四極質(zhì)譜儀的分類及工作原理

  四極質(zhì)譜儀的工作原理

      又稱質(zhì)譜計(jì)[1]（mass spectrometer）。分離和檢測(cè)不同同位素的儀器。即根據(jù)帶電粒子在電磁場(chǎng)中能夠偏轉(zhuǎn)的原理，按物質(zhì)原子、分子或分子碎片的質(zhì)量差異進(jìn)行分離和 檢測(cè)物質(zhì)組成的一類儀器。質(zhì)譜儀以離子源、質(zhì)量分析器和離子檢測(cè)器為核心。離子源是使試樣分子在高真空條件下離子化的裝置。電離后的分子因接受了過多的能 量會(huì)進(jìn)一步碎裂成較小質(zhì)量的多種碎片離子和中性粒子。它們?cè)诩铀匐妶?chǎng)作用下獲取具有相同能量的平均動(dòng)能而進(jìn)入質(zhì)量分析器。質(zhì)量分析器是將同時(shí)進(jìn)入其中的不 同質(zhì)量的離子，按質(zhì)荷比m/z大小分離的裝置。分離后的離子依次進(jìn)入離子檢測(cè)器，采集放大離子信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，繪制成質(zhì)譜圖。離子源、質(zhì)量分析器和離 子檢測(cè)器都各有多種類型。質(zhì)譜儀按應(yīng)用范圍分為同位素質(zhì)譜儀、無機(jī)質(zhì)譜儀和有機(jī)質(zhì)譜儀；按分辨本領(lǐng)分為高分辨、中分辨和低分辨質(zhì)譜儀；按工作原理分為靜態(tài) 儀器和動(dòng)態(tài)儀器。

分離和檢測(cè)不同同位素的儀器。儀器的主要裝置放在真空中。將物質(zhì)氣化、電離成離子束，經(jīng)電壓加速和聚焦，然后通過磁場(chǎng)電場(chǎng) 區(qū)，不同質(zhì)量的離子受到磁場(chǎng)電場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)不同，聚焦在不同的位置，從而獲得不同同位素的質(zhì)量譜。質(zhì)譜方法zui早于1913年由J.J.湯姆孫確定，以后經(jīng) F.W.阿斯頓等人改進(jìn)*。現(xiàn)代質(zhì)譜儀經(jīng)過不斷改進(jìn)，仍然利用電磁學(xué)原理，使離子束按荷質(zhì)比分離。質(zhì)譜儀的性能指標(biāo)是它的分辨率，如果質(zhì)譜儀恰能分辨質(zhì) 量m和m＋Δm，分辨率定義為m／Δm。現(xiàn)代質(zhì)譜儀的分辨率達(dá) 105 ～106 量級(jí)，可測(cè)量原子質(zhì)量到小數(shù)點(diǎn)后7位數(shù)字。

質(zhì)譜儀zui重 要的應(yīng)用是分離同位素并測(cè)定它們的原子質(zhì)量及相對(duì)豐度。測(cè)定原子質(zhì)量的精度超過化學(xué)測(cè)量方法，大約2／3以上的原子的質(zhì)量是用質(zhì)譜方法測(cè)定的。由于質(zhì) 量和能量的當(dāng)量關(guān)系，由此可得到有關(guān)核結(jié)構(gòu)與核結(jié)合能的知識(shí)。對(duì)于可通過礦石中提取的放射性衰變產(chǎn)物元素的分析測(cè)量，可確定礦石的地質(zhì)年代。質(zhì)譜方法還可 用于有機(jī)化學(xué)分析，特別是微量雜質(zhì)分析，測(cè)量分子的分子量，為確定化合物的分子式和分子結(jié)構(gòu)提供可靠的依據(jù)。由于化合物有著像指紋一樣的*質(zhì)譜，質(zhì)譜儀 在工業(yè)生產(chǎn)中也得到廣泛應(yīng)用。

固體火花源質(zhì)譜：對(duì)高純材料進(jìn)行雜質(zhì)分析。可應(yīng)用于半導(dǎo)體材料有色金屬、建材部門;氣體同位素質(zhì)譜：對(duì)穩(wěn)定同位素C、H、N、O、S及放射性同位素Rb、Sr、U、Pb、K、Ar測(cè)定，可應(yīng)用于地質(zhì)石油、醫(yī)學(xué)、環(huán)保、農(nóng)業(yè)等部門

