By B98203058 丁柏傑 2011.03.25
◎本次考試的重點：
（1）了解質譜儀的基本分段構造。
（2）了解各種離子化方法的作用原理。
一、質譜（mass spectrometer）簡介：
質譜儀，是將分析物通過樣品離子化裝置、離子加速器、質量分析器、質量偵測器等四個
主要構造，以分析樣品中化合物可能的組成。早先的質譜儀，是被發明來研究同位素的含
量。
＊圖譜的種類：
質譜圖（mass spectrum）的橫坐標是質荷比（m/z），縱座標為離子的相對含量（
relative abundance）。在質譜圖中，離子相對含量最高的峰稱為基峰（base peak），
而其含量被定為100%。質譜圖主要有兩種呈現方式：
（1）連續譜圖（continuous spectrum）：橫坐標的m/z是連續的分布。
（2）碎片譜圖（fragmentation spectrum）：橫坐標的m/z是整數。
二、離子化方法（ionization methods）：
質譜儀的離子化方式，依照分析的目的與樣品的種類而有許多種選擇。如：氣態樣品會以
電子游離法（EI）、化學游離法（CI）、電場游離法（FI）；揮發性低的液態或固態樣品
則可用快速原子撞擊法（FAB）、基質輔助雷射脫附游離法（MALDI）、電噴灑游離法（
ESI）、常壓化學游離法（APCI）、氬氣電漿游離法（ICP-MS）等。下面會對這些離子化
方法一一作介紹。
三、電子游離法（EI，electron ionization）：
EI法，是以熾熱燈絲產生出電子，並對這些電子施加電壓，使電子加速並撞擊至氣態樣品
，這些樣品吸收了12~15 eV的能量之後，進而產生分析物離子。剛產生出來的分析物離子
稱為parent ion，而這些parent ion有可能因為能量太高，而繼續斷裂成小碎片離子，這
些離子被稱為daughter ion。
＊離子化能量的選擇：
（1）不同的能量下的電子，對於樣品的離子化效率並不相同，且非線性關係。
在電壓為70 V時，亦即一個電子的能量是70 eV時，對樣品的離子化效率最高。這是因為
，70 eV能量的電子對應到的德布羅依波長（de Broglie wavelength）約為一般化學鍵的
長度，此時兩者的交互作用最強。此最佳的離子化效率約為0.01%。
（2）電子的能量如果太高，會將自身的能量轉移給分析物離子，導致分析物離子獲得能
量而產生斷裂（fragmentation），此時parent ion的訊號就會變小。
三、化學游離法（CI，chemical ionization）：
CI法與EI法不同之處在於，加熱產生的電子會先與一種反應氣體（reagent gas）碰撞，
使得這些氣體變成氣態離子，之後才進行電荷轉移使氣態分析物帶電。由於CI不是透過高
能電子直接撞擊樣品，所以轉移給樣品的能量不會太多。
＊與EI的比較：
由於CI中樣品所獲得的能量較低，而且產生的質子化離子MH+較分子離子M+.穩定。所以與
EI相比，CI是傷害比較小的離子化方式，產生的碎片比率較低。
四、電場游離法（field ionization）：
FI法，是以一支上面布滿許多尖端的導電針（microneedle emitter）建立高電場，並將
氣態樣品置於此高電場環境下，透過量子穿隧效應（quantum tunneling effect），直接
將分析物中的電子游離，而沒有EI、CI中加熱電子碰撞的過程發生。
＊特點：
（1）離子化的暴力程度：EI＞CI＞FI。碎片比率：EI＞CI＞FI。
（2）由於穿隧效應只會在氣態樣品靠導電針距離近時發生，所以FI產生的離子化比率，
遠較EI來的低。
＊電場脫附法（FD，field desorption）：
與FI法原理類似，但因為分析物無法揮發在空中，所以FD法的做法是，直接將樣品塗布在
導電針上，並將導電針通以熱電流，使得分析物在脫附導電針表面時，發生穿隧效應而游
離出電子。
五、快速原子撞擊游離法（FAB，fast atom bombardment）：
FAB法，是將能量近數千eV的高能氬氣或氙氣撞擊至樣品表面，使得樣品直接以離子狀態
被撞濺出來。在FAB法中通常會選用液態基質作為溶劑，減少分子間作用力，使得分析物
離子容易自樣品表面脫附。選用快速原子作為離子化工
具的理由，主要是要避免非導體樣品中，電荷的大量累積所造成接下來游離過程的困難度
。
＊快速原子的產生：
首先，加熱燈絲產生的電子束與Xe、Ar碰撞，使其變成帶電的慢速離子，並通過一離子加
速器。這些帶電的慢速離子被加速後，會在隨後的碰撞室（collision chamber）中，與
中性的慢速原子發生碰撞。此時，電荷可能發生轉移，而結果就是帶電的快速離子被中和
成中性的快速原子。
＊特點：
（1）FAB的分析物，可以為不揮發、分子量高的物種。
（2）由於基質是一般的有機溶劑（如：甘油、二乙醇胺等），也會受到快速原子撞擊而
