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飛行時間質譜的質量分析器是一個離子漂移管。由離子源產生的離子首先被收集。在收集器中所有離子速度變為0。使用一個脈沖電場加速后進入無場漂移管，并以恒定速度飛向離子接收器。離子質量越大，到達接收器所用時間越長;離子質量越小，到達接收器所用時間越短，
在線性檢測器前面的加上一組靜電場反射鏡，將自由飛行中的離子反推回去，初始能量大的離子由于初始速度快，進入靜電場反射鏡的距離長，返回時的路程也就長，初始能量小的離子返回時的路程短，這樣就會在返回路程的一定位置聚焦，從而改善了儀器的分辨能力。這種帶有靜電場反射鏡的飛行時間質譜儀被稱為反射式飛行時間質譜儀。
飛行時間質譜的離子化過程
化學電離質譜
化學電離質譜是大氣領域中一種常見的軟電離手段。使用化學電離的好處是不會產生離子碎片，并可在線進樣實時分析。目前大氣化學領域采用的試劑，硝酸、乙醇、水最為常見。跟其他電離方法相比，化學電離質譜選擇性很高。比如說，質子轉移反應發生需要特定的條件，這些離子化手段稱為質子轉移。其中，水的親核能為707kJ/mol，而乙醇為770kJ/mol。這樣的能量差距，讓以水合離子為反應物的PTR-MS質譜儀檢測大部分有機物，而以乙醇或者氨氣為反應物的質譜儀特定的檢測具有更高親核性的胺類。化學電離質譜因為選擇性強，電離過程快，可以用于定量分析 。
電子電離
電子電離是一種強電離手段，這種方法區別于軟電離，而是一種強電離手段。使用鎢絲產生電子，再由電子束直接轟擊樣本。這種方法的好處是，電離效率較高。壞處是會產生很多碎片。通過這些碎片來分析樣本中的成分。 然而這種方法，在使用單質作為樣本時，可以獲得詳細的樣本信息，當樣本成為混合物，比如大氣的觀測，這種方法只能做到定性的分析出硫酸根，硝酸根，有機物，無法定量。
無電離
大氣中存在大量的分子離子，基于質譜儀的電荷選擇原理，這些已經自身帶電的分子離子可以直接送入質量選擇器中。于是一種叫做常壓耦合的方法就產生了。 這種沒有離子源的質譜通過直接對離子進行篩選，獲得離子的組分。
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