Flugzeit (ToF)
Der Massenanalysator, auf den sich dieser Artikel konzentrieren wird, ist die Flugzeit (ToF). Das Prinzip des ToF-Massenanalysators beinhaltet die Trennung von Ionen auf der Grundlage der Zeit, die die Ionen benötigen, um ein Flugrohr mit bekannter Länge zu durchqueren und den Detektor zu erreichen.2 Die Flugbahn der Ionen durch einen ToF-Massenanalysator hängt von ihrem Impuls und ihrer kinetischen Energie aufgrund einer angelegten gepulsten Beschleunigungsspannung und den m/z-Verhältnissen der Ionen ab.2 Auf der Grundlage der klassischen Physik bewegen sich Ionen mit niedrigerem m/z-Wert am schnellsten und erreichen den Detektor zuerst, während sich Ionen mit größerem m/z-Wert am langsamsten bewegen und zuletzt am Detektor ankommen. Ein ToF-Layout ist in Abbildung \(\PageIndex{2}\) dargestellt.
Die folgende Ableitung zur Beschreibung der Dynamik eines ToF-Analysators wurde von Hoffman et al. 2007 übernommen.4 Die Zeit, die die Ionen benötigen, um sich durch die Flugröhre zwischen Ionenquelle und Detektor zu bewegen, ermöglicht die Bestimmung der \(m/z\)-Verhältnisse.4 Im ToF-Spektrum entspricht der aufgezeichnete Peak für ein beliebiges \(m/z\) der Summe der Signale, die mehreren unabhängigen Ionen entsprechen, die am Massendetektor ankommen. Dies lässt sich durch die folgenden Gleichungen veranschaulichen, in denen die potenzielle Energie der Ionen in den beschleunigten Bereichen in kinetische Energie für alle Ionen umgewandelt wird:
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Nun lösen wir die obigen Gleichungen für die Geschwindigkeit \(v\).
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Da die Geschwindigkeit gleich der Länge der Driftstrecke geteilt durch die Zeit ist, erhalten wir:
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Dann lösen wir für die Zeit und erhalten die folgende Gleichung, die zur Beschreibung der Zeit in einem ToF-Analysator verwendet wird.
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Durch algebraische Umformung der obigen Gleichung wird ein Ausdruck für \( m/z\) wie unten gezeigt ermittelt.
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Wir können auch die Massenauflösung für Ionen beschreiben, indem wir die obige Gleichung in Bezug auf Masse und Zeit differenzieren und erhalten die folgende Beziehung:
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Manipuliert man die obige Gleichung, erhält man die folgende Beziehung, die zur Beschreibung der Massenauflösung verwendet wird.
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Einer der Nachteile bei der Verwendung einer linearen ToF ist die schlechte Massenauflösung.4 Faktoren, die eine schlechte Massenauflösung verursachen, sind in Abbildung \(\PageIndex{3}\) dargestellt. Die Startzeiten und Orte der Ionen, bevor sie in das Flugrohr beschleunigt werden, sind unterschiedlich und beeinflussen die Auflösung. Darüber hinaus wirken sich unterschiedliche kinetische Energien der Ionen und die anfängliche Ausrichtung der Ionen ebenfalls auf die Massenauflösung aus und führen zu schlechten Ergebnissen.
Um die schlechte Massenauflösung zu korrigieren, wird dem ToF-Analysator ein Reflektron hinzugefügt. Der Aufbau eines Reflektron-TOF ist in Abbildung \(\PageIndex{4}\) dargestellt. Diese Art von ToF wird manchmal als ReTOF abgekürzt.5
Im Reflektron liegt ein Potential an, das die Ionen in die entgegengesetzte Richtung zum Detektor reflektiert.5 Die in Abbildung \(\PageIndex{4}\) gezeigten Ionen haben ähnliche Abstände, bevor sie im Reflektron ankommen, und nach dem Reflektron sind die Ionen weiter voneinander entfernt. Der Grund dafür liegt in der unterschiedlichen kinetischen Energie der Ionen. Schwerere m/z-Ionen haben mehr kinetische Energie als leichtere m/z-Ionen vor und nach dem Reflektron. Daher brauchen die schwereren Ionen länger, um den Detektor zu erreichen, und die leichteren Ionen erreichen den Detektor am schnellsten. Der Zeitunterschied in der Flugbahn der Ionen ist proportional zum m/z-Wert des Ions. Ein Beispiel für eine verbesserte Massenauflösung ist in Abbildung \(\PageIndex{5}\) dargestellt.
