TOF MS简介

质谱法(MS)是一种基于分子量定量样品中已知/未知分子的分析技术。通过将样品中的元素和/或分子电离成有或没有破碎的气体离子，然后在质量分析仪中分离它们，元素和/或分子的特征是它们的质量电荷比(m/z)，或脉冲的位置，以及相对丰度，或脉冲的振幅，在质谱中。

质谱仪由三个主要部分组成:从被测样品中产生气态离子的离子源，根据其m/z比分离离子的质分析器，以及检测离子和每种离子的相对丰度的离子检测器。检测器的输出是条件和数字化，以产生一个质谱。有几种质谱分析仪具有完全不同的分离不同m/z值离子的策略。(1)图1显示了四重质谱和TOF质谱的主要模块。

在TOF质谱中，由短电离事件形成的离子被静电场加速，使得不同m/z的离子具有相同的动能但不同的速度。然后，离子沿着无场漂移路径行进，以不同的飞行时间到达探测器——较轻的离子在较重的离子到达之前到达，如图2所示。在实践中，由于初始空间分布和加速区域能量(或速度)的差异，相同m/z的一组离子的飞行时间分布形成的脉冲可以窄至几百皮秒(ps)。每个脉冲是多个独立离子到达事件对应的信号的和，通常用半最大值全宽度(FWHM)参数来表征。

探测器，如微通道板(MCP)探测器，检测进入的离子并产生脉冲电流。电流由时间-数字转换器(TDC)或高速ADC记录。虽然TDC可以非常快到几个ps，但它有一个有限的动态范围来记录脉冲的幅度。高速adc可以实现每秒2个或更多千兆采样(GSPS)，具有10位，12位甚至更高的位分辨率，允许精确注册脉冲的时序和幅度。我们将讨论影响TOF MS性能的高速adc的重要规格。

TOF质谱的应用

自20世纪90年代，基质辅助激光解吸和电离(MALDI)技术被发明并商业化以来，TOF质谱获得了极大的兴趣。(2)MALDI技术利用数百ps到几纳秒(ns)的紫外激光脉冲电离基质分子，通常是有机酸，同时使样品分子汽化。在气相中，基质分子将质子转移到样品分子中，使样品分子质子化并成为带电离子。由于基质吸收了大部分激光能量，样品中的分子保持其完整性而不会破碎或分解，使MALDI成为分析生物大分子的最引人注目的电离方法。由于MALDI和TOF质谱之间容易耦合，无限质量范围，高灵敏度和高通量，TOF质谱已成为生物医学研究，药物发现和临床应用的重要工具，其中分析物通常是大分子。

值得注意的是，MALDI TOF MS在临床细菌鉴定中发挥了不可替代的作用，其最快的周转时间为4小时，而传统技术或其他新技术的周转时间为72小时以上。(3)短的周转时间对细菌感染患者的护理和预后至关重要。MALDI TOF MS的其他优点还包括样品制备简单，操作成本低，以及鉴定一些罕见细菌的潜力。随着抗菌素耐药性在全球范围内对人类健康构成重大威胁，MALDI TOF MS成为一种即时护理设备的趋势。

TOF质谱关键参数

TOF MS量化测试样品中不同分析物的能力取决于许多因素，包括样品电离方法的选择、配置、加速和引导离子向离子检测器的电场的定时特性、检测器效率和信号数字化。我们将讨论限于与信号数字化相关的TOF质谱的关键规格，包括质量范围、质量精度、质量分辨率、重复率和灵敏度。

质量范围是指样品中分子的分子量范围，它与加速电压、飞行管长度、采样率和重复率等因素有关。质量范围要求因应用而异。例如，MALDI TOF MS对细菌鉴定测量的核糖体标记物的质量范围为2,000 Da至20,000 Da。

由于质量是根据飞行时间计算的，因此TOF质谱的质量精度主要取决于脉冲时间测量的精度。在实际中，每个脉冲的到达时间是通过将脉冲拟合到高斯函数并找到峰值来计算的。ADC采样率决定了单个脉冲的采样数，对于拟合脉冲至关重要。

质量分辨率是光谱中两个相邻脉冲之间最接近可分辨距离的度量。它通常被定义为离子质量与相应质量脉冲宽度的比值。脉冲宽度的一个典型定义是FWHM。脉冲越窄，质量分辨率越高，这意味着两个分子量相近的离子包之间能更好地区分。虽然通过正交加速和反射器可以显著提高质量分辨率，但ADC采样率和噪声性能也会影响这一关键规格。

