實驗室分析儀器有機質譜儀器的基本結構

近代有機質譜儀器通常由離子源、質量分析系統、離子收集系統、真空系統、樣品入口系統以及數據系統六個部分組成。早先的儀器如圖所示，有入口系統、離子源、質量分析系統 （即磁鐵構成的磁場） 、真空系統以及離子收集和記錄系統，后者通常是簡單的電位記錄器或示波記錄器。隨著近代質譜儀器的迅猛發展，計算機幾乎無所不能，它不僅取代了落后的記錄方式，而且形成了獨立的數據系統。

一、離子源

有機化合物的分子在離子源內形成了帶電荷的離子，或者是正離子或者是負離子，顧名思義離子源就是離子產生的地方。目前作為常用的商品化的離子源裝備在有機質譜儀上的有電子電離源、化學電離源、場電離源（包括場解吸源）、快原子轟擊源、激光解吸源以及高效液相色譜-質譜聯用時那些接口所構成的離子源，如熱噴霧接口、大氣壓電離接口等 （包括電噴霧和大氣壓化學電離源）。

二、質量分析系統

從離子源出來的離子流包含了不同的質荷比離子。作為有機質譜分析，要獲得該化合物能產生多少種質荷比的離子，以及它們各自的相應強度 （早期還使用豐度這一名稱） 這些信息，勢必要通過質量分析系統。將各種不同質荷比的離子予以空間或者時間上的分離，并且按照質荷比大小將它們排列，供離子收集系統檢測。

質譜分析系統有靜態和動態之分。靜態的質量分析器是指起到質荷比分離作用的電、磁場及離子偏轉軌道等參數在不同的時間內都是穩定的。隨時間而改變其中一些參數，例如磁場掃描，是為了記錄譜圖而并非質量分離的要求。動態的質量分析器是指為了在空間或時間上實現質量分離必須使用交變的或者周期變化的電場，有時還同時使用靜態的磁場，所以它的那些參數是隨時間變化的。目前作為商品化的質量分析器有：磁分析器、四級桿分析器、離子阱分析器 （包括二維線性離子阱） 、軌道阱、飛行時間分析器以及傅立葉變換離子回旋共振分析系統。

^{三、離子收集系統}

離子收集系統包括離子的檢測和信號采集、放大，這里主要討論各種離子的檢測方式。靈敏度、準確度及響應時間是評價檢測器性能的主要指標，它們因各種質譜儀器的工作要求而異。例如，同位素比值測定要求高的離子強度測定準確性，允許慢的掃描速度，而氣相色譜-質譜聯用的有機物分析要求快速掃描，如達到0.1s/十倍乘和相當高的靈敏度。對于前者則使用響應慢的法拉第杯 （測定準確性優于0.1%）；后者則使用響應快的電子倍增器 （靈敏度高于法拉第杯幾百倍，但準確性最高達到0.5%）。作為商品化的離子檢測器有法拉第環、級聯式的電子倍增器、連續打拿極的電子倍增器、光電倍增器以及微通道板，這些都是電測時使用的檢測器。對于馬赫型的雙聚焦質譜儀，還可以使用離子干板做檢測器，乃至用光電二極管陣列代替離子干板進行檢測，不過這類儀器已很少使用。下面將分別敘述各種電測的檢測器。

1、法拉第杯

離子源打在收集板上被接地的電子所中和，這樣在高阻 R 如10¹⁰ Ω 上產生一個可檢測的信號。該信號可以在靜電計管的柵極上進行直流放大，也可以進入振簧電容器形成交流信號，然后交流放大。離子抑制器上加正電位以抑止亞穩離子，傾斜的收集板使二次電子不溢出杯外。法拉第杯測出的離子流正比于離子的數目和離子所帶的電荷，它有恒定的靈敏度和低的噪聲，它的響應慢但是與離子的化學性質、質量以及能量均無關聯，故適用于準確測定緩慢變化的離子流，如同于同位素比值質譜儀。

2、級聯式電子倍增器

下圖為級聯式鈹-銅合金的電子倍增器示意圖。一定能量的正離子打在加上負高壓的陰極上產生二次電子，然后經過多級 （一般為10~20級） 瓦片狀的打拿極使電子像雪崩一樣不斷倍增，最后為陽極所檢測。它的優點是快響應和高靈敏度，增益可達10⁶以上可測出很微弱如 10^-17 A 的離子流信號 （一般比法拉第杯高出三個數量級），適合于有機質譜分析。缺點之一為準確性差，通常在1%以上，這是因為它的增益由操作條件所決定，而且離子中和后形成的氣體隨著時間發生變化，會導致倍增器的放大不重現，甚至離子與陰極表面發生反應而改變靈敏度；缺點之二是質量歧視效應，入射正離子的化學性質、質量以及動量決定了陰極拋射二次電子的數目。級聯式電子倍增器的打拿極一般是用高活性的鈹-銅合金，若長時間暴露在空氣中會影響它的活性而大大降低倍增性能，所以，通常要在真空或惰性氣體中保存。

