質譜儀的來歷
19世紀末，物理學家E.Goldstein在一次低壓放電實驗中發現了正電荷粒子，隨后W.Wein觀察到帶電粒子束會在磁場中發生偏轉，也就是物理學中電磁偏轉問題的前身，這些觀察結果為質譜提供了充足的準備。1912年，世界上第一臺質譜儀由英國物理學家約瑟夫· 約翰·湯姆遜研制成功。后來質譜儀被廣泛應用于各行各業，由于質譜儀種類非常多，工作原理和應用范圍也有很大的不同。目前主要用于進行物質分析，尤其是生物質譜，已經成為現代科學前沿的熱點之一。
質譜技術的原理
質譜技術是建立在原子、分子電離以及離子光學理論基礎之上的應用技術，通過質譜分析可以獲得無機、有機和生物分子的分子量和分子結構，能對多種復雜混合物的各種成分進行定量或者定性分析。
質譜技術其實就是高中物理課本上經典的“帶電粒子在磁場中的運動”問題的應用。簡單來說，就是把復雜的混合物放在質譜體系中，將其分解為原子、分子，然后將電離注入到電磁場中。由于不同的帶電粒子的質量和電荷比例不同，偏轉時間也不同，質譜儀可以將這些時間、位置信息轉換為光學數據，以質譜圖的形式展現出來，復雜混合物的各種組分就得以被直觀地觀察到。
氣體原子和分子受陰極射線電子的激烈撞擊后，會形成陽離子，幾乎所有原子，甚至包括惰性氣體，都可以利用低壓放電方式變為氣態陽離子，這些陽離子組成了陽射線。具有特定運動初速度的陽離子射線經兩個狹縫進入電場中，不同速度的陽離子在電場中的偏轉程度不同，速度小的偏轉程度大，反之，速度大的偏轉程度小;陽離子射出電場進入磁場后也會發生偏轉，所以偏轉程度由運動的陽離子的質量和電荷比共同決定，即質荷比。質荷比相同的陽離子聚集在照相底片上形成一條短直線影像，不同質荷比陽離子在底片的不同位置留下短直線影像，類似光譜線。又因為這些影像與它們的質量有關，所以被稱為質譜，這種檢測儀器就叫質譜儀。
質譜儀的用途
隨著質譜技術的不斷發展，如今功能更加強大的質譜儀已經是涉及數學、電子、光學、化學、納米、物理、環境等十幾門學科的綜合儀器。
質譜儀之所以能在“藍天保衛戰”中大顯身手，主要是它被用作環境監測領域的在線單顆粒氣溶膠質譜儀，能夠在幾秒內測量出空氣中的幾百種污染物，幾小時便可獲得某監測點PM2.5中的汽車尾氣占比。如果將這種質譜儀放在一輛車上進行巡航，就能快速繪制出城市污染情況的“地圖”。
質譜儀的使用，為人類生活帶來了積極的影響，并且隨著該領域的不斷發展進步，在不久的將來，質譜儀一定會進一步走入人們的視野，為人類做貢獻。
本文由中國科學院物理研究所副研究員 羅會仟進行科學性把關。
