Redigerer Flyvetidsmassespektrometri

[[Fil:TOF-MS_schematic.gif|miniatyr|Laserionisert flyvetidsmessespektrometer hvor ionene er akselerert og separert ved masse]]
[[Fil:Bendix MA-2 Time-of-Flight Mass Spectrometer with female model mg74qm60n 0 cf95jc084.tiff|miniatyr|Bendix MA-2 flyvetidsmassespektrometer fra 1960 tallet]]
'''Flyvetidsmassespektrometri''' ([[engelsk]] Time-of-flight mass spectrometry (TOFMS)) er en metode innenfor [[massespektrometri]] hvor ionets masse-til-ladningsforhold er bestemt på bakgrunn av hvor lang tid ionet bruker på å bevege seg en gitt distanse. Ionene er akselerert ved hjelp av et [[elektrisk felt]] med en gitt styrke.<ref>{{Kilde artikkel|tittel=Proceedings of the American Physical Society|publikasjon=Physical Review|doi=10.1103/PhysRev.69.674|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRev.69.674|dato=1946-06-01|forfattere=Stephens W. E.|etternavn=|serie=11-12|språk=en|bind=69|sider=674–674|issn=0031-899X|besøksdato=2019-04-21}}</ref> Denne akselerasjonen vil resultere i at ionet får samme kinetiske energi som alle andre ioner med samme ladning. Farten til ionet kommer av masse-til-ladningsforholdet (tyngre ioner med samme ladning vil oppnå lavere hastighet). Den tiden det tar for ionet å nå detektoren er en kjent avstand, tiden ionet bruker er avhengig av hastigheten. Fra dette forholdet og kjente eksperimentelle parametre kan en identifisere ionet.

== Teori ==
[[Fil:Stephens TOF.gif|right|300 px|thumb|Figur fra William E. Stephens 1952 TOF patent.<ref>{{Cite patent|US|2847576}}</ref>]]
Den [[Potensiell energi|potensielle energien]] til en [[ladet partikkel]] i et elektrisk felt er relatert til ladningen av partikkelen og styrken til det elektriske feltet:

:<math> E_\mathrm{p} = qU \,</math>

hvor ''E''<sub>p</sub> er potensiell energi, q er ladningen til partikkelen, og U er den elektriske potensialforskjellen (også kjent som spenning).

Når den ladede partikkelen akselereres til flyvetidsrøret (TOF-rør eller flyrør) av spenningen U, omdannes dens potensielle energi til [[kinetisk energi]]. Den kinetiske energien til en hvilken som helst masse er:
:<math>E_\mathrm{k} = \frac{1}{2}mv^{2}</math>

I virkeligheten konverteres den potensielle energien til kinetisk energi, noe som betyr at ligningene ovenfor er like, det vil si:

:<math>E_\mathrm{p} = E_\mathrm{k}\,</math>

:<math>qU = \frac{1}{2}mv^{2}\,</math>

Hastigheten til den ladede partikkelen etter akselerasjon vil ikke endres siden den beveger seg i et feltfritt flyrør. Partikkelens hastighet kan bestemmes i et flyvetidsrør siden lengden på veien (d) for ionets flyging er kjent, og tidspunktet for ionens flyging (t) kan måles ved hjelp av en forbigående digitaliser eller tid til digital omformer.

Dermed,
:<math>v = \frac{d}{t}\,</math>

og vi erstatter verdien av v

:<math>qU = \frac{1}{2}m\left(\frac{d}{t}\right)^{2}\,</math>

Omorganisering ligningen ovenfor slik at flytiden uttrykkes av alt annet:

:<math>t^{2} = \frac{d^{2}}{2U} \frac{m}{q}\,</math>

Ved å ta [[kvadratrot]]en gir tiden,

:<math>t = \frac{d}{\sqrt{2U}} \sqrt{\frac{m}{q}}\,</math>

Disse faktorene for flytiden er gruppert med vilje. <math>\frac{d}{\sqrt{2U}}</math> inneholder konstanter som i prinsippet ikke endrer seg når et sett med ioner analyseres i en enkelt akselerasjonspuls. Ligningen for tiden kan således gis som:

:<math>t = k \sqrt{\frac{m}{q}}\,</math>

hvor ''k'' er en [[proporsjonalitet]]skonstant som representerer faktorer relatert til instrumentinnstillinger og egenskaper.

