质谱仪综述：组成、工作原理及离子源技术

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质谱仪（MS）作为一款历史悠久且不断革新的分析仪器，自 1912 年抛物线摄谱仪（详细介绍见文末附录）问世以来，已在物理学、分析化学与法医学等领域广泛应用。本文将为入门读者详细解析质谱仪的组成、工作原理及离子源技术，帮助大家更好地了解这一强大的分析工具。
质谱仪的工作原理

质谱分析的核心在于气相中样品分子的电离与碎裂。当样品分子在离子源中被电离后，会产生具有独特模式的离子碎裂，这些碎裂模式就像分子的“指纹”，能够为我们提供丰富的结构信息。在法医学领域，质谱仪常与气相色谱（GC）或液相色谱（LC）联用，先通过色谱法将样品中的不同化合物分离，再将分离出的化合物依次导入质谱仪进行离子化、分离与检测，从而获得保留时间和质谱信息，为证据分析提供有力支持。
仪器组成

质谱仪主要由真空系统、离子源、质量分析器、离子检测器和数据记录系统五大部件构成。其中，离子源是质谱仪的关键部分之一，负责将样品分子电离成离子；质量分析器则根据离子的质量 - 电荷（m/z）比对离子进行分离；离子检测器用于记录分离后离子的强度；数据记录系统对离子信号进行放大、数字化处理，生成质谱图。而真空系统则为整个过程提供了稳定的环境，防止气相离子与中性分子碰撞，避免灵敏度降低和质谱解释复杂化，其压力可低至 10-9 torr（1.33×10-7 pa）。



图 1.质谱仪组成

样品引入

样品引入质谱仪的方法因样品类型而异，常见的方法有以下几种：

• 直接插入探头 ：适用于相对纯净的固体样品。通过真空互锁系统，将样品直接插入离子源中，使其在离子源中被电离。
  
• 膜接口 ：用于液体或气体样品的持续引入。样品通过膜接口进入离子源，在膜的作用下，样品分子透过膜进入离子源，实现电离。
  
• 大气压离子源 ：样品在大气压下电离，产生的离子通过一系列聚焦透镜转移到质量分析仪。在气相色谱 - 质谱法（GC-MS）和液相色谱 - 质谱法（LC-MS）系统中，样品首先被注入色谱系统，分离成单个化合物后，再转移到质谱仪中进行电离和分析。GC-MS 系统中，毛细管柱的流速与真空系统兼容，色谱柱可通过传输线连接至质谱仪离子源；LC-MS 系统中，大气压电离子源解决高流速问题，离子通过孔道采样进入质量分析器。
  

离子源技术

离子源是质谱仪中负责将样品分子电离成离子的重要部件，不同的离子源技术适用于不同类型的样品和分析需求，常见的离子源技术有以下几种：

• 电子电离（EI）：利用高能电子与样品分子相互作用，使其电离。电子从灯丝发射，经磁场作用以螺旋路径移动，增加与样品分子的相互作用概率。电离后，样品分子形成分子离子和碎片离子，可获得丰富的结构信息，但分子离子可能因碎裂过多而难以检测。
  
• 化学电离（CI） ：借助试剂气体（如甲烷）的离子 - 分子反应电离样品分子。试剂气体先被电子电离，再与样品分子发生质子转移、质子抽取和加合物形成等反应，产生样品的假分子离子，几乎不发生碎裂，是一种 “软” 电离过程，适用于分析易碎裂的分子。
  
• 电喷雾离子化（ESI） ：常用于 LC-MS 系统，通过毛细管和反电极间的电场使液体雾化并带电，溶剂蒸发后产生气相离子。ESI 也是一种 “软” 电离方法，可产生多电荷离子，适合分析大分子、非挥发性分子。
  
• 大气压化学电离（APCI） ：与 ESI 类似，色谱柱流出物经气动雾化器形成喷雾，液滴在加热室中脱溶汽化后，在电晕放电电极上发生电离，通过碰撞将电荷转移到样品分子上，电离效率高，分子离子碎片少。
  

综上所述，质谱仪作为一种强大的分析工具，其组成和工作原理相对复杂，但通过本文的介绍，相信大家对其有了初步的了解。在后续的文章中，我们将继续深入探讨质量分析器以及数据分析的相关内容，帮助大家更全面地掌握质谱仪的知识。
附录：

<hr/>什么是抛物线摄谱仪？
抛物线摄谱仪是质谱仪的早期形式，它在 1912 年被首次报道。这一仪器的出现标志着质谱技术的开端，为后续质谱仪的发展奠定了基础。
工作原理

抛物线摄谱仪的核心工作原理基于带电粒子在电场和磁场中的运动轨迹。当离子在电场和磁场的共同作用下，会沿着特定的轨迹运动，形成抛物线形状的轨迹。通过分析这些轨迹，可以确定离子的质量 - 电荷比（m/z）。
具体来说，离子在电场中受到电场力的作用，同时在磁场中受到洛伦兹力的作用，这两种力的共同作用决定了离子的运动轨迹。通过精确测量离子的轨迹，可以推算出离子的质量 - 电荷比，从而实现对样品中不同离子的分离和鉴定。
结构组成

抛物线摄谱仪主要由以下几个部分组成：

• 离子源 ：用于产生离子。在早期的抛物线摄谱仪中，离子源通常采用简单的电离方法，如电子轰击或电火花等，将样品分子电离成离子。
  
• 电场和磁场系统 ：用于控制离子的运动轨迹。通过施加适当的电场和磁场，使离子在其中运动并形成抛物线轨迹。电场和磁场的强度和方向可以调节，以适应不同质量 - 电荷比的离子。
  
• 检测器 ：用于记录离子的轨迹。在抛物线摄谱仪中，检测器通常是一块感光板或照相底片，离子的轨迹会在上面形成可见的抛物线图案。
  
• 真空系统 ：用于提供一个低真空的环境，以减少离子与空气分子的碰撞，确保离子的运动轨迹不受干扰。
  

历史意义

抛物线摄谱仪的出现具有重要的历史意义。它不仅为科学家提供了一种新的分析工具，而且推动了质谱技术的发展。在当时，抛物线摄谱仪的应用使得科学家能够更深入地研究原子和分子的结构，为化学、物理学等领域的研究提供了重要的技术支持。尽管随着科技的进步，现代质谱仪在性能和功能上有了很大的提升，但抛物线摄谱仪作为质谱技术的先驱，其基本原理和设计理念仍然对现代质谱仪的发展产生着深远的影响。

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