质谱仪技术发展与应用

　　质谱分析是先将物质离子化,按离子的质荷比分离,然后测量各种离子谱峰的强度而实现分析目的的一种分析方法。质量是物质的固有特性之一,不同的物质有不同的质量谱——质谱,利用这一性质,可以进行定性分析;谱峰强度也与它代表的化合物含量有关,利用这一点,可以进行定量分析。[1]检测原理[2]:质谱分析仪按照质荷比对物质进行分离。气体分子经过电子轰击而被电离,阳离子以速度v射入磁场,由洛仑兹力公式知,当磁感应强度B的方向与离子的运动速度方向垂直时,带电荷e的运动离子在磁场中所受的作用力为:

　　离子从无磁场空间射入均匀磁场空间后做圆周运动,这时磁场对离子的作用力为向心力,它和离心力相平衡:

　　其中m :离子质量,e:离子电荷,B:磁场强度,r:离子运动半径,v:离子运动速度。利用磁场对运动电荷的作用,对离子按质荷比或质量进行分离,这样,仪器的离子探测系统可以选择出不同种类的气体,根据高稳定的能被测量的质谱可以确定气体混合物的成分[3]。

　　1 产生与发展

　　早期的质谱研究工作是与元素的同位素测定紧密相关的。同位素这个词于1910年第一次使用。第一台质谱仪也是在这一年诞生的。实际上,早在1886年就有人提出了有关同位素的概念。用磁场偏转法分离带电粒子以测定其质量的研究工作也是在1896年取得了成果。这些研究为后来的质谱学工作提供了一定的基础。

　　1910年,英国剑桥卡文迪许实验室的汤姆逊研制出第一台现代意义上的质谱仪器。这台质谱仪的诞生,标志着科学研究的一个新领域一质谱学的开创。1934年诞生的双聚焦质谱仪是质谱学发展的又一个里程碑。在此期间创立的离子光学理论为仪器的研制提供了理论依据。双聚焦仪器大大提高了仪器的分辨率,为精确原子量测定奠定了基础。

　　第二次世界大战期间,质谱进入了实际应用领域。首先是美国的原子弹制造计划,需要大量的U235,使质谱进入了军事科学领域。另外石油工业也将质谱用于定性、定量分析。1943年,第一台商用质谱仪出手给一家石油公司。质谱仪从此进入了工农业生产领域。如汽油分析、人工橡胶、真空检漏等工作都应用质谱仪器作为分析、检测工具,并证明为一种准确、快速的手段。50年代是质谱技术飞速发展的一个时代。在质量分析器方面,高分辨双聚焦仪器性能进一步提高,并出现了四极滤质器、脉冲飞行时间分析器等。离子化手段业增加了。火花离子源和二次离子源业进入实际应用,后来还进行了串联质谱仪研制。特别值得一提的是,气相色谱和质谱联用的成功,从而使得质谱在复杂有机混合物分析方面占有独特的地位。