時。可以先確定飛行管的長度L，然后通過改變各個電極間的距離和工作電壓的設置來獲得最佳的質量分辨結果。20(2). 提高飛行時間質譜儀的質量分辨能力方法二：能量聚焦。目的目的通過改變離子加速電

6、壓U，和離子源電極的幾何尺寸，使得具有不同初始動能的離子同時到達離子探測器.21XSFXA1XA2UUA2雙電極情況22雙電極情況下的空間/能量聚焦條件SFSFAAASFASFSFSFAASFAXXXUUXXXXXXXXXX3)(2)32()(2(2222/3222123空間/能量聚焦條件下的離子飛行時間)22(22221UXUUUXUUXqmtSFAAAA24小結小結為獲得較高的質量分辨：為獲得較高的質量分辨：A.飛行時間質譜的幾何尺寸和工作電壓都需調節。B.幾何尺寸和工作電壓間有相關性。C.可獲得較“空間聚焦”條件下更高的質量分辨能力。25結論對線形飛行時間質譜儀來說，可以通過調節其幾何尺

7、寸，和工作電壓設置來優化質量分辨能力。其質量分辨大多數在1000。263，反射式飛行時間質譜儀目的：更好地修正離子初始動能對質量分辨的影響。其最好質量分辨可達20000。27反射式飛行時間質譜儀結構示意圖XD1XA1XA2XSFXD2XRefXSUS空 間 聚 焦U28反射式飛行時間質譜儀的的空間/能量聚焦條件UXXUXXXXXXXXXXDSSSDSDDSDSDf)21 (32)2)34()2(442/32Re29上式中：XD: 總飛行距離，US: 減速場電壓，U: 離子“起飛”處（離子源）的電勢。30RETOFMS中的離子飛行時間相對誤差： t1為離子由離子起飛點（離子源）至空間聚焦點處的飛

8、行時間，t2為空間聚焦點處至離子探測器的飛行時間。ttUUttUUtt2312)(163)(4131RFTOFMS質量分辨計算例一：假定：m/z=100離子總飛行距離：1.5 m離子動能：1.0 keV離子源尺寸：0.5 mm離子源處電場強度：300V/cm32則：離子初始動能分布：U=7.5 eV, XSF=20 cm, t1= 5 s, t2=40 s.因此，t=0.3 ns又假定：離子到達探測器表面的時間差為0.1ns33RFTOFMS質量分辨率：10553210*64540)10005 . 7(163455)10005 . 7(4145tt34RETOFMS的質量分辨：1，35,000 Rev. Sci. Instrum.1990, 60, 3472，20,000 In