二次離子質(zhì)譜法是一種高效的分析技術(shù)，利用化合物的離子化過程及其質(zhì)量分析，以確定待測化合物的分子量、分子式和結(jié)構(gòu)特征。質(zhì)譜儀作為該方法的重要組成部分，通過將離子的質(zhì)量進(jìn)行有效分離，并依據(jù)電荷與質(zhì)量比率輸出至檢測器，在此被探測并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

簡介
在質(zhì)譜分析中，有三種常見的質(zhì)譜儀離子分析器可用于離子的分離。

1. 四極桿質(zhì)譜儀

2. 飛行時(shí)間質(zhì)譜儀

3. 磁扇形質(zhì)量分析儀

 
四極桿質(zhì)譜儀
直流偏壓會使所有帶電分子加速并遠(yuǎn)離中心線，其速度與它們的電荷與質(zhì)量比成正比。當(dāng)這些分子的軌跡偏離過大時(shí)，它們將撞擊金屬棒或容器的側(cè)壁并被吸收。因此，直流偏壓的作用類似于質(zhì)譜儀中的磁場B，可以調(diào)節(jié)以使特定電荷與質(zhì)量比的分子有效地撞擊檢測器。

兩個相互垂直的正弦電場，其夾角為90度，相位差亦為90度，將產(chǎn)生一個隨時(shí)間振蕩的電場，形成一個圓形波動。因此，當(dāng)帶電粒子向下飛向探測器時(shí)，它們將沿著螺旋軌跡運(yùn)動，螺旋的直徑由分子的電荷與質(zhì)量比以及電場的頻率和強(qiáng)度所決定。通過結(jié)合直流偏置與旋轉(zhuǎn)電場，使得帶電粒子能夠沿著彎曲的螺旋軌跡飛行。通過確定彎曲螺旋的峰值與四極場結(jié)束時(shí)探測器的位置時(shí)間一致，可獲得對分子電荷與質(zhì)量比的ji高選擇性。
 
飛行時(shí)間質(zhì)譜儀
TOF分析儀通過時(shí)間分離離子，而不依賴于電場或磁場。從宏觀角度來看，TOF與色譜法相似，但不同于傳統(tǒng)的固定相和流動相，其分離機(jī)制基于離子的動能和速度。

 

同種電荷的離子具有相同的動能；在飛行管中，離子的動能等于其從離子源發(fā)射時(shí)所具備的動能。

                 （1）

 
飛行時(shí)間是指離子從飛行管一端到達(dá)另一端所需的時(shí)間：

                          （2）

 
L代表飛行管長度
v代表離子速度
將方程1代入方程2中的動能項(xiàng)，可得到飛行時(shí)間方程：

      （3）

 
在分析過程中，我們保持離子源電壓V和管子長度L不變，這可以用來說明飛行時(shí)間與電荷質(zhì)量比的平方根成正比。
不幸的是，在較高的質(zhì)量數(shù)下，分辨率的實(shí)現(xiàn)變得相對困難，因?yàn)轱w行時(shí)間延長。此外，并非所有具有相同質(zhì)荷比的離子在較高質(zhì)量數(shù)條件下都能達(dá)到理想的TOF速度。為了解決這一問題，通常會在分析儀中引入反射器。反射器由一系列置于飛行管末端的高電壓環(huán)形電極構(gòu)成。當(dāng)離子進(jìn)入反射器時(shí)，由于施加了高電壓，它們將朝相反方向進(jìn)行反射。通過縮小單個質(zhì)荷比所對應(yīng)的飛行時(shí)間寬帶范圍，反射器顯著提高了分辨率。速度較快的離子進(jìn)入反射器的距離更遠(yuǎn)，速度較慢的離子進(jìn)入反射器的距離較短。因此，相同質(zhì)荷比下的慢速和快速離子能夠同時(shí)到達(dá)檢測器，從而減少輸出信號帶寬。

圖3. 反射圖及反射器圖片

附著于反射器飛行管（左側(cè)）的離子鏡（右側(cè)）。施加在金屬板堆棧上的電壓將產(chǎn)生反射離子，返回至飛行管的電場。在此特定設(shè)計(jì)中，鏡電極之間的間隙很大，這可能導(dǎo)致由于包裹真空管的金屬表面靠近而引起鏡內(nèi)電場的扭曲。（來源：維基百科）

磁扇形質(zhì)量分析儀
與前述的飛行時(shí)間（TOF）分析儀相似，磁性扇區(qū)分析儀中，離子通過飛行管被加速，并依據(jù)其電荷與質(zhì)量比進(jìn)行分離。磁性扇區(qū)分析儀與TOF的主要區(qū)別在于，它利用磁場對離子進(jìn)行分離。當(dāng)帶電粒子進(jìn)入磁場時(shí)，其運(yùn)動軌跡會沿著施加磁場的垂直方向偏轉(zhuǎn)至特定的圓形軌道。在磁場中，離子受到兩個相等的力的作用：即磁場力和向心力。

              （4）

 
接下來，我們可以對上述方程進(jìn)行重新排列，以得出以下結(jié)果：

                                 （5）

 
若將該方程代入動能公式中：

                                                              （6）                                           

                            （7）

基本上，具有特定質(zhì)荷比（m/z）的離子將展現(xiàn)出獨(dú)te的路徑半徑。在保持加速區(qū)域的磁場強(qiáng)度B和電壓差V不變的情況下，可以精確確定該半徑。當(dāng)類似的離子穿過磁場時(shí)，它們會被偏轉(zhuǎn)至相同角度，并沿著一致的軌跡行進(jìn)。那些未被選中的離子，將因與飛行管兩側(cè)發(fā)生碰撞或無法通過狹縫到達(dá)檢測器而被排除。磁性扇形分析器用于質(zhì)量聚焦，其功能在于實(shí)現(xiàn)角向分散。