[科普中国]-双聚焦质谱仪

所谓双聚焦质量分析器是指分析器同时实现能量（或速度）聚焦和方向聚焦。是由扇形静电场分析器置于离子源和扇形磁场分析器组成。电场力提供能量聚焦，磁场提供方向聚焦。

简介双聚焦质谱仪是质谱仪之一。同时备有静电场离子分析器和磁场质量分析器，因而使仪器同时具能量聚焦和方向聚焦的双聚焦功能。适用于能量分布不同的离子流的分析，可分辨只有零点几质量单位差别的两种粒子，也可检测原子序数从3～92的所有元素。相对灵敏度和分辨本领都很高，故不但能用作一般质谱分析，而且可以进行能谱分析，研究亚稳态离子及碰撞激活分析等。由于所产生的离子电流极小，因此需放大数倍后才能进行检测和记录。缺点是价格较贵，维护困难1。

结构与原理双聚焦磁质谱仪由一个磁场质量分析器和一个静电场能量分析器构成。它的主要组成部分为：1.产生离子并加速聚焦的离子源；2.真空系统；3.用于聚焦、偏转和过滤飞行离子束的磁场质量分析器和静电场能量分析器；4.收集检测信号的检测器2。

样品在离子源中被离子化，带有一个或者几个电荷，经过离子源的加速聚焦极片的作用，形成具有高速的飞行离子束，通过离子源的狭缝后进入磁场分析器，首先对不同质荷比的样品离子进行分离，通过质量分析器的离子继续飞行进入静电场分析器，对相同质荷比但具有不冋能量的离子进行分离，最后满足条件的样品离子通过质谱仪的飞行通道，进入检测器，检测器对离子信号进行屯信号的转换和放大最后显示出来。质谱仪的整个运行过程，就如上面所述，对检测器检测出来的信号在进行一系列的后处理，使得样品离子的质量数—对应。

单聚焦质谱仪只采用磁场质量分析器，磁场分析器分析原理：以垂直于磁场的方向进入分析室的离子在磁场的洛伦磁力作用下发生偏转，偏转半径随离子的质量不同而不同。大质量离子的偏转半径大于小质量的离子，从而实现了按质量分离，严格来讲是按质荷比分离。按质荷比分离的离子经过离子接收狭缝，被离子接收器接收，并经放大后记录下来，这就是磁质谱计对不同质量的物质进行分离并检测的基本原理2。

质谱仪质谱仪利用运动离子在电场和磁场中偏转的原理设计的仪器。根据应用范围，可分为无机质谱仪与有机质谱仪。常用的无机质谱仪有火花源质谱仪、同位素质谱仪；常用的有机质谱仪有单聚焦质谱仪、双聚焦质谱仪、四极质谱仪和离子阱等。近年来还发展了GC/MS、LC/MS、ICP/MS、MS/MS等联用仪器。质谱仪由以下几个主要单元组成；①离子源。使样品电离产生带电粒子（离子）束的装置。用得最广的电离方法是电子轰击法，其它还有化学电离、火花电离、场解吸电离和块原子轰击电离等，其中场解吸和块原子轰击特别适合测定挥发性小和热不稳定的化合物。②质量分析器。将离子束按质荷比进行分离的装置。它的结构有单聚焦、双聚焦、四极矩、离子阱等。③检测器。经分析器分离的同质量离子可用电子倍增器、照相底板等收集检测。④计算机系统。完成样品采集，数据的贮存和计算，多次扫描数据的累加，谱库检索等。⑤进样系统。可分直接注入、气相色谱、液相色谱、气体扩散四种方法。⑥高真空系统。质谱仪必须在高真空下才能工作。一般由前级泵（常用机械泵）和油扩散泵或分子涡轮泵等组成，真空度一般要求在10-7～10-6毫米汞柱3。

历史与发展质谱的发展与核物理的早期发展紧密相连，而核物理的早期发展又是建立在真空管气体放电的技术上。克鲁克斯管是从早期用的盖斯勒管改良而来的，它是一个内部抽成较低气压的玻璃管，两端装有电极，阴极和阳极之间可以产生10-100千伏的高压。克鲁克斯管运行时的真空比0.1帕斯卡要低得多，这是射线管实验——特别是阳极射线研究的必备条件。许多基于克鲁克斯管的实验带来了原子和核物理方面开创性的研究成果。最著名的是在1895年由威廉·康拉德·伦琴发现x射线。不到年之后J.J.汤姆森通过对阴极射线在电场中的偏转分析和测量了电子的质荷比m/e。他发现了一种质量只有氢原子（当时已知的最轻的原子）的1/1800却带有一个单位负电荷的粒子，这是电子的发现。维恩在1898年通过对阳极射线的分析测量了氢原子核的质量，这是首次对质子的测量。

维恩和汤姆森正是质谱法的开创者。1919年，阿斯顿制作了一台全新的质谱仪。1922年，阿斯顿获得了诺贝尔物理学奖，以表彰它在质谱仪，同位素等方面的贡献。

随后，阿斯顿又进一步改进了他的实验装置（主要是在材料和工艺上），以测定不同元素的质量，并且发现了元素的相对原子质量与整数的偏差，现在我们知道这是核子结合成原子核时的质量亏损，或者说敛集率造成的，但是阿斯顿是在没有相关理论的情况下，率先利用质谱仪观测并且研究这一现象的。

基于阿斯顿质谱仪中聚焦的思想，1934年Mattauch与Herzog进一步发展出了完整的离子束能量和方向的双聚焦理论，并且能在同一张底片上得到很大范围的质量谱。这种双聚焦质谱仪最终以他们的名字命名。

双聚焦的设计基本成为了之后20年内多数质谱仪的蓝本。在这期间，仪器的材料，制造工艺，离子束的制备方法等都有了很大的发展，实验规模和精度也有了很大提升。质谱仪在同位素的研究方面取得了很多成果，最著名的可能是提取出了铀的同位素U。还有用来测定材料成分的二次离子质谱法，被应用于古生物学、地球化学和地质学。

到了1960年以后，探测器、加速器、光谱学、电磁学等方面技术有了很大的发展，离子的质量测量出现了许多新的方法，比如RadioFrequencyQuadrupoles（RFQ），重离子加速器结合TOF系统，傅里叶变换谱学，电四极离子陷方法等等，传统的质谱仪渐渐退出了核物理研究的主流舞台。

然而维恩、汤姆森、邓普斯特、阿斯顿等等一批伟大的科学家在实验装置的设计，思考和解决问题的方法上有很多值得我们借鉴和学习。无论技术和知识背景如何改变，我相信其中一些科学研究的基本思想是我们始终须要秉承的。

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所