让离子飞一会儿 -- 聊聊TOFMS的那些事儿
导
言
飞行时间质谱
Time of Flight Mass Spectrometer (TOFMS)
是一种常用的高分辨质谱仪，最早由Stephensen在1946年提出来。该质谱仪可以将样品离子化，再利用静电场加速离子，根据离子飞行速度差来分析离子质荷比。比起其他质谱仪，飞行时间质谱具有测定样品质量范围广、灵敏度高、分辨率高、分析速度快等优势，是基因、蛋白质、生物化学、医药学、病毒学等领域中不可或缺的实用工具。
质谱的发展史
● 1906年 J.J.Thomson 使用阴极射线管测得电子质核比获得诺贝尔物理学奖，在1912年设计了质谱仪的前身，发现氖同位素。
● 1920年 F.W.Aston 设计出第一台速度聚焦式质谱仪。
● 1934年 J.Mattauch 发明了第一个磁场双聚焦质谱仪。
● 1946年 W.Stephens 首次发明时间飞行质谱仪(TOF,Time of Flight)。
● 1949年 J.A.Hipple 提出离子回旋共振法，为1974年发明的高解析傅里叶转换离子回旋共振质谱仪（FT-ICR,Fourier Transform Ion Cyclotron resonance）建立基础。
● 1953年 W.paul 提出四极杆质量分析器和四极离子阱质量分析器，获得1989年诺贝尔物理学奖。
● 1977年 R.A.Yost 提出三重四极杆质谱。
● 1984年 设计出四极杆飞行时间质谱仪被用于蛋白质分析。
● 2000年 A.Makarov 提出轨道阱质量分析器。
● 2002年 在生物大分子分析上John B. Fenn 提出了电喷雾(ESI)电离方法，另外Koichi Tanaka（田中耕一）提出了激光辅助解吸电离质谱(MALDI)电离方法。。
飞行时间质谱
分析技术基本原理
其实TOF-MS分析技术的工作原理非常简单。样品在离子源中离子化后被电场加速,若离子所带电荷数为z，质量数为m，加速电场的电势差为V，则加速后其动能应为：
如果飞行管的距离为L,由式(1)可得出离子的飞行时间t为：
由式(2)可以看出,在一定的实验条件下，离子的飞行时间t直接取决于离子的质荷比m/zm/z较小的离子具有较高的速率v，率先到达检测器产生信号， m/z较大的离子则相反。
由此可见,离子的飞行时间t是离子进行质量分析的依据。
飞行时间质谱
质量分析器分类
线性飞行时间质谱
最初的线性飞行时间质谱一直存在分辨率低的缺点，原因主要是离子进入飞行管前的时间分散、空间分散和能量分散，在这种条件下，即便是质量相同的离子，由于产生时间的先后，产生空间的前后和初始动能大小的不同，到达检测器的时间也不相同，因此降低了分辨率。
为了改善分辨率，W.C. Wily提出了时间延迟聚焦的二段加速区改进方法，如下图所示：
反射飞行时间质谱
反射式在离子延迟法的基础进一步改善了离子能量聚焦的问题，解决了线性飞行时间解析能力不足的缺点，反射式是在飞行管末端加入了一组电场式反射器，而离子检测器放在飞行管前端收集反射离子，原理是动能高的离子穿透较深。比飞行速度慢的离子花较多时间折返到离子检测器，这就使得初速度不同的离子能一起达到离子检测器，但是缺点在于大质量的离子在反射式飞行管中的飞行距离变长，容易照成离子损失，灵敏度下降，对大分子的影响更显著。
正交加速飞行时间质谱
由于飞行时间质量分析仪通过时间来测量离子速度并转换为质荷比，但是时间的测量需要一个时间起点，所以对连续式的离子源如ESI等的联用就存在困难，解决的方式就是将连续式的离子源变成脉冲式进行检测，另外在经过四极杆聚焦后的离子束，在进入正交加速区后，施加一个正交方向的脉冲电压使得进入的离子在垂直于射入方向上具有了一个恒定速度，这就极大改善了线性飞行质量分析器初速度和方向不可控的缺点，因此质量分辨能力和准确度更高，校正也更容易，这也是目前TOF-MS主流应用最广泛的质谱类型。
飞行时间质谱的串联技术
使用单一质谱时,由于生物样品的复杂性以及不同的离子化方式可能导致样品基质复杂或样品自身降解，造成谱图的复杂化，难以辨别信号和噪音。而串联质谱则可以提供一种更丰富的质谱解析方法，通常使用前级质谱从普通谱图中获取前体离子(母离子)信息,经过特定的裂解过程，由后级质谱对二次离子(子离子)进行鉴别。与TOF-MS相关的串联方式目前市场上常见的有四种:
与四极杆质谱串联(Q-TOF)
四极杆质谱具有离子导向作用，四极杆和TOF之间装上碰撞活化室后具有碰撞诱导解离(CID)功能，使四极杆质谱选取的母离子发生诱导裂解，产生碎片子离子，然后再进入TOF-MS进行质量分析。
与离子阱质谱串联(IT-TOF)
离子阱质谱最大优点是时间上的串联，具有选择和储存离子的作用，因此IT-TOF的联用往往不是进行结构解析，而是利用其富集和分离功能,来弥补TOF-MS不能在加速区存储离子的缺点。
与离子淌度质谱串联(IMS-TOF)
离子淌度质谱是利用离子的质荷比、三维构型和离子碰撞截面不同,导致离子在大气压下的均匀电场中以不同的速度运动,从而使离子在经过相同的飞行距离后实现彼此分离,该串联技术广泛应用于生物分子构象的高分辨测量、蛋白质折叠、生物分子排序的研究。另外，对于HPLC中具有相同保留时间的同分异构体也可以根据其在气相中的移动速度不同得以分离，一般情况下可以同时实现20～30种同分异构体的分离。
质谱成像
近几年比较新颖的质谱成像技术，可以说是分子成像的一个比较尖端的工具。它是一种以高分辨质谱为基础的成像方法，该方法通过质谱直接扫描生物样品成像，可以在同一张组织切片或组织芯片上同时分析数百种分子的空间分布特征。简单而言，质谱成像技术就是借助于飞行质谱的方法，再配置专门的质谱成像软件，使用一台通过测定质荷比来分析生物分子的标准分子量的高分辨质谱仪来成像的方法，MALDI/AP-MALDI,DESI,SIMS均有不同的特点和优势。
何松宏
■ TOF技术经理
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