飞行时间质谱仪新技术的进展及应用

病原体快速检测的新方法随着科技的不断进步和创新，病原体快速检测的新方法逐渐崭露头角，为医疗领域带来了革命性的变化。

新技术的应用使得病原体的检测速度大大提高，同时还能保证准确性和可靠性。

本文将介绍最近几年出现的一些新方法，展示它们在病原体检测方面的巨大潜力。

一、基于PCR的技术聚合酶链反应（PCR）是一种常用的病原体检测方法，它能够迅速扩增目标DNA序列并进行定量分析。

近年来，一些改进的PCR技术被应用到病原体的快速检测中，如实时定量PCR（qPCR）和数字PCR （dPCR）。

qPCR技术通过荧光信号的检测，能够实现对病原体DNA定量测定，其灵敏度和准确性显著提高。

相对于传统PCR技术，qPCR的周期数更少，检测时间缩短，同时还能实现多个目标的同时检测。

dPCR技术则是将DNA分割为许多微小的反应区，每个区域中只有一个复制DNA片段。

通过统计每个反应区的阳性和阴性结果，可以精确计算目标DNA的定量含量。

dPCR技术在低浓度目标样本检测中表现出更好的灵敏度和特异性。

二、快速质谱技术质谱技术作为一种高灵敏度的分析方法，近年来在病原体快速检测中得到了广泛应用。

其中，基于飞行时间质谱仪（TOF-MS）和串联质谱仪（MS/MS）的技术更是在病原体检测领域取得了突破性进展。

TOF-MS技术通过将样品中的分子离子加速到一定速度，并测量它们到达飞行时间质谱仪检测器的时间差，从而得到分析物的质量谱图。

该技术具有高通量、高分辨率且快速的特点，可以在几分钟内完成对数百个病原体的同时检测。

MS/MS技术则是通过将质谱仪与多级质谱仪相结合，进一步提高了病原体的检测灵敏度和特异性。

通过选择性地断裂和分离离子对，MS/MS技术能够实现对特定病原体成分的定量和鉴定，大大提高了病原体检测的准确性。

三、纳米技术的应用纳米技术作为一种前沿领域的科技，对病原体的快速检测也带来了新的希望。

近年来，纳米材料和纳米结构被广泛应用于病原体的诊断和监测。

飞行时间质谱仪工作原理以下是关于飞行时间质谱仪工作原理的详细解释：1. 简介飞行时间质谱仪是一种分析质谱法，基于离子在电场中加速并飞行一段时间，再根据离子飞行时间和质量-电荷比确定离子种类和相对丰度。

它具有高分辨率、高灵敏度和宽质量范围等优点，在生物、环境、制药和材料等领域有广泛应用。

2. 工作原理飞行时间质谱仪是由飞行时间池、离子源、荧光屏、探测器等组成的。

离子源会产生离子，通过飞行时间池加速并获得能量，离子在这里先经过一个螺旋状器件，使得离子以螺旋状运动。

这种运动可以让离子散布到一个较大的区域内，增大质量分辨率。

这时离子同时通过一个栅极，使其离开螺旋状轨道并以匀速向前运动。

离子到达荧光屏后，失去能量而产生荧光，并被安装在荧光屏后方的探测器采集。

探测器产生的信号呈现出来自不同质量的离子的秒数—计数率分布。

离子通过飞行时间池加速后的速度和能量与离子的质量成反比，质量大的离子，在相同的加速下加速后获得的能量小，飞行时间长，而质量小的离子相反。

离子在离子源中产生时可以选择某一电荷态，所以离子的质量-电荷比（m/z）可以确定，且离子源不同，分子或离子的电荷也不同。

3. 应用飞行时间质谱仪可以应用于许多不同的领域，例如：蛋白质组学、代谢组学、食品和环境检测、新药研发等。

飞行时间质谱仪可以在生命科学、医疗和化学分析等领域中提供独特的洞察力，从而帮助研究人员更好地了解生命过程，诊断疾病和制药工业研究。

总结：飞行时间质谱仪是一种基于离子在电场中加速并飞行一段时间，再根据离子飞行时间和质量-电荷比确定离子种类和相对丰度的分析质谱法。

它具有高分辨率、高灵敏度和宽质量范围等优点，在生物、环境、制药和材料等领域有广泛应用。

质谱技术名词解释一、质谱技术概述1、质谱技术简介质谱技术是一种通用的分析方法，它可以将化学物质分析成离子，并将其分离、检测和鉴定。

质谱技术可以应用于许多领域，包括化学、生物化学、环境科学、药物研发和食品安全等。

2、质谱仪的基本原理质谱仪是一种科学研究和应用的仪器，它主要由离子源、质量分析器和检测器等三部分组成。

其中，离子源是将分析样品转换成离子的地方，质量分析器是用来分离不同质量的离子的工具，检测器是用来检测和记录分离出来的离子信号的装置。

3、质谱技术的应用范围质谱技术在化学、环境、生命科学等领域都有广泛的应用，例如在药物开发领域中，质谱技术可以通过对化合物进行结构分析、药物代谢和药代动力学等方面的研究，为药物的设计、开发和临床应用提供重要的支持。