Denne ligningen avslører tydeligere at flytiden for ionet varierer med kvadratroten av dets [[masse-til-ladningsforhold]] (''m/q'').

Tenk på et eksempel fra den virkelige verden på et [[MALDI|MALDI massespektrometerinstrument]] med flytid som brukes til å produsere et massespektrum av de [[Trypsin|tryptiske]] [[peptid]]ene i et [[protein]]. Anta at massen av ett tryptisk peptid er 1000 [[Atommasseenhet|dalton]] (Da). Den typen ionisering av peptider produsert av MALDI er vanligvis +1 ioner, så q = e i begge tilfeller. Anta at instrumentet er satt til å akselerere ionene i et potensial på U = 15 000 volt (15 kilovolt eller 15 kV). Anta at lengden på flyrøret er 1,5 meter (typisk). Alle faktorene som er nødvendige for å beregne ionenes flygingstid er nå kjent, som først blir evaluert av ionet med masse 1000 Da:

:<math>t = \frac{1.5\;\mathrm{m}}{\sqrt{2 (15 000\;\mathrm{V})}} \sqrt{\frac{(1000\;\mathrm{Da})(1.660538921 \times 10^{-27}\;\mathrm{kg\;Da}^{-1}) }{+1.602 \times 10^{-19}\;\mathrm{C}}}</math>

Merk at massen måtte konverteres fra dalton (Da) til [[kilogram]] (kg) for å gjøre det mulig å evaluere ligningen i de riktige enhetene. Den endelige verdien skal være i [[sekund]]er:

:<math>t = 2.792 \times 10^{-5}\;\mathrm{s}</math>

som er omtrent 28 [[mikrosekund]]er. Hvis det var et enkelt ladet tryptisk peptidion med 4000 Da-masse, og det er fire ganger større enn 1000 Da-massen, ville det ta to ganger tiden, eller omtrent 56 mikrosekunder å krysse flyrøret, siden tiden er proporsjonal med kvadratroten til forholdet mellom masse og ladning.

== Forsinket utvinning ==
[[Oppløsning (massespektrometri)|Masseoppløsningen]] kan forbedres i aksialt [[MALDI]]-TOF massespektrometer der ioneproduksjon finner sted i [[vakuum]] ved å la den innledende utbruddet av ioner og nøytraler produsert av laserpulsen få likevekt og la ionene bevege seg med litt avstand vinkelrett på prøveplaten før ioner kan akselereres i flyrøret. Ionelikevekten i plasmasøylen produsert under desorpsjonen/ioniseringen skjer omtrent 100 ns eller mindre, etter at de fleste ioner uansett masse begynner å bevege seg fra overflaten med en gjennomsnittlig hastighet. For å kompensere for spredningen av denne gjennomsnittlige hastigheten og for å forbedre masseoppløsningen, ble det foreslått å forsinke ekstraksjonen av ioner fra ionekilden mot flyrøret med noen hundre nanosekunder til noen mikrosekunder med hensyn til begynnelsen av en kort (vanligvis, noen få nanosekunder) laserpuls. Denne teknikken blir referert til som "''tidsforsinkelsesfokusering''"<ref>{{Kilde artikkel|tittel=Time‐of‐Flight Mass Spectrometer with Improved Resolution|publikasjon=Review of Scientific Instruments|doi=10.1063/1.1715212|url=http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.1715212|dato=Desember 1955|fornavn=W. C.|etternavn=Wiley|etternavn2=McLaren|fornavn2=I. H.|serie=12|språk=en|bind=26|sider=1150–1157|issn=0034-6748|besøksdato=2021-02-17}}</ref> for ionisering av atomer eller molekyler ved resonansforbedret multifotonionisering eller ved elektronpåvirkningionisering i en fortynnet gass og "forsinket ekstraksjon"<ref>{{Kilde www|url=http://www.jetpletters.ac.ru/ps/1354/article_20454.shtml|tittel=JETP Letters: issues online|besøksdato=2021-02-17|verk=www.jetpletters.ac.ru|arkiv-dato=2015-06-10|arkiv-url=https://web.archive.org/web/20150610232349/http://www.jetpletters.ac.ru/ps/1354/article_20454.shtml|url-status=død}}</ref><ref>{{Kilde artikkel|tittel=Mass Resolution Improvement by Incorporation of Pulsed Ion Extraction in a Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Linear Time-of-Flight Mass Spectrometer|publikasjon=Analytical Chemistry|doi=10.1021/ac00109a015|url=https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ac00109a015|dato=1995-07-01|fornavn=Robert S.|etternavn=Brown|etternavn2=Lennon|fornavn2=John J.|serie=13|språk=en|bind=67|sider=1998–2003|issn=0003-2700|besøksdato=2021-02-17}}</ref> for ioner produsert generelt ved laserdesorpsjon/ionisering av molekyler adsorbert på flate overflater eller mikrokrystaller plassert på ledende flate overflate.

