雙聚焦質譜儀

所謂雙聚焦質量分析器是指分析器同時實現能量（或速度）聚焦和方向聚焦。是由扇形靜電場分析器置於離子源和扇形磁場分析器組成。電場力提供能量聚焦，磁場提供方向聚焦。

基本介紹

• 中文名：雙聚焦質譜儀
• 外文名：double-focusing mass spectrograph
• 類型：電子儀器
• 領域：物理
• 相關：聚焦
• 特點：相對靈敏度和分辨本領都很高

簡介

雙聚焦質譜儀是質譜儀之一。同時備有靜電場離子分析器和磁場質量分析器，因而使儀器同時具能量聚焦和方向聚焦的雙聚焦功能。適用於能量分布不同的離子流的分析，可分辨只有零點幾質量單位差別的兩種粒子，也可檢測原子序數從3～92的所有元素。相對靈敏度和分辨本領都很高，故不但能用作一般質譜分析，而且可以進行能譜分析，研究亞穩態離子及碰撞激活分析等。由於所產生的離子電流極小，因此需放大數倍後才能進行檢測和記錄。缺點是價格較貴，維護困難。

結構與原理

雙聚焦磁質譜儀由一個磁場質量分析器和一個靜電場能量分析器構成。它的主要組成部分為：1.產生離子並加速聚焦的離子源；2.真空系統；3.用於聚焦、偏轉和過濾飛行離子束的磁場質量分析器和靜電場能量分析器；4.收集檢測信號的檢測器。

雙聚焦磁質譜儀結構示意圖

樣品在離子源中被離子化，帶有一個或者幾個電荷，經過離子源的加速聚焦極片的作用，形成具有高速的飛行離子束，通過離子源的狹縫後進入磁場分析器，首先對不同質荷比的樣品離子進行分離，通過質量分析器的離子繼續飛行進入靜電場分析器，對相同質荷比但具有不冋能量的離子進行分離，最後滿足條件的樣品離子通過質譜儀的飛行通道，進入檢測器，檢測器對離子信號進行屯信號的轉換和放大最後顯示出來。質譜儀的整個運行過程，就如上面所述，對檢測器檢測出來的信號在進行一系列的後處理，使得樣品離子的質量數—對應。

單聚焦質譜儀只採用磁場質量分析器，磁場分析器分析原理：以垂直於磁場的方向進入分析室的離子在磁場的洛倫磁力作用下發生偏轉，偏轉半徑隨離子的質量不同而不同。大質量離子的偏轉半徑大於小質量的離子，從而實現了按質量分離，嚴格來講是按質荷比分離。按質荷比分離的離子經過離子接收狹縫，被離子接收器接收，並經放大後記錄下來，這就是磁質譜計對不同質量的物質進行分離並檢測的基本原理。

質譜儀

質譜儀利用運動離子在電場和磁場中偏轉的原理設計的儀器。根據套用範圍，可分為無機質譜儀與有機質譜儀。常用的無機質譜儀有火花源質譜儀、同位素質譜儀；常用的有機質譜儀有單聚焦質譜儀、雙聚焦質譜儀、四極質譜儀和離子阱等。近年來還發展了GC/MS、LC/MS、ICP/MS、MS/MS等聯用儀器。質譜儀由以下幾個主要單元組成；①離子源。使樣品電離產生帶電粒子（離子）束的裝置。用得最廣的電離方法是電子轟擊法，其它還有化學電離、火花電離、場解吸電離和塊原子轟擊電離等，其中場解吸和塊原子轟擊特別適合測定揮發性小和熱不穩定的化合物。②質量分析器。將離子束按質荷比進行分離的裝置。它的結構有單聚焦、雙聚焦、四極矩、離子阱等。③檢測器。經分析器分離的同質量離子可用電子倍增器、照相底板等收集檢測。④計算機系統。完成樣品採集，數據的貯存和計算，多次掃描數據的累加，譜庫檢索等。⑤進樣系統。可分直接注入、氣相色譜、液相色譜、氣體擴散四種方法。⑥高真空系統。質譜儀必須在高真空下才能工作。一般由前級泵（常用機械泵）和油擴散泵或分子渦輪泵等組成，真空度一般要求在10^-7～10^-6毫米汞柱。

歷史與發展

質譜的發展與核物理的早期發展緊密相連，而核物理的早期發展又是建立在真空管氣體放電的技術上。克魯克斯管是從早期用的蓋斯勒管改良而來的，它是一個內部抽成較低氣壓的玻璃管，兩端裝有電極，陰極和陽極之間可以產生10-100千伏的高壓。克魯克斯管運行時的真空比0.1帕斯卡要低得多，這是射線管實驗——特別是陽極射線研究的必備條件。許多基於克魯克斯管的實驗帶來了原子和核物理方面開創性的研究成果。最著名的是在1895年由威廉·康拉德·倫琴發現x射線。不到年之後J.J.湯姆森通過對陰極射線在電場中的偏轉分析和測量了電子的質荷比m/e。他發現了一種質量只有氫原子（當時已知的最輕的原子）的1/1800卻帶有一個單位負電荷的粒子，這是電子的發現。維恩在1898年通過對陽極射線的分析測量了氫原子核的質量，這是首次對質子的測量。

維恩和湯姆森正是質譜法的開創者。1919年，阿斯頓製作了一台全新的質譜儀。1922年，阿斯頓獲得了諾貝爾物理學獎，以表彰它在質譜儀，同位素等方面的貢獻。

隨後，阿斯頓又進一步改進了他的實驗裝置（主要是在材料和工藝上），以測定不同元素的質量，並且發現了元素的相對原子質量與整數的偏差，現在我們知道這是核子結合成原子核時的質量虧損，或者說斂集率造成的，但是阿斯頓是在沒有相關理論的情況下，率先利用質譜儀觀測並且研究這一現象的。

基於阿斯頓質譜儀中聚焦的思想，1934年Mattauch與Herzog進一步發展出了完整的離子束能量和方向的雙聚焦理論，並且能在同一張底片上得到很大範圍的質量譜。這種雙聚焦質譜儀最終以他們的名字命名。

雙聚焦的設計基本成為了之後20年內多數質譜儀的藍本。在這期間，儀器的材料，製造工藝，離子束的製備方法等都有了很大的發展，實驗規模和精度也有了很大提升。質譜儀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鈾的同位素U。還有用來測定材料成分的二次離子質譜法，被套用於古生物學、地球化學和地質學。

到了1960年以後，探測器、加速器、光譜學、電磁學等方面技術有了很大的發展，離子的質量測量出現了許多新的方法，比如RadioFrequencyQuadrupoles（RFQ），重離子加速器結合TOF系統，傅立葉變換譜學，電四極離子陷方法等等，傳統的質譜儀漸漸退出了核物理研究的主流舞台。

然而維恩、湯姆森、鄧普斯特、阿斯頓等等一批偉大的科學家在實驗裝置的設計，思考和解決問題的方法上有很多值得我們借鑑和學習。無論技術和知識背景如何改變，我相信其中一些科學研究的基本思想是我們始終須要秉承的。