分析二 重點整理－質譜：質量分析器（MS：mass analyzer）
By B98203058 丁柏傑 2011.3.25
◎本次考試重點：了解各種質量分析器的作用原理。
一、磁場分析器（magnetic analyzer）：
磁場分析器的原理，是利用帶電荷的分析物離子，通過一垂直於運動方向的磁場時，受到
磁力而作圓周運動。圓周運動的半徑，與分析物離子的m/z值有關，所以藉由調控磁場分
析器中的磁場大小，可將不同m/z的離子打在偵測器的不同位置上，形成不同的訊號位移
。
＊影響解析度的因素：
在磁場分析器之前，會設置一個加速電場區，將剛從離子化裝置跑出來的分析物離子作加
速。理論上，同種m/z的離子在通過加速器後，進入分析器之前，會具有相同的速度。不
過，有兩種原因會造成m/z的解析度：
（1）由於分析物被游離的位置不是在同一點，而是會分布在一塊區域，所以同種m/z離子
所受到的加速電壓可能略有差異，造成進入分析器的速度略有不同。
（2）在分析物被游離時，本身就會有一個速率分布情形（Maxwell-Boltzmann
distribution of speed）。
＊雙聚焦法（double focusing）：
在磁場分析器之前，加設一個靜電場分析器（ESA，electrostatic analyzer），這種設
計（EB type）可以來校正速度與位置的不準度，稱為雙聚焦法。
ESA的構造為兩個圓弧形的電極板，同樣m/z但具有不同速度的離子在通過電場區時，受到
電力的偏折程度不同，速度太快或太慢的離子都會撞至兩側的電極板而無法通過。結論就
是，只有具特定速度範圍的離子可以進入磁場分析器，達到速度篩選的作用。
ESA除了作速度篩選之外，也有方向聚焦（directional focusing）的功用。帶正電的電
極板在半徑較大的外圈，所以當偏折角度較大的正離子朝著外圈的電極板運動時，會受到
靜電斥力而減速；當偏折角度小的正離子朝著較內圈帶負電的電極板運動時，也會因靜電
引力而加速。結論是，原本偏折角度小的離子，通過ESA的時間比較短，所產生的偏折角
度也較小；原本偏折角度大的離子，通過ESA的時間比較長，造成的偏折角度也會比較大
。這樣一來，原本偏離中心軸射出的離子，都能在通過ESA後較靠近中心軸，達到位置聚
焦的效果。
磁場分析器，則是能將同樣m/z的離子，作位置的聚焦。
二、四極柱分析器（quadrupole analyzer）：
四極柱的結構，是由四個平行的圓柱電極所組成，長度約5~20 cm。四根極柱分為上下與
左右兩組，分別連接直流電源的正極與負極。而隨著分析物離子通過四極柱時，四根電極
都會通以漸增的交流電壓。當分析物離子被吸引導致撞擊到極柱時，便會回到中性狀態，
而不會被偵測到。
＊交流電壓對離子運動的影響：
根據牛頓力學原理，動量（在質量分析器中就相當於離子的質量）越大的離子，其運動狀
態就越不容易受外力而改變。根據這個概念，四極柱分析器同時具有兩種質量篩選的功能
，使其成為良好的質量分析器：
（1）高質量選擇（high pass）：對於連接正極的直流電極而言，正離子傾向於沿著中心
軸作運動。此時若施以漸增的交流電壓，會使得較低質量的離子，容易受到影響而震盪幅
度增加，最後撞至電極而變回電中性。
（2）低質量選擇（low pass）：對於連接負極的直流電極而言，運動軌跡偏離中軸線的
正離子會被吸引至兩端的電極。此時的漸增交流電壓，可以將質量較小的離子拉回中軸線
運動，而讓質量大的離子與電極發生碰撞而變回電中性。
三、飛行時間分析器（TOF，time-of-flight analyzer）：
TOF的原理，是將分析物離子加速後，通過一電場為零的飛行管（flying tube）。在飛行
管中，由於離子不受外力，所以這些離子在飛行管中作等速運動，其飛行的時間，僅和本
身的質量有關，因此可作為分析不同m/z的工具。使用TOF分析器時，必須搭配脈衝游離（
pulsed ionization）的方式，亦即，具有固定時間間隔的游離，才能夠定飛行時間計算
的起點，所以TOF分析器常常搭配MALDI游離法來使用。
＊儀器設計：
（1）離子反射鏡（reflectron / electrostatic mirror）：為一圈圈的環型電極所構成
，並施加正電壓，使得跑得比較快的正離子，會跑至離子反射鏡的比較深處才折返，運動
的路徑較長；跑得慢的離子則正好相反，運動的路徑比較短，比較快從離子反射鏡中折返
。透過這種設計，可以達到讓相同m/z但具不同速度的離子，在同一時間跑至相同位置的
功用。