Forsinket ekstraksjon refererer vanligvis til driftsmodus for vakuumionkilder når begynnelsen av det elektriske feltet som er ansvarlig for akselerasjon (ekstraksjon) av ionene i flyrøret er forsinket med en kort tid (200–500 ns) med hensyn til ionisering ( eller desorpsjon/ionisering). Dette skiller seg fra et tilfelle med konstant ekstraksjonsfelt der ionene akselereres øyeblikkelig etter at de er dannet. Forsinket ekstraksjon brukes med MALDI eller laserdesorpsjon/ionisering (LDI) ionekilder der ionene som skal analyseres produseres i en ekspanderende puls som beveger seg fra prøveplaten med høy hastighet (400–1000&nbsp;m/s). Siden tykkelsen på ionepakkene som kommer til detektoren er viktig for masseoppløsningen, kan den ved første øyekast virke kontraintuitiv for å la ioneflukten utvide seg ytterligere før ekstraksjon. Forsinket ekstraksjon er mer en kompensasjon for ionens innledende bevegelsesmengde: det gir de samme ankomsttidene til detektoren for ioner med samme masse-til-ladningsforhold, men med forskjellige starthastigheter.

Ved forsinket ekstraksjon av ioner produsert i vakuum begynner ionene som har lavere bevegelsesmengde i ekstraksjonsretningen å bli akselerert ved høyere potensial på grunn av å være lenger fra ekstraksjonsplaten når ekstraksjonsfeltet er slått på. Omvendt begynner disse ionene med større fremdrift å bli akselerert ved lavere potensial siden de er nærmere ekstraksjonsplaten. Ved utgangen fra akselerasjonsområdet vil de langsommere ionene på baksiden av søylen bli akselerert til større hastighet enn de opprinnelig raskere ionene på fronten av søylen. Så etter forsinket ekstraksjon har en gruppe ioner som forlater ionekilden tidligere lavere hastighet i akselerasjonsretningen sammenlignet med en annen gruppe ioner som forlater ionkilden senere, men med større hastighet. Når ionekildeparametere er riktig justert, fanger den raskere gruppen av ioner opp til den langsommere i en viss avstand fra ionekilden, slik at detektorplaten plassert på denne avstanden oppdager samtidig ankomst av disse gruppene av ioner. På sin måte fungerer den forsinkede anvendelsen av akselerasjonsfeltet som et endimensjonalt flyvetidsfokuseringselement.

== Reflektron ==
[[Fil:Reflectron.jpg|venstre|miniatyr|Et reflektron med to trinn fra et Shimadzu IT-TOF-instrument. De 46 metallplatene bærer spenningene som setter opp en potensiell gradient.]]
[[Fil:TOF-reflectron.png|miniatyr|Reflektron flyvetidsmassepsektrometer skjematisk]]
Den kinetiske energifordelingen i retning av ioneflyging kan korrigeres ved hjelp av en reflektron.<ref>{{Kilde artikkel|tittel=The mass-reflectron, a new nonmagnetic time-of-flight mass spectrometer with high resolution|publikasjon=Soviet Physics JETP|dato=Juli 1973|forfattere=Mamyrin, B. A.; Karataev, V. I.; Shmikk, D. V.; Zagulin, V. A.|hefte=Vol. 37|sider=45|bibcode=1973JETP...37...45M}}</ref><ref>{{Kilde www|url=https://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/biblio?CC=US&NR=4072862&KC=&FT=E&locale=en_EP|tittel=Time-of-flight mass spectrometer|besøksdato=2021-02-17|forfattere=Boris A. Mamyrin|verk=}}</ref> Reflektronen bruker et konstant elektrostatisk felt for å reflektere ionestrålen mot detektoren. De mer energiske ionene trenger dypere inn i reflektronen, og tar en litt lengre vei til detektoren. Mindre energiske ioner av samme masse-til-ladningsforhold trenger en kortere avstand inn i reflektronen og tar tilsvarende en kortere vei til detektoren. Den flate overflaten til ionedetektoren (vanligvis en [[mikrokanalplatedetektor]], MCP) er plassert på et plan der ioner med samme m/z, men med forskjellige energier, ankommer samtidig telles med hensyn til begynnelsen av ekstraksjonspulsen i ionekilden . Et punkt med samtidig ankomst av ioner med samme masse-til-ladnings-forhold, men med forskjellige energier, blir ofte referert til som flyvetidsfokus. En ytterligere fordel med re-TOF-arrangementet er at to ganger flyveien oppnås i en gitt lengde på flyvetidsinstrumentet.

