質譜儀器的構造組成有哪些？
實驗室k / 2019-08-05
質譜儀器是將分子轉化成各種離子，并按正離子與電荷的比例大小將它們分離，同時記錄和顯示這些離子的相對豐度。
質譜儀器主要由進樣系統、離子源、質量分析器及檢測器幾個部分組成。此外，還有真空系統及電源。其方框圖如圖18-1。
進樣系統 質譜儀器對分樣品的物態(tài)沒有什么特殊要求，無論是固體、液體及氣體樣品，只要能汽化，均可進行分析。但對其純度要求很高，對于氣體樣品，因本身就是分子狀態(tài)，可以通過調節(jié)進樣速度，直接進樣送入離子源。液體樣品需要預熱揮發(fā)汽化再進入離子源。然而有機化合物大多數樣品為固體，星現結晶狀態(tài)，蒸氣壓小，揮發(fā)性差，因此需配備特殊裝置，先將樣品在減壓加熱的情況下汽化，然后再進入離子室。
進樣系統分為直接進樣系統、間接進樣系統和分子分離器三類，其中分子分離器(又稱載氣分離器)是與色譜儀聯用時的特殊進樣系統，它的作用是將由色譜儀器流出物中的載氣除去，而只讓樣品組分進入質譜儀器的離子源。
離子源(ion source) 質譜儀器中的離子源是儀器的重要組成部分，與儀器的靈敏度、分辨本領等主要性能指標有密切的關系。離子源的作用是使被分析的物質分子電離成離子(正離子及少量的負離子)，并使正離子加速進入質量分析器，因此具有雙重功能。在多數情況下，離子源還把產生的離子聚合成一定的幾何形狀(矩形或圓形)和一定能量的離子束。
離子源的種類很多，有電子撞擊型、離子撞擊型、表面電離、場致電離、激光電離、化學電離以及其他電離方式的離子源。用于有機質譜計的離子源主要有電子撞擊電離、場致電離及化學電離等。
圖18-2表示結構簡單的電子撞擊型氣體離子源。電子由直熱式陰極f發(fā)射，在電離室a和陰極之間加直流電位Ve，使電子加速進入離子室，轟擊樣品分子使其電離。在陽極T和電離室之間給予適當的電位，使電子通過電離室后到達陽極。柵極G的作用是用以控制進入電離室的電子流。在電離室和加速極之間有電壓Va，其目的是使電離室中的正離子得到加速進入質量分析器。離子排斥極R的作用是改善電離室內的電位分布，可增大離子流強度，減少離子能量的損失。
場致電離離子源結構如圖18-3。屬于冷發(fā)射類型的離子源，在陽極與陰極之間加以穩(wěn)定的直流高電壓(10～20kV)，因此在陽極的尖端附近產生E＝10(8次方)V/cm的強電場，在其作用下，附近的樣品分子中的電子被拉出去，形成了正離子。
目前我國生產的一種質譜計采用慢電子撞擊和場致電離結合型離子源。這種離子源既可獲得電子撞擊質譜，也可獲得場致電離質譜，如圖18-4。
質量分析器(mass analyzer) 質量分析器是質譜計的核心部分，其作用是把經加速后的離子束按照離子質量與電荷比值的大小、在空間的位置、時間的先后或者軌道的穩(wěn)定與否進行分離。如前所述，根據質量分析器的原理不同，分為兩大類型，即靜態(tài)儀器和動態(tài)儀器。
靜態(tài)儀器是利用穩(wěn)定的磁場和電場，按照離子的空間位置進行分離，這一類儀器有單、雙聚焦質譜計。
圖18-5為單聚焦質譜計。在離子源中產生的離子被加速電壓加速后，經由狹縫進入扇形磁場而“色散”，然后通過狹縫被“聚焦”，不同質量的離子便先后到達收集極而被記錄。
磁分析器具有質量色散和方向聚焦的作用，同時還有速度色散的作用，但是不能對不同能量的離子實現聚焦，因此僅采用磁場作為質量分析器的儀聚稱為單聚焦質譜計。
雙聚焦質譜計的質量分析器由兩部分組成，即磁分析器和靜電分析器。