有機(jī)質(zhì)譜儀

有機(jī)質(zhì)譜儀基本工作原理：以電子轟擊或其他的方式使被測(cè)物質(zhì)離子化，形成各種質(zhì)荷比（m/e）的離子，然后利用電磁學(xué)原理使離子按不同的質(zhì)荷比分離并測(cè)量各種離子的強(qiáng)度，從而確定被測(cè)物質(zhì)的分子量和結(jié)構(gòu)。

有機(jī)質(zhì)譜儀主要用于有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)鑒定，它能提供化合物的分子量、元素組成以及官能團(tuán)等結(jié)構(gòu)信息。分為四極桿質(zhì)譜儀、離子阱質(zhì)譜儀、飛行時(shí)間質(zhì)譜儀和磁質(zhì)譜儀等。
有機(jī)質(zhì)譜儀的發(fā)展很重要的方面是與各種聯(lián)用儀（氣相色譜、液相色譜、熱分析等）的使用。它的基本工作原理是：利用一種具有分離技術(shù)的儀器，作為質(zhì)譜儀的"進(jìn)樣器"，將有機(jī)混合物分離成純組分進(jìn)入質(zhì)譜儀，充分發(fā)揮質(zhì)譜儀的分析特長(zhǎng)，為每個(gè)組分提供分子量和分子結(jié)構(gòu)信息。

可廣泛用于有機(jī)化學(xué)、生物學(xué)、地球化學(xué)、核工業(yè)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)學(xué)衛(wèi)生、食品化學(xué)、石油化工等領(lǐng)域以及空間技術(shù)和*工作等特種分析方面。

無機(jī)質(zhì)譜儀

     　無機(jī)質(zhì)譜儀與有機(jī)質(zhì)譜儀工作原理不同的是物質(zhì)離子化的方式不一樣，無機(jī)質(zhì)譜儀是以電感耦合高頻放電 （ICP）或其他的方式使被測(cè)物質(zhì)離子化。

無機(jī)質(zhì)譜儀主要用于無機(jī)元素微量分析和同位素分析等方面。分為火花源質(zhì)譜儀、離子探針質(zhì)譜儀、激光探針質(zhì)譜儀、輝光放電質(zhì)譜儀、電感耦合等離子體質(zhì)譜 儀。火花源質(zhì)譜儀不僅可以進(jìn)行固體樣品的整體分析，而且可以進(jìn)行表面和逐層分析甚至液體分析；激光探針質(zhì)譜儀可進(jìn)行表面和縱深分析；輝光放電質(zhì)譜儀分辨率 高，可進(jìn)行高靈敏度，高精度分析，適用范圍包括元素周期表中絕大多數(shù)元素，分析速度快，便于進(jìn)行固體分析；電感耦合等離子體質(zhì)譜，譜線簡(jiǎn)單易認(rèn)，靈敏度與 測(cè)量精度很高。

質(zhì)譜分析法的特點(diǎn)是測(cè)試速度快，結(jié)果。廣泛用于地質(zhì)學(xué)、礦物學(xué)、地球化學(xué)、核工業(yè)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)學(xué)衛(wèi)生、食品化學(xué)、石油化工等領(lǐng)域以及空間技術(shù)和*工作等特種分析方面。

同位素質(zhì)譜儀

同位素質(zhì)譜分析法的特點(diǎn)是測(cè)試速度快，結(jié)果，樣品用量少（微克量級(jí)）。能測(cè)定元素的同位素比值。廣泛用于核科學(xué)，地質(zhì)年代測(cè)定，同位素稀釋質(zhì)譜分析，同位素示蹤分析。

離子探針

離子探針是用聚焦的一次離子束作為微探針轟擊樣品表面，測(cè)射出原子及分子的二次離子，在磁場(chǎng)中按質(zhì)荷比（m/e）分開，可獲得材料微區(qū)質(zhì)譜圖譜及離子圖 像，再通過分析計(jì)算求得元素的定性和定量信息。測(cè)試前對(duì)不同種類的樣品須作不同制備，離子探針兼有電子探針、火花型質(zhì)譜儀的特點(diǎn)。可以探測(cè)電子探針顯微分 析方法檢測(cè)極限以下的微量元素，研究其局部分布和偏析。可以作為同位素分析。可以分析極薄表面層和表面吸附物，表面分析時(shí)可以進(jìn)行縱向的濃度分析。成像離 子探針適用于許多不同類型的樣品分析，包括金屬樣品、半導(dǎo)體器件、非導(dǎo)體樣品，如高聚物和玻璃產(chǎn)品等。廣泛應(yīng)用于金屬、半導(dǎo)體、催化劑、表面、薄膜等領(lǐng)域 中以及環(huán)保科學(xué)、空間科學(xué)和生物化學(xué)等研究部門。