飞行时间质谱分析技术的发展

金光

赵冰1   沈学静2
                        1 河南省新乡一中化学组   2 钢铁研究总院分析测试研究所
        摘要 介绍了飞行时间质谱的基本原理和性能特点，回顾了飞行时间质谱技术和仪器的发展历史与应用进展，并对这一技术的应用前景做了预测。
        关键词 飞行时间质谱；线型飞行时间质谱；反射型飞行时间质谱；质谱分辨率
1 引 言
        飞行时间质谱（Time-of-Flight Mass Spectrometry,TOFMS）分析是利用动能相同而质-荷比不同的离子在恒定电场中运动，经过恒定距离所需时间不同的原理对物质成分或结构进行测定的一种质谱分析方法。飞行时间质谱分析技术的优点在于理论上对测定对象没有质量范围限制、极快的响应速度以及较高的灵敏度。目前，TOFMS技术被应用于生命科学、分析化学、表面科学、原子物理学及工艺过程监控等诸多领域，成为20世纪90年代以来应用最广的质谱分析技术之一。
        本文将介绍TOFMS的基本原理、技术及仪器的发展历程。
2 TOFMS 分析方法的基本原理
        TOF-MS分析方法的原理非常简单。样品在离子源中离子化后即被电场加速， 假设离子在电场方向上初始位移和初速度都为零，所带电荷数为q，质量数为m, 加速电场的电势差为V, 则加速后其动能应为：

m v2 / 2= qe V (1)
      

        其中，v 为离子在电场方向上的速度。离子以此速度穿过负极板上的栅条，飞向检测器。离子从负极板到达检测器的飞行时间t，就是TOFMS 进行质量分析的判据。
        在传统的线性TOFMS，离子沿直线飞行到达检测器；而在反射型TOFMS 中，离子经过多电极组成的反射器后反向飞行到达检测器，后者在分辨率方面优于前者。
3 TOF-MS 技术及应用的发展历程
        以离子的飞行时间作为判据进行质量分析的创意，是Stephensen 在1946 年提出来的。最初设计的是线性TOFMS。离子的飞行时间与其质量的平方根成正比。与其他类型的质谱仪相比，这种设计具有两个突出的优点：(1)到达检测器的所有离子都能在一张图谱中显示出来，而不需要进行任何电压或电流的扫描, 这使快速测定成为可能，同时对被测对象没有质量数的限制 ；(2)离子运动中没有经过筛选，从而使离子源产生的离子绝大多数都可到达检测器，即离子传输效率很高，使高灵敏度成为可能。不过由此可能带来如下问题：离子在进入飞行区时的初始条件不可能完全一致，其产生的位置、时间、初始动能及初始速度方向的差异，都会造成飞行时间的延长或缩短。导致质谱峰扩宽，分辨率下降。很长一段时间，分辨率低成了阻碍飞行时间质谱技术发展的主要因素。此外时间信号的接收与处理技术落后也影响了TOFMS 的应用。
        20 世纪80 年代中期以后生命科学的兴起和新药合成的迅速发展急需相应的质谱分析方法。传统的质谱方法在解决此类分析时面临两大困难 ：1)少部分有机或大部分生物大分子样品用传统的电子或表面轰击的方式进行离子化，得不到谱图； 2) 分析这些物质，利用一般的质谱仪，灵敏度满足不了要求，而且对于质量巨大的分子，需要极高强度的磁场或电场。人们开始重新关注TOFMS。TOF-MS不必采用高强电场或磁场，加上各种大分子离子化方法相继诞生, 所以它在有机、生物、药学及簇物理学的领域的应用就成为一种必然。由于其每秒钟可以产生多达上万张的质谱图，也使其在工业生产的过程控制和在线监测方面的应用成为可能。因此，TOFMS 技术在沉寂数十年以后又表现出巨大的生机。
       20 世纪90 年代TOF-MS 的应用开始活跃。在生物学领域，各种MS-MS 联用技术使得分析内容不仅仅限于分子量的测定，而更倾向于分子的结构信息：氨基酸序列、糖基化位置等的确定。在基因组和蛋白组学的研究中，TOFMS 的地位举足轻重；在分析化学领域，TOFMS 可以做GC 或LC 或毛细管电泳的检测器; 在工业生产中，TOFMS可作为工艺过程控制的分析技术；在原子和分子物理学领域，TOFMS 可用于单分子和簇分子(或离子)反应动力学研究；在材料科学领域，TOF-MS可用来做陶瓷、半导体、特种合金、聚酯等材料的表面成分分析，研究表面物理化学变化过程； TOFMS 与多种其他分析技术的联用也成为科学研究中的常用手段。