== Ionegating ==
En Bradbury-Nielsen-lukker er en type ioneport som brukes i flyvetidsmassespektrometre og i [[Ionmobilitetsspektrometer|ionmobilitetsspektrometre]], samt [[Hadamard-transformasjon]] av flyvetidsmassespektrometre.<ref>{{Kilde artikkel|tittel=Gate for modulating beam of charged particles and method for making same|url=https://patents.google.com/patent/US6664545B2/en|dato=2002-08-28|språk=en|besøksdato=2021-02-17}}</ref> Bradbury-Nielsen-lukkeren er ideell for hurtig tidsbestemt ionevalg (TIS) - en enhet som brukes til å isolere ioner over smalt masseområde i tandem (TOF/TOF) MALDI-massespektrometre.<ref>{{Kilde artikkel|tittel=Tandem time-of-flight mass spectrometer|url=https://patents.google.com/patent/US6489610B1/en|dato=1999-09-24|språk=en|besøksdato=2021-02-17}}</ref>

== Orthogonal akselerasjon flyvetid ==
[[Fil:ESI TOF.jpg|venstre|miniatyr|Agilent 6210 elektrospray-ionisering ortogonal massespektrometer (høyre) og HPLC (venstre)]]
[[Fil:Orthogonal acceleration TOF.gif|miniatyr|Ortogonal akselerasjonstid for flymassespektrometer skjematisk:<ref>{{Kilde artikkel|tittel=Orthogonal acceleration time-of-flight mass spectrometer|url=https://patents.google.com/patent/US7230234B2/en|dato=2005-07-13|språk=en|besøksdato=2021-02-17}}</ref>  20 - ionekilde; 21 - ionetransport; 22 - flyrør; 23 - isolasjonsventil; 24 - repellerplate; 25 - rutenett; 26 - akselerasjonsregion; 27 - reflektron; 28 - detektor.]]
Kontinuerlige ionekilder (oftest elektrosprayionisering, ESI) blir vanligvis grensesnittet til flyvetidsmasseanalysatoren ved "ortogonal ekstraksjon" der ioner som blir introdusert i flyvetidsmasseanalysatoren, akselereres langs aksen vinkelrett på deres opprinnelige bevegelsesretning. Ortogonal akselerasjon kombinert med kollisjonell ionekjøling gjør det mulig å skille ioneproduksjonen i ionekilden og masseanalyse. I denne teknikken kan veldig høy oppløsning oppnås for ioner produsert i MALDI- eller ESI-kilder. Før du går inn i det ortogonale akselerasjonsområdet eller pulsereren, blir ionene produsert i kontinuerlige (ESI) eller pulserte (MALDI) kilder fokusert (avkjølt) til en stråle med en diameter på 1–2&nbsp;mm ved kollisjoner med en restgass i RF-multipol guide. Et system med elektrostatiske linser montert i høyt vakuumområde før pulsereren gjør strålen parallell for å minimere dens avvik i akselerasjonsretningen. Kombinasjonen av ionekollisjonskjøling og ortogonal akselerasjon flyvetidsmassespektrometeret<ref>{{Kilde artikkel|tittel=Inventor’s Certificate No. 1681340A1|publikasjon=ACS Symposium Series 549|forfattere=A.F. Dodonov, I.V. Chernushevich og V.V. Laiko}}</ref> har gitt betydelig økning i oppløsningen av moderne flyvetidsmassespektrometre fra noen få hundre til flere titusenvis uten å kompromittere følsomheten.