在TOF质谱中，质谱是来自许多重复的信号的总和，而不是单一的瞬态信号，它只包括电离、加速和漂移、离子检测和数字化等单一过程。更重要的是，对于具有不同分子量和浓度的多个分子的测试样品，单个电离事件既不能产生所有感兴趣分子的离子，也不能产生与其浓度成正比的比率。求和是一种有效而实用的减小采样误差和提高信噪比的方法。因此，重复率是TOF质谱衡量信噪比和吞吐量的重要实用指标。最新的TOF MS可以实现1 kHz或更快的扫描，这意味着每个瞬态需要1毫秒(MS)或更少。增加ADC采样率可以缩短每次瞬态的持续时间，从而获得更快的重复率。

TOF质谱的灵敏度是检测样品中最低浓度分子的能力。它由许多因素共同决定，如化学背景噪声，所有感兴趣的分子的浓度范围，检测器和ADC的噪声系数和动态范围，以及为最终质谱求和的瞬态数。在实践中，可以通过识别瓶颈因素和/或平衡这些因素来优化系统的灵敏度。

TOF质谱所需ADC规格

低噪声、高速ADC对TOF质谱仪的系统性能至关重要，如前所述，时间测量精度和系统噪声水平是TOF质谱仪的两个重要指标。虽然通过重复测量的总和可以解决系统噪声水平的问题，但时间测量的准确性取决于采样率和高速ADC的孔径抖动。考虑到TOF质谱仪在加速和反射正交的情况下，脉冲可以窄到几百ps，在5 GSPS的采样率下，单个脉冲的采样量很少。当样本拟合到高斯函数时，每个样本都是找到脉冲峰值的关键。因此，采样率和孔径抖动是理想的ADC规格。

灵敏度由系统噪声水平决定，通过重复测量的总和可以提高系统噪声水平。然而，重复的次数限制了仪器的吞吐量。ADC的噪声性能对于实现较少重复的目标灵敏度非常重要。关于ADC的性能，人们常常有一种误解，认为它的信噪比与其位分辨率成正比。采样率为1 GSPS或更高的adc通常使用流水线架构，并具有包括有效位数(ENOB)和噪声密度/噪声系数/信噪比等规格。然而，管道式adc无法实现位分辨率，因为它们存在一些导致噪声的缺点，包括高增益和大带宽运放，以减少误差，电容器失配，以及前端采样保持(S/H)和运放的功耗。ENOB依赖于输入频率和采样率，并通过信噪比和失真比(SNDR)计算。例如，12位AD9081在4 GSPS下具有8位ENOB，输入频率为4500 MHz。ENOB不能很好地衡量ADC噪声性能。噪声密度更接近实际噪声水平，但使用高斯脉冲进行的台架测试保持了ADC噪声性能的基本真实值，从而保持了TOF MS仪器的灵敏度。

低噪声高速模数转换器台架试验

MxFE提供射频adc、数字转换器(dac)、片上数字信号处理和时钟/锁相环(PLL)的智能集成，用于多芯片同步。也可提供仅带高速adc的MxFE部件。为了简化，我们的台架测试使用了AD9082，它集成了adc和dac，如图3所示。利用集成的DAC产生一个窄高斯脉冲串，其频宽为0.5 ns，幅度由数字标度和外部衰减器组合控制。在ADC表征中，高斯脉冲比典型的单音信号更接近质谱中的信号。设置了两个ADC通道用于数字化信号:CH1用于各种幅度的饱和或衰减，通过改变外部衰减器，CH2作为参考信号强度高于90%满量程(FS)而不饱和。在我们的测试中，采样率为6 GSPS，每个脉冲有足够的样本。

进行了三种类型的测试:

• 衰减和饱和测试:以固定的7db衰减器对作为参考的CH2;CH1带8db、9db和10db衰减器对用于衰减情况，3db和1db衰减器对用于饱和情况。

• 弱信号测量高达20 dB衰减:CH2直接连接到DAC输出作为参考，-16 dBFSC缩放;CH1带有10 dB衰减器对，用于32% FS信号和20 dB衰减器对，用于10% FS信号。

• 噪声测量:以固定的7db衰减器对作为参考的CH2;CH1和50 欧姆终止。

对于每个测试，我们获取>10µs数据，并重复数据采集10次以进行再现性检查。我们在MATLAB 中绘制和分析数据。为每个测试用例排列并绘制了10个重复。图4显示了测试中的单个脉冲，其中CH1比CH2低3db。两个通道的10次重复很好地重叠，表明数据采集的高再现性。