        单从质量分辨率来看，50多年以前Cameron等人报道的第一台成型的飞行时间质谱仪的分辨率仅有2左右;而目前采用激光辅助的反射型TOF-MS 的分辨率可达35,000 之高。其发展如此之快，应用如此之广，难怪有人称20 世纪90 年代是“TOF-MS 复兴的时代” [1]。
4 TOFMS 仪器技术进展
        由于存在初始能量分散的问题，提高TOFMS分辨率一直是研究者和仪器制造上努力的目标。仪器技术的进展也主要围绕这一目标进行。
4.1 离子化技术的发展
        最初TOFMS采用电子轰击的方法进行离子化。由电子枪产生的电子电离样品分子使其离解为离子，经加速形成离子束进入飞行区。这种方法可用于气、固、液体样品的分析。其缺点是：1)离子化时间较长，和一般离子的飞行时间数量级相近，容易引起大的误差；2)电子的电离及其进样方式，难以进行大分子样品的分析。目前这种离子化方式多用于小分子的分析。而新的电子发生方式如激光光电子枪也开始出现[2]。
        后来脉冲离子发生器应用逐步广泛。用于固体或液体样品的重离子轰击、等离子体解吸(PDMS)及二次离子质谱(SIMS)属于此列。目前脉冲激光技术应用最广，包括激光解吸(LD)、共振激光离子化(RI)、共振加强单/多光子离子化（RES/MPI）以及生化分析中常用的基质辅助激光解吸(MALDI))等，适用于不同样品的分析。例如共振激光离子化可用于痕量金属元素的分析[ 3 ] ；REMPI 则擅长复杂有机物的选择性离子化[4-5] ；MALDI的优点在于：1）可获得高的灵敏度，甚至能检测到离子化区的几个原子；2）对于热不稳定的生物大分子可实现无碎片离子化；3）对固体、液体表面分析，可以很好地控制离子化的位置或深度样品，分析时间大大缩短；4）可以与不同的离子化方式相结合。MALDI－TOFMS[6-7]已经成为基因组学和蛋白组研究的重要手段，日本岛津公司的田中耕一也因为在此技术方面的贡献获得了诺贝尔化学奖的殊荣。
        我国以郑兰荪院士为代表的研究者，曾设计和研制了如如TOFMS的激光等离子体离子源[8]、脉冲辉光放电如发离[9]等，研制和开发了一系列TOFMS。
        对于上述各种脉冲离子化方式而言，用TOFMS做检测器自然是一种最好的选择，因为每一次离子化都可以得到完整的图谱。但同时，大量的研究也证明：TOFMS 与各种连续离子化方式如电晕放电[10]、电喷雾离子化[11]、离子喷雾[12]、热喷雾[13]等的组合也完全能够实现高灵敏度和中等分辨率的分析。
        ICP 也可作为一种TOFMS 的离子化方式用于多元素分析[14]，目前澳大利亚GBC 公司已经有商品仪器。
4.2 离子引出方式的发展
        离子引出方式影响分辨率。研究者曾采用时间延迟聚焦(Time-lag Focusing)技术[15]及表面解吸技术分别减少气体离子和固体表面离子的能量分布的影响。
4.3 离子飞行轨道的改进
        分辨率低一度是制约TOFMS发展和应用的主要因素。70年代初苏联科学家Mamyrin[16]发明的质量反射器(Reflectron)使TOFMS 能量分布问题的解决有了重大突破。该技术成为TOFMS 后来得以长足发展的契机。最初的反射器，是由一组同心的薄板构成，最后一极是一实心板。中间用栅条隔开不同强度的电场。后来发现薄板和栅条的边缘效应引起电场的弯曲，而且离子通过带电珊条时易发生溅射，因此又设计了无栅反射器。同时，为了进一步提高灵敏度和分辨率，节省空间，人们设计了多种新型的反射器如 ：‘线性反射器’、轴对称离子通道反射器、抛物线型反射器和多缝反射器。Cotter 等人研究的封端（End-Cap）反射型TOFMS可获得好的聚焦效果和高分辨率等等。这些结构的改变都能在某一方面改善反射器的性能，但也存在各自的缺陷。因此，只能针对具体应用环境加以选择。
