质谱仪包括进样系统、离子源、质量分析器、离子检测器及记录器几大部分，其基本结构如图10-1所示。

图10-1质谱仪的基本结构图

一.进样系统

质谱仪只能分析、检测气相中的离子，不同性质的样品往往要求不同的电离技术和相应的进样方式。商品仪器一般配备以下进样系统，供测定不同样品时选用。

1．储罐进样

这个系统主要包括储气室、加热器、真空连接系统及一个通过分子漏孔将样品导入离子源的接口。气体和液体样品在不需要进一步分离时可以通过这种方式进样，足够的样品量可以在较长时间内（>30min)给离子源提供较稳定的样品源。

2．探头进样

质谱实验室经常要为合成工作者送来的“纯”固体或高沸点液体提供质谱数据。通常这些样品的蒸气压低或热稳定性差，只能通过探头引入离子源中。

采用直接插入探头进样的样品需要满足以下三个条件：①样品在离子源中电离之前必须气化；②在气化过程中样品不发生或少发生热分解；③样品能在离子源中维持一定的蒸气压。

3．色谱进样

一般多组分混合物所测得的质谱数据因多而杂乱往往给分析者带来较多的麻烦。如果借助色谱的高效分离特性，再经质谱仪分析可以获得较理想的结果，在一定程度上能够逐一鉴定混合物的组成。毛细管柱气相色谱由于载气流量很小，与质谱的联用很简单，把色谱柱的出口直接插入质谱仪的离子源中即可。液相色谱与质谱的联用经历了相当艰难的摸索，现在已有十分理想的接口。目前商品化质谱仪普遍采用的有大气压化学电离和大气压电喷雾电离两种方式。

二.电离方式和离子源

待测样品经离子源作用后电离成离子，不同性质的样品可能需要不同的电离方式才能获得较好的电离效果。特别是近几十年来，更多的新型生物大分子被入们发现和合成出来，单一的质谱（离子源）很难将它们准确分析出来。因此，新型的离子源也逐渐被研制出来满足对物质更高、更准确的分析。下面介绍几种最主要的电离方式及相应的离子源结构。

1.电子轰击电离

电子轰击（electron impact, El）电离源是有机质谱仪中应用最多且最广泛的离子源，也是气相色谱-质谱联用最常见的离子源。它的离子化方式是使用一定能量的电子直接轰击待测样品分子。图10-2是典型El电离源的结构示意图。用钨或铼制成的灯丝在高真空中被电流炽热，发射出电子。在电离盒与灯丝之间加一电压（正端在电离盒上），这个电压被称为电离电压（即电子能量），通过改变灯丝和电离盒之间的电位可以改变电离电压。而在该电压的作用下，电子能够加速通过入口狭缝进入电离区。带测样品经气化后在电离区与电子相互作用，从而使一些样品分子获得足够能量丢失一个电子形成带电荷的正离子。因此，电子轰击电离源要求被测有机样品必须能够气化，不能气化或气化时发生分解的样品不能够使用El电离源。

图10-2电子轰击电离源的结构

在永久磁铁的磁场作用下，电子束在电离区做螺旋运动，增大与中性分子的碰撞概率，从而使电离效率提高。

有机化合物的电离能在10eV左右。当大于这一能量的电子轰击时，样品分子获得很大能量，电离发生后还可能进一步碎裂。大多数El质谱图集或数据库收录在70eV下获得的质谱图中，在这个能量下，灵敏度接近最大值，而且分子电离
的破碎不受电子能量的细小变化的影响。

El电离源电离效率高，能量分散小，这保证了质谱仪的高灵敏度和高分辨率。

2．化学电离

在电子轰击电离中，样品分子与具有一定能量的电子直接作用，产生分子离子，而有些化合物的分子离子热力学能高，很不稳定。这使得一些化合物的分子离子信号变得很弱，甚至检测不到。化学电离（chemical ionization, CI）源是通过引入外来的试剂气，利用反应气体的离子和待测有机样品的分子发生分子-离子反应而生成样品分子离子的一种“软”电离方法，能够有效地避免分子离子的进一步裂解，所得的质谱图中分子离子峰和准分子离子峰强度较强。