 一種級聯式的新型電子倍增器由 ETP 公司在1991年推出。這種倍增器是由覆蓋在鋁基上的活性膜所組成的多級打拿極 ，屬于脈沖計數式電子倍增器。其主要優點是克服鈹-銅合金的電子倍增器不能暴露于空氣的缺點，同時具有大的輸出電流 （增益10⁴~10⁸，取決于工作電壓） 和高的脈沖計數動態范圍 （高達5×10⁴/s計數率的線性輸出響應），因而不僅已裝備于四級桿和磁質譜儀，也因有窄的輸出脈沖寬度（2.5ns） 、平坦的離子碰撞面及快的瞬間大信號復回時間，而用于飛行時間質譜儀。

3、連續打拿極電子倍增器

連續打拿極電子倍增器是由兩塊涂上高電阻膜的平行玻璃或者由半導體材料涂于細管的內壁制成，它的外形像喇叭。在倍增器的兩端加上電壓，由離子轟擊打拿極后逸出的二次電子在電場中做擺線運動，每次與電極相碰都能發射出更多的電子而達到鏈式反應的目的。這種倍增器在易清洗以及對暴露大氣不敏感方面明顯優于鈹-銅合金的級聯式電子倍增器。負離子的接收方式與正離子相同，只需將儀器的極性反轉，對于檢測器來說，需要附加一個稱為轉換打拿極的電極。在正離子檢測時，第一打拿極是加上負電位有利于電子的逸出，但對于負離子來說，這個負電位對負離子有推斥作用。若負離子的能量比較低，如四級桿的儀器，離子能量只有十幾伏。這種推斥作用會導致收集不到負離子。附加的轉換打拿極的功能是使負離子打在該電極后轉化為正離子，后者就與正離子檢測的情況相同。

連續打拿極電子倍增器也做了一些改進，它的改進目標是增加工作壽命和提高倍增器的性能如動態范圍、靈敏度等。據美國 Detector Technology 公司報道，增加通道內表面的有效面積，減少單位面積的電子數，由此提高倍增器的壽命和動態范圍；將倍增器的單通道改為多通道 （四通道），這也是增加有效表面積的措施；在進入倍增器之前增加一個轉換打拿極并給予高壓，如4.5KV，由它產生的二次電子在倍增器內擴散，這樣對于弱信號的檢測，尤其使較大質量的離子能得到更多的二次電子，從而提高靈敏度，這對于m/z>1000的離子很有效。

保持高的增益和穩定的性能是質譜工作者對倍增器的期望，這與使用密切相關。若長期在高的工作電壓下使用倍增器，它的壽命明顯下降，所以在實際使用時不必在高的工作電壓下測定樣品。如果做高靈敏度的測試時，實驗結束后要及時把工作電壓降下來。根據作者的經驗做好樣品的凈化，可以在幾年中保持倍增器的增益維持在10⁵~ 10⁶水平。

4、光電倍增管

離子在轉換打拿極上打出電子，繼后電子打在高電位 （如+10KV） 的發光體上，使后者發出光子。光子又打在光陰極上產生電子，后者又被類似于級聯式電子倍增器所放大。光陰極板和電子倍增器被密封為一個部件，它與整個質譜儀的真空系統相隔離，這樣既與被收集離子的能量和極性無關，又不受質譜儀系統的污染危害，因而壽命要高于電子倍增器。也有用陣列式光二極管或者電荷耦合元件代替上述的密封部件或者用 Daly球餅收集正離子，釋放電子，由二次電子作用在閃爍體上產生光子再對光子進行檢測。光電倍增器的靈敏度與電子倍增器相當，它的使用要求與上述電子倍增器相同。

5、微通道板或者微通道陣列

微通道具有快速響應的優點，在高速檢測時被采用。微通道板由一些猶如蜂房式結構的通道組成 （它可以做到每平方厘米上百個通道，每個通道的直徑為10~25μm），通道內敷以一層阻抗導體，然后在通道兩端加上電壓。飛行時間質譜儀 (TOFMS) 配用脈沖電離，光譜產生的速率可達10kHz。1萬張瞬態譜圖中每一張是一次脈沖得到的全部離子，不過它往往沒有實用價值。只有對數十乃至數百譜圖的累加，才能獲得有足夠信噪比的一張譜圖，況且譜圖的變換時間是取決于最慢的那個離子，從這個意義上來說，有效的速率僅為20~1000Hz。微通道板適合于 TOFMS 的分析，尤其是高速GC/EI-TOMFS的信號檢測可采用雙微通道板。對于基體輔助激光解吸的飛行時間質譜 （MALDI-TOFMS），同樣要求快速檢測，可以采用雙微通道板，也可以用電子倍增器管與微通道板相耦合來檢測大分子的離子。需要提及的是MALDI-TOFMS的數據獲得需要十幾兆赫的瞬態記錄板才能使計算機采集和加工數據。