（2）垂直脈衝加速（orthogonal pulse acceleration）：將TOF分析器，裝設在離子化
裝置的垂直方向，使得離子化過程與TOF分析的獨立性增加。這樣可以避免分析物離子在
加速器中不同的位置被加速，造成同種m/z的離子速度分布變寬，影響到TOF的解析度。
四、離子阱分析器（IT，ion trap analyzer）：
離子阱，是一種同時具有離子化、質量分析、偵測離子等功用的儀器，比四極柱分析器更
靈敏但昂貴許多。離子阱的物理原理和四極柱相類似，都是藉由直流電與交流電的方式，
選擇性的將不同m/z的離子拿出來偵測。離子阱可分為三維四極柱（3D quadrupole）與線
形四極柱（linear quadrupole）等兩種方式。
（1）三維四極柱模式（3D qIT）：主要有一個環狀電極，與兩個分別作為離子源與偵測
器的蓋子所組成。在離子阱中，分析物透過其中一端蓋子中的加熱燈絲產生電子，進行EI
或CI等游離方式。產生出來的離子，則先被離子阱內所建立的電場困住。而透過一無線電
波頻率的交流電，改變離子阱內的電場，可在不同時間下，放出不同m/z的離子至另外一
端的偵測器進行分析。另外，在離子阱中，會填充數個mTorr的He氣體，用來吸收離子多
瑜的振動轉動能量，使離子維持在一理想的軌道上運行，這種作法稱為離子冷卻（ion
cooling）。
（2）線形四極柱模式（linear qIT）：在三維四極柱模式中，由於離子都集中在小區域
中，當分析物離子越來越多時，這些電荷會在離子阱內建立電場，並對原本的四極柱模式
電場造成干擾，而降低分析效率。所以，透過施加一個與四極柱電場垂直方向的直流電，
將三維四極柱模式轉換成線形四極柱模式，可製造出一個位能井，使得分析物離子可沿著
此直流電方向，暫時儲存於離子阱中。此模式，可以大大增加離子阱的離子儲存能力，偵
測極限也因此被提高。
五、離子迴旋共振分析器（ICR，ion cyclotron resonance analyzer）：
ICR分析器，是將分析離子困在一個長方體區域中間，並在其運動垂直方向建立磁場，使
得分析物離子開始做圓周運動，此圓周運動的頻率僅與離子的m/z有關。在長方體區域的
其中兩壁都通有電壓，以防止離子撞到壁上而變回電中性。接著，以類似迴旋加速器的原
理，透過施加一無線電頻率的交流電，對系統做擾動（perturbation），使迴旋頻率與交
流電頻率相同的m/z的離子之間，產生共振能量轉移後，將離子加速並增加其迴旋半徑。
這些相同m/z的離子，最後會有同調性（coherent），也就是彼此之間的相對運動模式不
隨時間改變，這種現象稱為迴旋共振（cyclotron resonance）。
＊訊號如何產生及量測？
由電磁學原理，帶電離子運動時會在周圍建立磁場，所以這群相同m/z的離子，在迴旋半
徑增大至快接近兩端的接收板（receiver plate）時，會改變接收板附近的磁力線分布。
由電磁學上的冷次定律可以預測，為了抵銷這股磁力線變化，接收板上便會被誘導出一虛
擬電流（imaging current）。此時，將交流電關掉之後，
由於不再發生迴旋共振的現象，這群離子便會鹼小速度及迴旋半徑，回到原本的運動軌道
上，而接收板上的虛擬電流大小，也會因此隨時間而衰減。透過量測接收板上的虛擬電流
隨時間的變化情形，即可得到隱含頻率資訊的函數，
＊如何得到m/z資訊？
ICR分析器，首先會以無線電頻率的交流電（8 MHz~100 kHz），對分析物離子進行快速且
連續的掃描。掃描完之後，便開始偵測須妳電流隨時間的函數變化，並透過傅立葉轉換（
FT，Fourier transform），得到各頻率下的峰值，最後便可轉換成真正的質譜圖，也因
此，ICR分析技術有時也被稱為FT-ICR、FT-MS。由於進行傅立葉轉換時，解析度會受到取
樣頻率的影響，所以取樣頻率很高時，ICR分析器即可具有相當高的解析度。
六、Orbitrap：
Orbitrap分析器是一種較新的技術。它是由一個高電壓的中央電極（central electrode
）和分成兩半的接地外電極（outer electrode）所組成。分析物離子再注入Orbitrap後
，會在兩邊的外電極之間作來回的振盪，且其振盪頻率也與m/z有關。Orbitrap透過類似
ICR的原理，將外層電極上所誘導出來的的虛擬電流訊號，經傅立葉轉換而解析為頻率的
方式。Orbitrap的優點在於，它的訊號獲取速度很快、解析度很高（~150000）、m/z上限
也很高（~6000），不過所需要的真空度也是質譜儀中最嚴格的（~10-10 Torr）。