靜電分析器是由兩個同軸圓筒形電極構成的，在正離子分析中，外層帶正電，內層為負電。形成一電場。當加速后的正離子進入靜電場后，受到外層的斥力和內層的吸力。在靜電場的電壓與加速電壓相匹配時，進入靜電場的離子束作弧形運動，在這一過程中受到速度色散和方向聚焦的雙重作用。靜電分析器不能進行質量色散，所以，單一的靜電分析器不能進行質譜分析，而要與磁分析器聯合使用，構成雙聚焦質譜儀器。圖18-6和18-7為二種雙聚焦的示意圖。
實現雙聚焦的基本條件是：①靜電分析器和磁分析器都應分別是方向聚焦系統，因而組成的離子光學系統也具有方向聚焦性能；②靜電分析器所產生的能量色散和磁分析器的質量色散在數值上相等，但方向相反。
我們用飛行時間質譜計及四極質譜計的結構原理來說明動態(tài)儀器。
飛行時間質譜計的質量分析器，其工作原理是獲得能量的離子進入漂移管，在高真空無揚區(qū)空間漂移。不同質量的離子漂移的速度不同，在行經同一距離之后，便先后到達收集器而獲得分離。
這種儀器的最大優(yōu)點在于儀器結構簡單，即不需要磁場，也不需要電場，只要有漂移的空間。同時分析速度快。
四極(quadrupole)質譜計(圖18-8)的分析器為四極濾質器，是由固定在正方形四個角上并絕緣的四根金屬桿(即四根電極)構成。四桿交錯連接成兩對，并加以符號相反的直流電壓(DC)和射頻電壓(RF)。當離子進入四極濾質器后，按照m/e和RF/DC的比值進行振動。當選擇某一比值時，此時只有一個質量數的離子運動的振幅是有限的，它的軌跡也穩(wěn)定，因此能夠完全通過四極濾質器到達接收器。而具有較大周期軌跡的其他離子，它們的振幅按指數規(guī)律隨時間的增加而很快增加，并打到電極上放電消失。因此，由最小值到最大值連續(xù)的改變RF/DC的比值，便可記錄到整個質譜圖。
檢測器 在質譜儀器中，離子源所產生的離子經過質量分析器分離后，到達檢測系統，然后便可根據檢測記錄的離子類型及相對豐度進行質譜分析。
離子的檢測方法大致有以下三種。
1.直接電測法 離子流直接為金屬電極所接收，然后用電學方法加以記錄。
2.二次效應電測法 在離子流接收過程中，使離子引起二次效應，產生二次電子或光子，然后用電學方法加以記錄。
3.光學法 利用感光板使離子在感光板上感光，或引起熒光物質發(fā)光，然后根據黑度或熒光強度來檢測離子流的強度。
離子流僅有10(-10次方)～10(-9次方)A，離子檢測器的一個重要作用就是將這微弱電流加以放大，因此檢測器的靈敏度直接關系到儀器的性能。
真空系統 質譜分析過程中，離子的產生與分離，均是在高度真空狀態(tài)下進行的，只有這樣，才能保證樣品在較低溫度下汽化。離子在運動中有必需的分子自由程，同時，加速電場和倍增器的高電壓以及發(fā)射電子的絲極，也必須在真空狀態(tài)下才能正常工作。對于真空度的要求，一般要達到10(-6次方)～10(-8次方)乇（1乇＝133.322Pa，乇為Torr的譯音）甚至更高。通常的真空系統由旋轉泵及擴散泵串聯組成。近來，較高級的儀器使用渦輪分子泵和濺射離子泵，它們可達到更高的真空度。
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.jpg "簡單的電子撞擊型氣體離子源")
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.jpg "場致電離型和電子撞擊型兩用離子源")
.jpg "扇形磁偏轉質譜計的示意圖")
.jpg "Mattauch-Herzog雙聚焦/Nier-Johnson雙聚焦")
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