[科普中国]-什么是“质谱”和“质谱仪”？

提到“质谱”，可能很多人都感到陌生。“质谱”其实是一种与光谱并列的谱学方法，质谱技术是一种鉴定技术。听起来很高端？确实，国产质谱仪曾被用到南北极科考以及奥运等各种大型国际赛事和科学考察工作中。

质谱仪的来历

19世纪末，物理学家E.Goldstein在一次低压放电实验中发现了正电荷粒子，随后W.Wein观察到带电粒子束会在磁场中发生偏转，也就是物理学中电磁偏转问题的前身，这些观察结果为质谱提供了充足的准备。1912年，世界上第一台质谱仪由英国物理学家约瑟夫· 约翰·汤姆逊研制成功。后来质谱仪被广泛应用于各行各业，由于质谱仪种类非常多，工作原理和应用范围也有很大的不同。目前主要用于进行物质分析，尤其是生物质谱，已经成为现代科学前沿的热点之一。

质谱技术的原理

质谱技术是建立在原子、分子电离以及离子光学理论基础之上的应用技术，通过质谱分析可以获得无机、有机和生物分子的分子量和分子结构，能对多种复杂混合物的各种成分进行定量或者定性分析。

质谱技术其实就是高中物理课本上经典的“带电粒子在磁场中的运动”问题的应用。简单来说，就是把复杂的混合物放在质谱体系中，将其分解为原子、分子，然后将电离注入到电磁场中。由于不同的带电粒子的质量和电荷比例不同，偏转时间也不同，质谱仪可以将这些时间、位置信息转换为光学数据，以质谱图的形式展现出来，复杂混合物的各种组分就得以被直观地观察到。

气体原子和分子受阴极射线电子的激烈撞击后，会形成阳离子，几乎所有原子，甚至包括惰性气体，都可以利用低压放电方式变为气态阳离子，这些阳离子组成了阳射线。具有特定运动初速度的阳离子射线经两个狭缝进入电场中，不同速度的阳离子在电场中的偏转程度不同，速度小的偏转程度大，反之，速度大的偏转程度小；阳离子射出电场进入磁场后也会发生偏转，所以偏转程度由运动的阳离子的质量和电荷比共同决定，即质荷比。质荷比相同的阳离子聚集在照相底片上形成一条短直线影像，不同质荷比阳离子在底片的不同位置留下短直线影像，类似光谱线。又因为这些影像与它们的质量有关，所以被称为质谱，这种检测仪器就叫质谱仪。

质谱仪的用途

随着质谱技术的不断发展，如今功能更加强大的质谱仪已经是涉及数学、电子、光学、化学、纳米、物理、环境等十几门学科的综合仪器。

质谱仪之所以能在“蓝天保卫战”中大显身手，主要是它被用作环境监测领域的在线单颗粒气溶胶质谱仪，能够在几秒内测量出空气中的几百种污染物，几小时便可获得某监测点PM2.5中的汽车尾气占比。如果将这种质谱仪放在一辆车上进行巡航，就能快速绘制出城市污染情况的“地图”。

质谱仪的使用，为人类生活带来了积极的影响，并且随着该领域的不断发展进步，在不久的将来，质谱仪一定会进一步走入人们的视野，为人类做贡献。

本文由中国科学院物理研究所副研究员 罗会仟进行科学性把关。

本作品为“科普中国-科学原理一点通”原创，转载时务请注明出处。