        此外增加离子的飞行时间能够提高TOFMS的分辨率。增长飞行区的长度无疑是方法之一。最早的线性TOFMS的漂移管最长达10 米。实际上最有效的方式是使离子在同一区间循环飞行。由此出现了环形质量分析器[17]和折叠式质量分析器[18]。前者使离子绕环形道飞行数圈，后者则采用多次反射使其往返飞行。现在人们仍通过改进飞行区的电场和离子光学器件设置的方法提高仪器分辨率，分辨率提高的程度取决于离子在飞行区循环飞行的次数。
4.4 检测器的发展
        目前TOFMS 的检测器一般由微通道板(Microchannel Plates)和离子捕集器等组成。在分析大分子的时候，由于离子飞行缓慢，通常为了提高检测效率，在检测器之前设置加速电场使离子加速以增加撞击力度。
4.5 信号记录与处理系统的发展
        TOFMS 技术的复兴也归因于仪器记录系统和数据处理记录的发展。信号记录与处理系统的功能是记录每种离子飞行的起始和终止时间，并根据其原理将时间信号还原为质量数，并以图谱的方式反映出来。20世纪60年代TOFMS 多应用示波器记录信号，响应较慢，难以与快速扫描的四极杆质谱相比。到70年代相继出现了时间-数字转换器(Time-to-digital Converters, TDCs)和模拟数字变换器（Analog-digital Converter, ADC）等并沿用至今，后来发展成为快速数字示波器。积分瞬态记录仪(Integral Transient Recorders)也可以成功地应用于MALDI-TOFMS。
        研究表明TDC(Time-to-digital Converter)存在“死时间”和“多个离子同时到达”的问题，影响仪器的性能[19]，PE公司ORTEC开发ADC采样的DSA（Digital Signal Average）技术[20]，可以在一定程度上解决该问题，信号采集系统的速度可达到2-Gs 以上，用于复杂体系的分析。
5 TOFMS 相关联用技术
5.1 串联质谱技术
        有人说结构生物质谱是串联质谱的同义词[1]，即其发展与串联质谱技术同步。使用单个质谱，由于生物样品的复杂性以及离子化方法可能导致的样品降解，造成谱图的复杂化，难以辨别信号和噪声。而串联质谱提供了一种明确辨析的方法，通常前级质谱用于从普通谱图中获取前体离子的信息，经过特定的解离过程，由后级质谱对二次离子（产物离子）进行鉴别。TOFMS 用于串联质谱的优点在于高灵敏度、与多种离子化方式的兼容性以及理论上无限制的质量范围。这对大型生物分子或离子簇的结构研究等，具有重要意义。
        与TOFMS 相关的串联方式有很多种，如L(线性)TOFMS-LTOFMS、LTOFMS-R(反射型)TOFMS、EI(离子阱)-LTOFMS-LTOFMS、扇形场-TOFMS、Q(四极杆)-TOFMS、RTOFMS-RTOFMS 和L-TOFMS- 正交场TOFMS 等，广泛应用于蛋白质等生物大分子的结构分析。
5.2 TOFMS- 色谱联用技术
        TOFMS 的结构简单、检测速度非常快、可测范围极宽，做色谱的检测器非常理想。TOFMS 同气相色谱的联用创造了色- 质联用技术的开端[21]，但由于四级质谱的小体积、耐压力以及易于计算机化的特点，一度后来居上。随后其全谱扫描速度无法满足毛细管柱色谱的发展要求。因此TOFMS 作为高分辨GC 检测器成为最佳选择[22]。近年来发展了TOFMS-HPLC、TOFMS-毛细管液相色谱、空间排阻色谱-TOFMS 及TOFMS-电泳联用技术。
6 TOFMS 的应用前景
        TOFMS 分析技术的优越性在于其高灵敏度、大质量范围和极快的检测速度。可以预见，在21世纪的生命科学、原子与分子物理学、表面物理学、聚合物物理和化学、材料科学、分析化学和生态学领域的发展中，TOFMS都将发挥重要的作用。TOFMS在材料中多种痕量元素的同时分析、工业生产监控和自动化、生物制品质量监控、与气相色谱、液相色谱、电泳、离子阱及其它质谱联用用于复杂体系分离分析等技术将成为研究和应用的热点。
参考文献
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                                                                                              编辑：范伟伟