在环境科学领域中，质谱技术可用于污染物分析、大气科学、生态学和环境监测等方面的研究。

二、质谱技术基础知识1、质谱分析质谱分析是一种分析物质的方法，它可以将化学物质分离成离子，并将其通过质量分析器进行分离和检测。

质谱分析也可以用于分析分子结构和质量，采用的技术包括质谱成像、高分辨质谱和泵浦探针质谱等。

2、质谱图质谱图反映了物质的结构、组成和化学性质等，通常由两部分组成：质量-电荷比（m/z）和相对强度。

质量-电荷比指离子的质量与电荷之比，是质谱分析中的主要参数，而相对强度则是指相应m/z值上的离子信号相对于总离子信号的百分比。

3、质谱离子的分类根据质谱离子的性质和形成过程，质谱离子可以分为正离子、负离子和中性分子离子等。

其中，正离子通常是通过电离源直接产生的，负离子则是通过化学反应或电子干扰等方式产生的，中性分子离子则通常是通过高温或化学反应等方式形成的。

4、高分辨质谱高分辨质谱是一种可以提高质谱分辨率和灵敏度的质谱技术。

它使用的质量分析器具有更高的分辨率和能量分辨率，能够检测到更小的质量差异和更低的离子信号。

高分辨质谱广泛应用于许多领域，包括药物研发、环境科学和生物医学研究等。

基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱技术
基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱技术（MALDI-TOF MS）是一种常用的质谱技术，它通过激光解吸离子化样品，然后利用飞行时间质谱仪测量离子的质荷比，从而确定样品的分子量和组成。

在MALDI-TOF MS中，样品被均匀地涂在金属靶上，然后使用激光束照射样品，使其产生离子。

这些离子在电场的作用下加速飞行，通过飞行管道到达检测器。

离子的飞行时间与质荷比成正比，因此可以通过测量飞行时间来确定离子的质荷比，从而确定样品的分子量和组成。

MALDI-TOF MS具有高灵敏度、高精度和高通量等优点，被广泛应用于蛋白质组学、代谢组学、生物医药等领域。

它可以用于检测蛋白质、多肽、核酸等生物分子的分子量和组成，还可以用于检测药物和代谢产物的分子量和组成。

总的来说，基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱技术是一种重要的生物分析工具，可以帮助科学家们更好地了解生物分子和药物的作用机制和作用效果。

MALDI- TOF介绍MALDI- TOF的特点及其应用领域基质辅助激光解吸附飞行时间质谱(MALDI- TOF)工作原理是：将样品与能强烈吸收激光的基质配成溶液，溶剂挥发后形成的“固体溶体”进入离子源，激光照射“固体溶体”，基质吸收能量并传递给样品形成离子，样品离子进入飞行时间质谱仪中进行检测。

MALDI- TOF能在短时间内迅速发展，归结于它具有如下特点：(1) 质量检测范围宽(已超过300KD a);(2) 质量的准确度高(达0.01%);(3) 灵敏度(尤其是全质量范围灵敏度) 高，样品量只需1pmol 甚至更少；(4) 对样品要求很低，能忍耐较高浓度的盐，缓冲剂和非挥发性杂质；(5) 分析速度快，分子离子峰强，信息直观。

由于MALDI- TOF的上述优点，MALDI- TOF在测定大分子化合物，尤其是蛋白，核酸，多糖，脂类等生物大分子上是其他质谱所无法代替的。

在蛋白质组学研究，基因组研究以及生物天然药物的开发等领域起到了重要的作用。

进几年来，又在分析有机小分子，有机金属簇化合物，低聚物，元素高分子，光电材料，缩聚反应等上取得重大进展，已逐步发展成为现代化学分析中一项普通实用的，快速高效的检测手段。

