質譜技術是20世紀發展起來的最重要的分析技術之ー，既可用于分析無機元素(包括同位素)，又可用于分析有機小分子，還可用于分析生物大分子，在生命科學、材料科學、環境科學、藥物硏發、食品安全和石油化工等領域發揮著巨大而不可替代的作用。隨著科學技術的發展，質譜的分析能力愈加強大，在方方面面的應用越來越普遍。

氣相色譜-質譜聯用技術兼具氣相色譜的高分離效率和質譜的高選擇性、高靈敏度，是復雜樣品組分分離、定性和定量的有力工具。在氣相色譜-質譜聯用儀器中，氣相色譜作為進樣系統，將樣品組分分離后引入質譜儀器;質譜儀作為檢測器，通過不同離子化方式和質量分析技術，選擇性的檢測目標化合物的特征離子，有效排除基質和雜質峰的干擾，提高檢測靈敏度。

1 質譜儀器原理概述

質譜儀是用來檢測物質含量(定量分析)和鑒定物質類別(定性分析)的儀器。其主要原理是將分析樣品中的待測組分電離成帶電離子;帶電離子在電場或者磁場的作用下進行空間或者時間上的分離;分離后的帶電離子被檢測器檢測，得到包含有不同帶電離子質荷比和相對強度的質譜圖，進而推算出分析樣品中不同組分的分子量。通過質譜圖或者精確的分子量測量，可以對待測組分做定性分析;利用檢測到的離子強度，可以對待測組分做準確的定量分析。

2 使用電子轟擊電離源(EI)的單四極桿質譜儀工作流程及框架

采用一組四極桿(作為質量分析器)對帶電離子進行分離的質譜儀稱為單四極桿質譜儀。

質譜儀的相關部件需要在高真空環境下進行工作。質譜儀對帶電離子進行分離和檢測，為了使產生的帶電離子可以通過各部件到達檢測器，減少離子運動過程中的碰撞和碎裂，需要提供高真空環境使帶電離子在質譜儀內有較高的平均自由程;同時，高真空環境可以避免儀器內部在低氣壓高電壓情況下的放電，免于損壞電路和相關部件;此外，高真空環境也有利于儀器進行調諧等操作。

在保證質譜儀相關部件高真空工作環境前提下，經氣相色譜分離后的待測樣品組分從色譜柱流出，通過傳輸線流入離子源(電子轟擊電離源(EI)，Electron Ionization);電子轟擊電離源(EI)通過燈絲釋放高能電子，在磁場與電場的作用下，化合物分子經過碰撞和誘導等相互作用發生裂解，在推斥極正電壓作用下正離子進入靜電透鏡，并通過靜電透鏡聚焦引入質量分析器(四極桿質量分析器等);四極桿質量分析器在射頻電源的作用下，直流電壓(DC)和射頻電壓(RF)進行疊加，滿足條件的特定質/荷比(mass-to-charge ratio)的離子穩定振蕩通過四極桿到達檢測器(打拿極和電子倍增器等);檢測器中的打拿極與四極桿成90°且在-10000V下工作，通過四極桿的光子、中性粒子等干擾信號被降低，正離子束撞擊打拿極后產生電子進入電子倍增器并產生與接收到的離子數目成正比的信號，電子流經多級放大后輸入到放大電路。放大電路產生的信號經處理后在工作站中顯示。

儀器結構與框架如下(以北京普析通用儀器有限公司M7質譜儀為例)：

在上述框圖中(由下至上)，機械泵和分子泵為儀器工作提供高真空環境，真空規對真空度進行監測：高真空由機械泵和渦輪分子泵串聯完成。機械泵作為前級真空泵先將體系真空度抽到10-1Pa～10-2Pa，然后再由渦輪分子泵繼續抽到高真空。離子源、質量分析器和檢測器的真空度應達(10-3～10-4)Pa。

模擬電路板是模擬信號控制系統，主要功能是電子轟擊電離源(EI)燈絲電流控制，離子源加熱控制，推斥電極、靜電透鏡、電子能量電壓控制等。

測控電路板包括一個接口擴展板和一個指示燈電路板，主要功能是：采集模擬電路輸出的模擬信號，通過模擬/數字轉換器轉換成數字信號，經過預處理后傳輸給計算機;接受計算機的數字信號，經過數字/模擬轉換器轉換成低電壓模擬信號，控制高電壓的模擬電路部件。

射頻電路板由一個射頻電源控制電路板和射頻電源放大電路板組成，主要功能是將直流電壓(DC)和射頻電壓(RF)進行疊加，使滿足條件的特定質/荷比(mass-to-charge ratio)的離子穩定振蕩通過四極桿到達檢測器。射頻電源采用幅度掃描方式，在實現功率放大的同時，又保證了線性度和穩定度。

小信號檢測電路板是高速高精度微弱信號采集系統，主要功能是放大電子倍增器輸出的高速變化微弱電流;通過信號調理電路、高速高精度模擬數字轉換器轉換成數字信號，再經測控系統轉換成計算機可辨視的數據，而完成整個測量的過程。

3 小結

不同廠家單四極桿質譜儀的儀器工作流程及框架大致相同，了解儀器結構和原理，有利于更加深刻和細致的使用和操作儀器，同時也有利于儀器的維護和維修。