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飞行时间质谱的质量分析器是一个离子漂移管。由离子源产生的离子首先被收集。在收集器中所有离子速度变为0。使用一个脉冲电场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，
在线性检测器前面的加上一组静电场反射镜，将自由飞行中的离子反推回去，初始能量大的离子由于初始速度快，进入静电场反射镜的距离长，返回时的路程也就长，初始能量小的离子返回时的路程短，这样就会在返回路程的一定位置聚焦，从而改善了仪器的分辨能力。这种带有静电场反射镜的飞行时间质谱仪被称为反射式飞行时间质谱仪。
飞行时间质谱的离子化过程
化学电离质谱
化学电离质谱是大气领域中一种常见的软电离手段。使用化学电离的好处是不会产生离子碎片，并可在线进样实时分析。目前大气化学领域采用的试剂，硝酸、乙醇、水最为常见。跟其他电离方法相比，化学电离质谱选择性很高。比如说，质子转移反应发生需要特定的条件，这些离子化手段称为质子转移。其中，水的亲核能为707kJ/mol，而乙醇为770kJ/mol。这样的能量差距，让以水合离子为反应物的PTR-MS质谱仪检测大部分有机物，而以乙醇或者氨气为反应物的质谱仪特定的检测具有更高亲核性的胺类。化学电离质谱因为选择性强，电离过程快，可以用于定量分析 。
电子电离
电子电离是一种强电离手段，这种方法区别于软电离，而是一种强电离手段。使用钨丝产生电子，再由电子束直接轰击样本。这种方法的好处是，电离效率较高。坏处是会产生很多碎片。通过这些碎片来分析样本中的成分。 然而这种方法，在使用单质作为样本时，可以获得详细的样本信息，当样本成为混合物，比如大气的观测，这种方法只能做到定性的分析出硫酸根，硝酸根，有机物，无法定量。
无电离
大气中存在大量的分子离子，基于质谱仪的电荷选择原理，这些已经自身带电的分子离子可以直接送入质量选择器中。于是一种叫做常压耦合的方法就产生了。 这种没有离子源的质谱通过直接对离子进行筛选，获得离子的组分。
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