化学电离源在结构上与El源没有太大差别，只是化学电离源的电离盒具有较好的密封性。

化学电离可以使用多种不同的单一或混合试剂气。不同试剂气的反应离子不同，与样品的离子-分子反应可能是电荷交换、质子转移或氢负离子转移。整个CI电离过程与El源相比，有机样品碎片离子峰较少，相对较容易得到被测样品分子的分子质量。对于使用最普遍的甲烷试剂气，下列离子-分子反应可给出其优势反应离子CH₃⁺和C₂H₅⁺。

CH₄⁺·→CH₃⁺+H·

CH₄⁺·+CH₄→CH₅⁺+CH₃·

CH₃⁺+CH₄→C₂H₅⁺+H₂

这两个离子的共轭碱（CH₄和C₂H₄）的低质子亲和力使其成为良好的质子供给体，样品分子M获取质子生成MH⁺离子。

M+CH₅⁺→MH⁺+CH₄

M+C₂H₅⁺→MH⁺+C₂H₄

如果样品分子的质子亲和力更低，其他离子-分子反应可能发生。例如，

C_nH_2n+2+CH₅⁺→[C_nH_2n+1]⁺+CH₄+H₂

3．大气压化学电离

气相中放热的质子转移反应的速率常数接近于碰撞速率常数，因此化学电离能够高效地产生离子。在大气压下，化学电离反应的速率更大，电离效率更高。

较早的一种大气压化学电离（atmospheric pressure chemical ionization, APCI)源由一个小体积(1 cm³）的电离盒通过一个微孔（～25um）与质量分析器相连，样品（如色谱的流出物）进入电离盒中受⁶³Ni的β射线辐射发生电离。这种设计所允许的载气流速为10～100mL/min。电离过程在大气压下进行，色谱的流动相起着试剂气的作用。由于体积小，离子源一直处于加热中，这样可以减少源壁上的吸附。

另一种设计采用的是电晕放电电离，电离源结构如图10-3所示。电离室没有严格界定的边缘，电离区由点晕点到取样微孔，体积相对较大。高抽速的真空泵可以维持分析室的真空，取样微孔的孔径也增大至100um，所允许的载气流速可高达9L/s。大气电离的一个干扰是溶剂分子（如水）与样品分子形成簇合离子。在电晕放电电离设计中，在取样微孔与电离反应区之间增加了一层幕气流，这既可避免微孔被堵塞，同时又能使簇合离子解簇。

图10-3电晕放电APCI电离源

1-雾化器气；2-流出液；3-修饰气；4,5-加热器；6-气帘；7,8-N₂;9,10-二级泵区；11-试样流

4．快原子轰击电离

以高能量的初级离子轰击表面，再对由此产生的二次离子进行质谱分析是材料表面分析的一种重要方法。在此基础上发展起来的两种十分相似的电离技术，快原子轰击（fast atom bombardment, FAB）和液体二次离子质谱(liquid seconda-ry ion mass spectrometry, LSIMS）在有机质谱中有着重要地位。这两种技术均采用液体基质负载样品，其差异仅在于初级高能量粒子不同，前者使用中性原子束，后者使用离子束。FAB使用原子束是为了避免向有高电压的电离源引入带电粒子所可能引起的麻烦。

5．等离子体解吸

等离子体解吸一般是指采用放射性同位素²⁵²Cf核裂变的碎片产物Ba¹⁸⁺和TC²²⁺作为初级粒子轰击待测样品分子。样品事先经过处理后涂抹在0.5～1um厚的铝或镍箔上，而放射性同位素²⁵²Cf的裂变碎片能够从金属箔背面穿过，同时
把能量传递给待测样品分子。

²⁵²Cf的主要裂变产物Ba¹⁸⁺和TC²²⁺的动能分别为79MeV和104MeV，大大高于快原子轰击（FAB）和液体二次离子质谱(LSIMS)所采用的初级粒子束的动能，能在10^-12S内产生高度集中的过热点。可用于分析极性分子、生物分子、多肽或蛋白质，采用硝化纤维素作为底物时，分析质量可高达14 000Da。在电喷雾电离和基质辅助激光解吸电离出现之前，等离子体解吸质谱(plasma desorption mass spectrometry, PDMS)是唯一可用于分析大分子质量生物样品的质谱方法。