== Tandem flyvetidsmassespektrometer ==
[[Fil:Tandem TOF schematic.gif|miniatyr|I en TOF/TOF akselereres ioner til den første TOF og massen overført til en kollisjonscelle; fragmentioner skilles i den andre TOF.]]
'''Tandem flyvetidsmassespektrometer''' ('''TOF/TOF''') er en [[Tandem massespektrometri|tandem massespektrometri-]]<nowiki/>metode der to flyvetidsmassespektrometre brukes fortløpende.<ref>{{Kilde artikkel|tittel=Tandem mass spectrometry systems based on time-of-flight analyzer|url=https://patents.google.com/patent/US5206508A/en|dato=1991-10-18|språk=en|besøksdato=2021-02-17}}</ref><ref>{{Kilde artikkel|tittel=Tandem time of flight mass spectrometer and method of use|url=https://patents.google.com/patent/US7196324B2/en|dato=2003-04-29|språk=en|besøksdato=2021-02-17}}</ref><ref>{{Kilde artikkel|tittel=The Characteristics of Peptide Collision-Induced Dissociation Using a High-Performance MALDI-TOF/TOF Tandem Mass Spectrometer|publikasjon=Analytical Chemistry|doi=10.1021/ac990809y|url=https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ac990809y|dato=Februar 2000|fornavn=Katalin F.|etternavn=Medzihradszky|etternavn2=Campbell|fornavn2=Jennifer M.|etternavn3=Baldwin|fornavn3=Michael A.|etternavn4=Falick|fornavn4=Arnold M.|etternavn5=Juhasz|fornavn5=Peter|etternavn6=Vestal|fornavn6=Marvin L.|etternavn7=Burlingame|fornavn7=Alma L.|serie=3|språk=en|bind=72|sider=552–558|issn=0003-2700|besøksdato=2021-02-17}}</ref><ref>{{Kilde oppslagsverk|tittel=Tandem Time‐of‐Flight Mass Spectrometry|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0076687905020033|utgiver=Elsevier|oppslagsverk=Methods in Enzymology|dato=2005|besøksdato=2021-02-17|isbn=978-0-12-182807-3|side=79–108|bind=402|doi=10.1016/s0076-6879(05)02003-3|språk=en|fornavn=Marvin L.|etternavn=Vestal}}</ref> For å registrere hele spekteret av forgjenger (foreldre) ioner, fungerer TOF/TOF i MS-modus. I denne modusen velges energien til pulslaseren litt over begynnelsen av MALDI for spesifikk matrise i bruk for å sikre kompromisset mellom et ionutbytte for alle foreldreionene og redusert fragmentering av de samme ionene. Når du opererer i en tandem (MS/MS)-modus, økes laserenergien betydelig over MALDI-terskelen. Det første TOF-massespektrometeret (i utgangspunktet et flyrør som ender opp med den tidsbestemte ionevelgeren) isolerer valgfrie forløperioner ved hjelp av et hastighetsfilter, typisk av Bradbury–Nielsen-typen, og den andre TOF-MS (som inkluderer post akselerator, flyrør, ionespeil og ionedetektor) analyserer fragmentionene. Fragmentioner i MALDI TOF/TOF er et resultat av forfall av forløperioner som er vibrasjonelt begeistret over deres dissosieringsnivå i MALDI-kilde.<ref>{{Kilde artikkel|tittel=Metastable decay of peptides and proteins in matrix-assisted laser-desorption mass spectrometry|publikasjon=Rapid Communications in Mass Spectrometry|doi=10.1002/rcm.1290050412|url=http://doi.wiley.com/10.1002/rcm.1290050412|dato=April 1991|fornavn=Bernhard|etternavn=Spengler|etternavn2=Kirsch|fornavn2=Dieter|etternavn3=Kaufmann|fornavn3=Raimund|etternavn4=Cotter|fornavn4=R. J.|serie=4|språk=en|bind=5|sider=198–202|issn=0951-4198|besøksdato=2021-02-17}}</ref> Ytterligere ionefragmentering implementert i en høyenergisk kollisjonscelle kan tilsettes systemet for å øke dissosieringshastigheten for vibrasjonseksiterte forløperioner. Noen design inkluderer forgjengersignaldempere som en del av andre TOF-MS for å redusere øyeblikkelig strømbelastning på ionedetektoren.

== Referanser ==
<references />

{{Massespektrometri}}

{{Autoritetsdata}}

[[Kategori:Massespektrometri]]