1 在蛋白质及蛋白质组学等生命科学研究中的应用MALDI- TOF在多肽和蛋白的分析领域，相对来说已比较成熟，用胰蛋白酶或羧肽酶Y酶解，通过测肽指纹图谱(PMF) 鉴定蛋白，或者通过利用MALDI离子源特有的能生成亚稳态离子，可发生源后裂解(PSD，post source decay) 分析多肽的氨基酸序列，并已有许多成功的例子。

核酸的分析最近取得重要的进展，用Er.YAG激光器(2.94um) 及甘油为基质可观测到含2180个碱基对的DNA的准分子峰，所需样品量为fmol水平。

因此，MALDI- TOF也可用于基因组研究中遗传多样性的分析。

2 在高分子材料研究中的应用目前，在分析合成高分子的手段中，质谱越来越表现出它的重要性。

基质辅助激光解析电离飞⾏时间质谱MALDI-TOF-MS MALDI-TOF-MS（基质辅助激光解析电离飞⾏时间质谱）是近年来发展起来的⼀种新型的简单⾼效软电离⽣物质谱仪。

质谱分析法主要是通过对样品的离⼦的质荷⽐的分析⽽实现对样品进⾏定性和定量的⼀种⽅法。

因此，质谱仪都必须有电离装置把样品电离为离⼦，有质量分析装置把不同质荷⽐的离⼦分开,经检测器检测之后可以得到样品的质谱图，由于有机样品,⽆机样品和同位素样品等具有不同形态、性质和不同的分析要求,所以，所⽤的电离装置、质量分析装置和检测装置有所不同。

但是，不管是哪种类型的质谱仪，其基本组成是相同的。

都包括离⼦源、质量分析器、检测器和真空系统。

以某种⽅式使⼀个有机分⼦电离、裂解，然后按质荷⽐（m/z）⼤⼩把⽣成的各种离⼦分离，检测它们的强度，并将离⼦按其质荷⽐⼤⼩排列成谱，这种分析研究的⽅法叫做质谱图，质谱的最⼤⽤途之⼀是可以测定未知物的分⼦量（质谱能通过检测分⼦离⼦的质荷⽐获得分⼦量），并可以确定化合物的分⼦式（可通过碎⽚离⼦的质荷⽐的强度推测有机物的结构。

这相当于⼀个精巧的花瓶被打碎了，如果我们仔细地收集和归属这些碎⽚，然后将碎⽚拼构起来，就可以使花瓶复原。

花瓶好⽐有机物的分⼦，打碎花瓶犹如使分⼦电离、裂解。

收集和归属碎⽚就像是按质荷⽐分离、记录离⼦。

⽽将碎⽚重拼花瓶的过程，相当于通过解析谱图得到有机物结构的过程。

由于各种有机物都有其特定的、可以重复的质谱图，⽽且⼈们对质谱裂解过程的研究中已经发现了⼀些普遍适⽤的裂解规律，这为质谱⽤于有机物结构分析提供了可靠的基础）。

飞⾏时间质谱仪Time of Flight Mass Spectrometer (TOF) 是⼀种很常⽤的质谱仪。

这种质谱仪的质量分析器是⼀个离⼦漂移管。

由离⼦源产⽣的离⼦加速后进⼊⽆场漂移管，并以恒定速度飞向离⼦接收器。

离⼦质量越⼤，到达接收器所⽤时间越长，离⼦质量越⼩，到达接收器所⽤时间越短，根据这⼀原理，可以把不同质量的离⼦按m/z值⼤⼩进⾏分离。

纳米材料辅助负离子激光解吸电离-飞行时间质谱分析小分子研究进展张晓娜;牛家华;卢明华;蔡宗苇【摘要】基质辅助激光解吸电离-飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)作为一种软电离质谱技术,目前已被广泛用于蛋白质、多肽、核酸、聚合物等大分子分析.由于传统有机化合物基质在低相对分子质量(小于700 Da)区域的干扰,该技术在小分子物质分析方面受到很大限制.为克服传统有机化合物基质在低相对分子质量区域的干扰,近年来以纳米材料为代表的无机基质材料备受关注.相对传统有机化合物基质或纳米材料正离子模式,基于纳米材料的负离子激光解吸电离(LDI)有效避免了正离子模式下一种化合物会产生多种加合物的问题,具有图谱简单易于解析、灵敏度高、重现性好等优点.该文综述了近5年来纳米材料负离子LDI-TOF MS技术在小分子分析方面的研究进展,以期拓展该技术在小分子分析方面的应用.【期刊名称】《色谱》【年(卷),期】2016(034)011【总页数】5页(P1017-1021)【关键词】纳米材料;激光解吸电离;飞行时间质谱;小分子;综述【作者】张晓娜;牛家华;卢明华;蔡宗苇【作者单位】河南大学化学化工学院,河南开封475004;河南大学化学化工学院,河南开封475004;河南大学化学化工学院,河南开封475004;环境与生物分析国家重点实验室,香港浸会大学化学系,香港999077【正文语种】中文【中图分类】O658基质辅助激光解吸电离-飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)作为一种软电离质谱技术,目前已被广泛用于蛋白质、多肽、核酸、聚合物等大分子分析。

