tof-ms技术原理
时间飞行质谱（time-of-flight mass spectrometry，TOF-MS）是一种基于离子飞行时间差异进行质荷比检测的质谱技术，其核心原理是通过电场加速离子，使不同质荷比的离子在无电场漂移区内飞行相同距离，由于轻离子飞行速度快、重离子飞行速度慢，根据飞行时间的差异实现对离子的分离和检测，TOF-MS凭借其高灵敏度、宽质量范围、快速扫描速度及无质量歧视效应等优势，在蛋白质组学、代谢组学、环境监测、药物研发等领域得到广泛应用，以下从离子化、离子加速、飞行分离、信号检测及数据处理五个环节详细阐述其技术原理。
离子化：样品分子的气相离子生成
TOF-MS首先需将待测样品分子转化为气相离子，常见的离子化方式包括基质辅助激光解吸电离（MALDI）和电喷雾电离（ESI），MALDI适用于大分子（如蛋白质、多肽）分析，其原理是将样品与基质（如芥子酸、CHCA）混合后干燥，用激光脉冲照射基质-样品混合物，基质吸收激光能量并使样品分子解吸电离，生成单电荷或多电荷离子，ESI则适用于溶液样品，通过高压使溶液形成带电液滴，在加热气流和电场作用下液滴逐渐蒸发，最终解析出气相离子，可生成多电荷离子（尤其适用于大分子），离子化过程需确保离子产率高且能量分散小,以减少后续飞行时间的误差。
离子加速：动能与质荷比的关联
离子化后的离子在电场中加速，获得动能，加速区通常由一对平行电极板构成，施加高压直流电场（U，一般为几万伏），设离子质量为m，电荷量为z，则离子在电场中获得的动能为zU，根据能量守恒定律：½mv² = zU，其中v为离子飞行速度，由此可得离子速度与质荷比的关系：v = √(2zU/m)，加速后，所有离子进入无电场的漂移区，此时离子速度仅由质荷比决定，轻离子速度快、重离子速度慢,为后续分离奠定基础。
飞行分离：基于飞行时间的质荷比差异
离子加速后进入长度为L的漂移区，飞行时间t = L/v，将速度表达式代入，得到飞行时间与质荷比的关系：t = L√(m/(2zU))，可见，飞行时间t与质荷比的平方根（√(m/z)）成正比，假设漂移区长度为1米，加速电压为20kV，质荷比分别为100和1000的离子，其飞行时间分别约为44.7μs和141.4μs，通过测量飞行时间差异即可实现质荷比分离，TOF-MS的分辨率（R）定义为m/Δm，m为可分辨的最小质量差，理论上R = t/Δt，Δt为飞行时间分辨率，取决于离子初始能量分散、空间分散及检测器响应时间等因素，为提高分辨率，现代TOF-MS常采用反射器（reflectron）技术，通过引入反向电场补偿离子的动能差异，使能量不同的离子聚焦至同一点,减少能量分散对分辨率的影响。
信号检测：离子信号的转换与放大
离子到达漂移区末端后，撞击检测器（如微通道板检测器，MCP）产生电子倍增效应，检测器将离子信号转换为电信号，经放大器放大后由模数转换器（ADC）采集，TOF-MS的检测为脉冲模式，需与离子化脉冲（如激光脉冲、ESI脉冲）严格同步，确保每个离子脉冲的信号被独立采集，检测器的响应速度和灵敏度直接影响TOF-MS的性能，现代检测器可实现纳秒级响应，满足高分辨率TOF-MS的时间测量需求。
数据处理：质谱图的生成与解析
采集到的电信号经数据处理系统转换为质荷比-强度关系图，即质谱图，通过已知标准物的质荷比与飞行时间的关系建立校准曲线，将飞行时间t转换为质荷比m/z，TOF-MS的宽质量范围（可达几十万Da）使其可同时检测不同质荷比的离子，且扫描速度快（可达每秒数千张谱图），适用于色谱联用（如LC-TOF-MS）实现快速色谱峰采集，TOF-MS的高精度质量测量（误差<5 ppm）可提供离子的元素组成信息,有助于化合物结构鉴定。
TOF-MS关键性能参数对比
| 参数 | 传统TOF-MS | 反射式TOF-MS | 飞行时间串联TOF-MS |
|---|---|---|---|
| 分辨率（R） | 1,000-5,000 | 10,000-50,000 | 20,000-100,000 |
| 质量范围（m/z） | 1-100,000 | 1-300,000 | 1-300,000 |
| 扫描速度（spectra/s） | 10-100 | 50-500 | 50-500 |
| 质量精度 | 100-500 ppm | 1-10 ppm | <1 ppm |
| 主要优势 | 结构简单、成本低 | 高分辨率、高精度 | 可串联MS/MS分析 |
相关问答FAQs
Q1：TOF-MS与四极杆质谱在原理和性能上有何主要区别？
A1：TOF-MS基于离子飞行时间差异分离离子，具有宽质量范围、高扫描速度和高精度质量测量优势；而四极杆质谱通过射频和直流电场组合实现离子筛选，质量范围较窄（lt;4000 Da），扫描速度中等，但成本较低且可进行多级串联（如MRM），TOF-MS适用于未知物筛查和全谱采集,四极杆质谱则适合目标物定量分析。
Q2：如何提高TOF-MS的分辨率？
A2：提高TOF-MS分辨率的主要方法包括：①采用反射器技术补偿离子动能分散；②优化离子化条件，减少初始能量和空间分散（如使用脉冲提取技术，延迟离子加速时间）；③延长漂移区长度（但会牺牲灵敏度）；④使用高精度检测器和高速数据采集系统；⑤在真空条件下操作，减少离子与中性分子的碰撞，通过综合优化，现代反射式TOF-MS的分辨率可达50,000以上。