AD9082 ADC具有过载保护电路，当输入幅值高于上限时，该电路将被激活。如果保护电路被激活，通常在脉冲下降相位有一个恢复尾，导致在FS处出现一个剪切峰和一个恢复尾。较短的恢复尾对于TOF ms的准确时间和质量测量非常重要。图5显示了饱和(高达6db)或衰减的五种情况的图。6db饱和时有0.4 ns的恢复尾，提示激活保护电路时恢复宽度最小。

为了测试弱输入条件下ADC的性能，我们采集了衰减10 dB和20 dB的信号，如图6所示。信号的清晰迹线为10% FS，或衰减20 dB，表明ADC贡献的噪声最小。

对于ADC噪声本底，CH1与50 欧姆终止器连接，CH2保持在>90% FS，如图7所示。

我们通过绘制直方图并计算其标准差来分析噪声数据，如图8所示。该病例的标准差为0.0025，表明FS时信噪比为52 dB。

为了进一步量化时间测量的准确性和噪声性能，我们将每个脉冲以30 ns窗口中心的峰值进行分割。然后，我们用高斯模型拟合每个脉冲以测量其频宽。我们使用每侧12ns数据，或30ns窗口的24ns数据作为噪声计算的基线。

图9是测试用例的完整采集图，输入为10% FS，放大为单个脉冲，高斯拟合和分割基线。表1列出了均值、实测频宽和计算信噪比。

我们测量了输入从1 dB衰减到20 dB的所有测试用例的FWHM和信噪比。结果总结于表2。结果表明，在不同的输入幅度下，FWHM读数一致，时间测量准确。

讨论与结论

随着MALDI TOF MS作为临床微生物实验室细菌鉴定的标准护理的建立，以及对个性化医疗蛋白质组学的兴趣日益浓厚，MALDI TOF MS预计将在未来几十年继续其在医疗保健领域的增长势头。TOF质谱在生物医学和药物发现研究、食品安全和环境监测方面也有广泛的应用，因为它具有广泛分子量的完整分子的优势。低噪声、高速ADC具有优越的噪声性能和比当前一代TOF质谱仪器中的ADC快3至6倍的采样率，是下一代高性能TOF质谱仪器的关键组成部分。高采样率使得在不牺牲性能的情况下减少TOF质谱仪的占地面积成为可能，因为它可以减少飞行管的长度，从而减少真空系统的负担。更小的占地面积对于点护理应用和TOF MS的各种现场应用非常重要。

AD9082的台架测试存在局限性，包括用于创建低幅度输入(例如1% FS或40 dB衰减)的测试用例的外部衰减器的可用性有限，导致数据反射的阻抗不匹配，以及没有屏蔽电磁干扰的开放空间。测试用例报告的信噪比低于其实际值，因为在噪声计算中没有去除阻抗不匹配引起的基线反射。MxFE评估板以及图形用户界面(GUI)软件可用于更密集的测试。在现场演示的辅助下，详细的说明有助于建立客户评估系统。在经验丰富的应用程序团队的指导下，使用MxFE样本进行原型设计很容易。

实测的频宽比和信噪比表明MxFE adc具有优良的时间精度和噪声性能。市场上MxFE的采样率高达10 GSPS，为设计下一代TOF MS提供了灵活性，具有更好的质量精度和质量分辨率，更高的灵敏度和更小的占地面积。此外，MxFE adc由电源、时钟和驱动器产品支持，有助于确保系统无缝集成和优化。

参考电路

(1)于尔根·h·格罗斯质谱法:教科书，第三版。施普林格,2017年。

(2)伊娃·托雷斯-桑乔，克里斯蒂娜·里尔·罗德里格斯和卡洛斯·加西亚-里斯特拉。“MALDI-TOF质谱在临床微生物学实验室的应用和观点”微生物，第9卷，2021。

(3) Mohammad Y. Ashfaq, Dana A. Da 'na和Mohammad A. Al-Ghouti。“MALDI-TOF质谱在环境细菌鉴定中的应用:综述”，环境管理杂志，Vol. 305, 2022。

(4)夏布里埃，巴斯顿，德朗古，索克纳。“MALDI-TOF质谱和护理点是非洲的破坏性诊断工具”，新微生物和新感染，2018年第26卷。

(5)李振昌。论文题目:提高数字变换器管路的精度和能效。密歇根大学，2010年。