(二)质量分析器

质量分析器的作用是将离子源产生的离子按m/z顺序分开并排列成谱。用于有机质谱仪的质量分析器有磁式双聚焦分析器、四极杆分析器、离子阱分析器、飞行时间分析器、回旋共振分析器等。

1.磁式双聚焦分析器(double focusing analyzer)

双聚焦分析器是在单聚焦分析器的基础上发展起来的。因此，首先简单介绍一下单聚焦分析器。单聚焦分析器的主体是处在磁场中的扁形真空腔体。离子进入分析器后，由于磁场的作用，其运动轨道发生偏转改作圆周运动。其运动轨道半径R可由下式表示：

式中，m为离子质量，amu; z为离子电荷量，以电子的电荷量为单位；V为离子加速电压，V; B为磁感应强度，T。

由上式可知，在一定的B、V条件下，不同m/z的离子其运动半径不同，这样，由离子源产生的离子，经过分析器后可实现质量分离，如果检测器位置不变(即R不变)、连续改变V或B可以使不同m/z的离子顺序进入检测器，实现质量扫描，得到样品的质谱。图11-7是单聚焦分析器原理图，这种单聚焦分析器可以是180^o(如图11-7)，也可以是90^o或其它角度的，其形状像一把扇子，因此又称为磁扇形分析器。单聚焦分析结构简单，操作方便，但其分辨率很低，不能满足有机物分析要求，目前只用于同位素质谱仪和气体质谱仪。单聚集质谱仪分辨率低的主要原因在于它不能克服离子初始能量分散对分辨率造成的影响。在离子源产生的离子当中，质量相同的离子应该聚在一起，但由于离子初始能量不同，经过磁场后其偏转半径也不同，而是以能量大小顺序分开，即磁场也具有能量色散作用。这样就使得相邻两种质量的离子很难分离，从而降低了分辨率。

为了消除离子能量分散对分辨率的影响，通常在扇形磁场前加一扇形电场，扇形电场是一个能量分析器，不起质量分离作用。质量相同而能量不同的离子经过静电电场后会彼此分开。即静电场有能量色散作用。如果设法使静电场的能量色散作用和磁场的能量色散作用大小相等方向相反，就可以消除能量分散对分辨率的影响。只要是质量相同的离子，经过电场和磁场后可以会聚在一起。另外质量的离子会聚在另一点。改变离子加速电压可以实现质量扫描。这种由电场和磁场共同实现质量分离的分析器，同时具有方向聚焦和能量聚焦作用，称作双聚焦质量分析器(见图11-8)。双聚焦分析器的优点是分辨率高，缺点是扫描速度慢，操作、调整比较困难，而且仪器造价也比较昂贵。

图11-7  单聚焦质量分析器

图11-8  双聚焦质量分析器

2.四极杆分析器(quadrupole analyzer)

四级杆分析器也称四极质量分析器，它由四根截面呈双曲面的平行电极组成，围绕离子束呈对称排列，离子束穿过对准四根杆之间的准直小孔，如图11-9所示的结构示意，相对的一对电极是等电位的，两对电极之间的电位是相反的。加在四极上的直流电庄U和射频V₀ coswt(其中V₀为射频电压振幅，w为射频振荡频率，t为时间)，在极间形成一个四极复合射频场，离子进入后，受到电场力的作用，可使离子围绕其传播中心轴振动，只有具有一定质荷比的离子才会通过稳定的振荡而进入离子收集器。改变U、V₀，并使U/V₀比值恒定，便可以实现质量扫描。

四级杆分析器的主要优点是结构简单、体积小、质量轻、价格便宜、清洗方便、操作容易；只使用电场，便可实现快速扫描。四级杆分析器是目前应用最广泛的质量分析器，性能不断提高，质量测定范围已达到3000u，质量准确度可达到0.1u(900u时)，其缺点是分辨率不够高。

图11-9  四极杆分析器示意图

3．离子阱分析器(ion trap analyzer)

图11-10  离子阱分析器示意图
1-灯丝；2-端帽；3-环形电流；4-电子倍增器；5-计算机；
6-放大器和射频发生器(基本射频电压)；7-放大器和射频发生器(附加射频电压)

离子阱分析器与四极杆分析器类似，离子阱的主体是一个环电极和上下两端盖电极，环电极和上下两端盖电极都是绕Z轴旋转的双曲面(见图11-10)，并满足r²₀=2Z²₀(r₀为环形电极的最小半径，Z₀为两个端盖电极间的最短距离)。直流电压U和射频电压V_rf加在环电极和端盖电极之间，两端盖电极都处于低电位。离子在离子阱内的运动遵守所谓马蒂厄微分方程。在稳定区内的离子，轨道振幅保持一定大小，可以长时间留在阱内，不稳定区的离子振幅很快增长，撞击到电极而消失。对于一定质量的离子，在一定的U和V_rf下，可以处在稳定区。改变U或V_rf的值，离子可能处于非稳定区。如果在引出电极上加负电压，可以将离子从阱内引出，由电子倍增器检测。因此，离子阱的质量扫描方式与四极杆类似，是在恒定的U/V_rf下，扫描V_rf获取质谱。

离子阱的特点是结构小巧、质量轻、灵敏度高，而且还可以实现多级串联质谱功能。

相关链接：质谱仪的结构和质量分析器（一）