6．激光解吸电离

20世纪80年代，随着激光技术的快速发展并应用于质谱分析中，“软电离”技术在质谱领域中的应用取得了新的突破（基质辅助激光解吸离子化技术问世），特别是在激光领域的研发，一方面是多光子技术（如多光子电离和光致离解）的应用，主要是通过激光光子与气相中的分子或离子作用使其电离或离解，用于测定分子质量相对较小的样品分子；另一方面是激光解吸技术，主要是激光束与固相样品分子的作用产生分子离子和具有结构信息的碎片，适用于结构复杂、不易气化的大分子物质。基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)便是一个典型的代表，广泛应用于生物大分子物质分子质量的测定、蛋白质的高通量鉴定、对寡核苷酸和对基因的单核苷酸多态性的分析等。

激光解吸微探针是早期的一种离子源，其结构与PDMS十分类似，样品被涂布在金属箔上；被聚焦到功率密度高达10⁶～10⁸ W/cm²的激光束从背面照射样品使其电离。

图10.4是MALDI-MS仪器的结构示意图。MALDI技术的特色和创新之处在于采用固体基质以分散被分析样品，在样品靶表面形成共同的结晶膜。激光照射后，基质从激光束吸收能量然后传递给样品分子，将电荷转移给样品使其电离。

过量基质（基质，样品＝10000:1，摩尔比）的作用主要是使样品有效分散，削弱样品分子间的相互作用，同时能够将部分能量传递给样品分子，加速样品的离子化。

图10-4MALDI-MS仪器结构

1-原子枪；2-分析器；3-样品离子束；4-拉出和聚焦；5-样品；6-探针

7．电喷雾电离

1984年Fenn等报道了他们在电喷雾方面的研究成果，在其后的几十年中开发的电喷雾电离和大气压化学电离技术被称为LC-MS技术乃至质谱技术的革命性突破。电喷雾电离（electro spray ionization, ESI）是一种使用强静电场的电离技术。工作原理如图10-5所示，内径为0.1～0.15 mm的不锈钢毛细管被加以3～5kV的正电压，与相距约lcm的接地的反电极形成强静电场，从毛细管流出的待测样品的溶液（一般是甲醇溶液）在电场作用下形成带高度电荷的雾状小液滴。带电小液滴在向质量分析器转移的途中，受溶剂不断蒸发的影响，带电液滴体积不断缩小，带电液滴的表面积上的电荷密度不断增加。当液滴表面电荷之间的排斥力足以克服表面张力时，液滴通过库仑爆炸发生裂分。依次下去，经过溶剂挥发-液滴裂分的反复过程，最后形成单个多电荷离子。电喷雾电离的实质其实就是电荷浓缩效应。

图10-5电喷雾电离工作原理（a)和带电液滴雾化（b)示意图

ESI源受大气压力和环境温度的影响，在电离过程中，待测的生物大分子往往会产生多重质子化的离子。

ESI源所能承受的液体流量通常为1～20uL/min，当液体进入喷雾区后，在逆向的氮气流作用下，雾状小液滴更容易脱去溶剂。而在内衬的弹性石英毛细管与金属毛细管之间增加一股同轴的助雾化气流可使液体流量提高到2mL/min，该流量能够满足LC-MS联用的需求。

电喷雾对于样品的溶解需要选择合适的溶剂体系，一般既要考虑溶剂溶解样品的能力，还要考虑该溶剂的极性。例如，常用的甲醇、乙腈、丙酮等极性液体比较适合电喷雾，由于去离子水表面张力比较大，应用于电喷雾时对ESI源的阈电位也较高，往往会造成高压放电。所以通常在溶剂中加入SF₆等有效的电子清除剂或加热离子源用来降低表面张力。此外，还可以在石英毛细管与金属毛细管之间增加一股能与水互溶的同轴溶剂流，使水溶液在喷雾之前得到稀释。