由于具有分析速度快、灵敏度高、样品需求量少、样品制备简单和对样品纯度要求不高等优点,该技术已成为现代分析特别是生物分析领域不可或缺的研究工具。

传统MALDI-TOF MS中常用的基质是有机小分子化合物(例如2,5-二羟基苯甲酸(DHB)、芥子酸(SA)、α-氰基-4-羟基肉桂酸(CHCA)等),基质与被分析物形成共结晶,通过在分析过程中吸收激光能量再传递给被分析物的形式激发被分析物。

飞行时间质谱测序原理
飞行时间质谱测序（Time-of-Flight Mass Spectrometry Sequencing）是一种质谱测序技术，其原理主要基于飞行时间与离子的质量-电荷比（m/z）成反比关系。

在飞行时间质谱测序中，离子首先会被加速，使其具有相同的初速度。

然后，这些离子被注入到一个飞行时间质谱仪中。

在仪器中，离子通过一个磁场区域，该区域使离子按照它们的质量-电荷比进行偏转。

离子进入飞行管道后，它们会在该管道中以恒定的速度前进，直到达到一个检测器。

这个检测器能够测量离子到达的时间，并将这些时间与离子的质量-电荷比进行关联。

通过测量离子飞行时间，可以计算出离子的质量-电荷比。

在测定了一组离子的质量-电荷比后，可以根据离子的质量顺序来推断基因序列。

飞行时间质谱测序技术具有高分辨率、高灵敏度和高通量的优点。

它能够实现快速而准确地测定DNA、RNA和蛋白质的序列，对于基因组研究、蛋白质组学研究以及临床诊断领域具有广泛的应用前景。

飞行时间质谱仪工作原理
飞行时间质谱仪的原理是测量离子从离子源到达检测器的时间。

这个过程包括在离子源中产生离子束，然后加速并测量它们从离子源至检测器的时间。

其间有一漂移管，通常长约2m，如下面公式所示。

所有离子在加速区接受相同的动能，但是它们的质量不同，因而速度有差异，通过漂移管到达检测器的时间(TOF)也就不同。

因此有：
可见，较轻的离子具较高的速度，而较重的离子速度较慢。

如果离子源至检测器的距离离L，则
显然，离子的m/z值克由其到达检测器的时间所确定。

飞行时间质谱仪的扫描速度快，记录一张质谱所需的时间以微秒计。

这种仪器的质量范围宽，可以测定m/z10000以上的离子。

飞行时间质谱仪原理
飞行时间质谱仪是一种基于质荷比对粒子进行分析的仪器。

它利用粒子在电场和磁场中运动的速度差异，实现对质荷比进行测量。

其工作原理可以概括为以下几个步骤：
1. 粒子源：飞行时间质谱仪中用于产生待测粒子的粒子源。

常见的粒子源包括离子源、中性原子源等。

这些粒子在经过适当的加速器或激发器后会成为高速运动的粒子束。

2. 加速器：粒子源后面通常有一个加速器，用于给待测粒子束加速，使其达到一定的能量和速度，以便在后续的分析过程中有足够的速度差异。

3. 飞行管：待测粒子束进入飞行管，它是一个长而具有高真空的管道。

在管道中，待测粒子束受到恒定的电场和磁场的作用，电场使其加速，磁场使其偏转。

由于不同质荷比的粒子受到电场和磁场的影响不同，它们在飞行管中的轨迹也会有所不同。

4. 探测器：飞行时间质谱仪的探测器位于飞行管的末端。

它可以用于记录粒子束到达的时间，并且可以区分不同的粒子。

当待测粒子到达探测器时，探测器会输出一个电信号，记录下到达时间。

5. 数据处理：通过测量到达时间、使用粒子的速度、飞行距离等信息，可以计算出粒子的飞行时间。

将飞行时间与待测粒子
的质量和电荷进行相关联，就可以得到粒子的质荷比。

总之，飞行时间质谱仪利用粒子在电场和磁场中的运动差异，测量粒子的飞行时间，并通过计算得到粒子的质荷比，从而实现对粒子的分析和鉴定。

飞行时间二次离子质谱法飞行时间二次离子质谱法（Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry, TOF-SIMS）是一种表面分析技术，广泛应用于固体材料、生物医学和环境科学等领域。

它通过用离子束轰击样品表面，将产生的次级离子进行质量分析，从而获得样品表面的化学组成和结构信息。

TOF-SIMS的核心是飞行时间质谱仪。

首先，通过离子枪发射一个能量较高的离子束轰击样品表面，这些离子在表面与原子和分子碰撞后会产生次级离子。

然后，次级离子在电场的作用下进入离子镜，经过倍增器或聚焦器进行加速和聚焦，最终进入飞行时间质谱仪的飞行管道中。

在飞行时间质谱仪中，离子束经过一个称为飞行管道（Flight Tube）的区域，在其中离子在负电场的作用下以特定的速度向前飞行。

TOF-SIMS中最重要的一个步骤就是测量离子在飞行过程中所用的时间。

这是通过飞行管道两端的闸门电压来实现的。

当离子进入飞行管道后，先关闭前端的闸门，然后在离子经过飞行管道后立即关闭后端的闸门。

测量两个闸门关闭时离子通过飞行管道所用的时间，就可以得到离子的飞行时间。

使用TOF-SIMS进行表面分析的一个关键是选择合适的离子束参数。

通常使用高能量的离子束能量可以提供更大的穿透深度，但也容易引起样品表面的熔融和溅射现象。

离子束轰击引起的样品表面分子的质量损失和碎裂也会导致部分信息的丢失。

因此，要获得准确的表面成分分析结果，需要针对具体的样品和分析目标选择合适的离子束参数。

TOF-SIMS不仅可以提供元素的分析信息，还可以提供更详细的化学信息。

通过检测和分析次级离子的质谱图谱，可以获得样品的化学成分、分子结构、有机物分子等的信息。

此外，TOF-SIMS还具有高空间分辨率的优势，可以在微米甚至纳米尺度下获得表面化学成分分布的信息。

TOF-SIMS在材料科学研究中广泛应用。

它可以用于研究材料的表面化学组成、界面反应、各向异性等性质。

飞行时间质谱仪技术综述王茜娟飞行时间质谱仪（TOFMS）通过离子在一定距离真空无场区内按不同质荷比以不同时间到达检测器，从而建立质谱图。

其工作原理为一组质荷比不同的离子沿Y方向（设离子在X方向上的初始动能为零）先进入由堆斥板（Repeller）和G1之间的无场区，在堆斥板上加正脉冲电压（对正离子而言），离子就会朝X方向运动，进入G1后再被G1和G2形成的静电加速场加速到一定动能K，然后凭惯性在进入一段长L的无场区自由飞行。

飞行时间质谱仪较其他质谱仪具有灵敏度好、分辨率高、分析速度快、质量检测上限只受离子检测器限制等优点，再配合电喷雾离子源、基体辅助激光解析离子源、大气压化学电离源等离子源，成为当今最有发展前景的质谱仪。

现已广泛应用与化学、生物学和环境科学等领域。

二、专利技术发展路线针对飞行时间质谱仪仪器及其应用两个方面进行专利技术发展路线分析。

1.飞行时间质谱仪仪器的发展飞行时间质谱仪的离子源、加速电极、离子反射器、解离装置等都涉及到其分辨率、灵敏度和稳定性等方面，因此对这些方面的优化尤为重要。

株式会社岛津制作所的飞行时间质谱仪（CN85104052A），离子发射装置利用脉冲激光束产生离子，分析器管有多个相互以等间距同轴固定的环状电极，分析器管中的电场取决于该管中离子运动方向的反方向，且电场强度正比于离子产生位置与分析器管之间的距离，作用于离子的力与其距离成反比，离子的运动标线为像单摆一样具有一定周期的简谐振荡，使得离子飞行时间不再依赖于离子的初始能量；离子检测装置检测从管内返回并飞出管内的离子。

中国科学院大连化学物理研究所提出一种飞行时间质谱仪中真空紫外灯电离装置（CN101063673A），该发明利用金属的光电效应，使VUV光直接照射在金属表面，利用弱电场加速光电效应产生的电子轰击样品分子进行电离，有效提高了光子的利用效率使得灵敏度进一步提高，被加速的电子可以电离原来VUV灯不能电离的化合物，比如氮气和氧气，控制加速电离的能量也可以实现软电离，从而使得到的谱图中均是分子离子峰，谱图简单可以根据分子量进行快速定性或者定量分析。