游離，導致質譜圖上會有非常大的背景訊號。一般而言，FAB不適用於m/z太小的分析物。
六、基質輔助雷射脫附游離法（MALDI，matrix assisted laser desorption ionization
）：
在MALDI法中，為了使揮發性大分子基質的機制，一般被認為是以脈衝雷射（pulsed
laser）激發基質，而基質在接收到雷射能量後，將這個能量傳給分析物，並同時與分析
物一起脫附、游離。
＊特點：
（1）MALDI所用的基質，為固態的有機化合物，且通常具有酸性的質子，以致於基質很容
易因失去質子而帶電荷；而分析物則可為蛋白質等大分子。在處理樣品時，會將基質與分
析物做充分混合後，再進行MALDI的游離法，以確保基質與分析物之間能量轉移的效率。
（2）在選擇脈衝雷射的波長時，必須盡量使分析物的吸收度最小，而基質的吸收度最大
。否則，當分析物可吸收雷射時，可能造成分析物的解離、變性，而降低離子化比率。
（3）與FAB相似，MALDI的基質也會被游離，所以背景訊號也很大，不適用於m/z太小的分
析物。
（4）MALDI使用的脈衝雷射具有類似碼表計時的功能，所以常搭配飛行時間分析器（TOF
，time-of-flight analyzer）使用。
七、電噴灑游離法（ESI，electrospray ionization）：
在ESI法中，分析物溶於溶劑中所形成的溶液，將之通過一毛細管，並在距
離毛細管出口端一段長度施以高電場，使得噴出毛細管的溶液，因表面張力與電荷斥力的
平衡而形成泰勒錐（Taylor cone），製造出含帶電液珠的氣溶膠（aerosol）。這些帶電
液珠在電場下移動時，會慢慢的揮發掉溶劑，而導致電荷密度上升；當電荷密度太大以致
於表面張力無法承受電荷斥力時（此時的電荷密度稱為Rayleigh limit），這些液珠便會
產生Columbic explosion，而變成更小的液珠。
＊裝置設計：
（1）補償溶液（make-up solution）：在離子進入質量分析器之前，必須加一道真空幫
浦，以維持分析器內部所需的真空度。然而，含分析物的溶液很可能被幫浦強大的抽力抽
掉。ESI通常會用來分析由層析儀所流出之樣品液，不過前述的幫浦，很有可能影響到樣
品液在層析儀中的流速，進而影響分離效果。為了防止這種問題，於是在做ESI時，須額
外加一種補償溶液，使得樣品液的流速不至於變化太多。
（2）由於ESI產生的碎片較少，所以無法提供很多化學結構方面的資訊。想增加ESI的碎
片離子產生，可在離子加速器前設置一個60 V左右的電壓，並通以N2，使分析物離子與N2
發生碰撞活化解離（CAD，collisional activated dissociation；CID，
collisional-induced dissociation），而產生碎片離子。
＊特點：
（1）ESI可在常溫常壓下產生。
（2）分析物離子可帶多電荷，所以可以量測的質量上限很高。（>106 Da）
（3）ESI所產生的碎片訊號很少。
（4）圖譜上相鄰兩個峰的離子，帶的電荷會相差一個。因此可以利用這項性質，由相鄰
兩個峰的m/z值，推算分析物的分子量。
＊脫附電噴灑游離法（DESI，desorption electrospray ionization）：
對於一些固相分析物，可以採取DESI法進行分析。DESI與ESI作用原理類似，它是將帶電
荷的溶劑液珠製造成電噴霧狀，再打到樣品表面上。樣品表面的分析物被這些溶劑液珠溶
解後，脫附樣品表面，並經由碰撞產生分析物離子。DESI可以進行二維平面的掃描，提供
表面特定區域的影像與資訊。
八、常壓化學游離法（APCI，atmosphere pressure chemical ionization）：
APCI中，一開始的裝置與ESI類似，有一N2流幫助溶液霧化。但與ESI不同的是，APCI在進
行離子化之前設置了一個加熱區，先將樣品汽化，產生液體噴霧後，再透過一高電壓（
~6000 V）的放電針（corona needle），使得分析物可在常壓下被游離成離子。隨後通入
N2作為反應氣體（reagent gas），進行化學游離。
＊特點：
（1）與ESI不同，使用APCI所產生的分析物離子只帶單一電荷。
（2）可量測的質量上限 < 1000，而且由於不能產生足夠的碎片，而且質量分析器所能測
到的m/z也有上限，所以APCI不適合用來測大分子。
（3）APCI所需要的分析物揮發性，較ESI來的高；亦即，APCI較適用於極性小的分析物。
這是因為ESI的分析物在霧化時就已帶電荷，而APCI的分析物在霧化後並未帶電荷，而是
須先變成氣相之後，透過放電針而帶電。
九、感應耦合電漿質譜法（ICP-MS，inductively coupled plasma-MS）：
ICP-MS，是原子質譜的一種。ICP是藉由一交流磁場的線圈加熱Ar氣體產生高溫Ar電漿（
主要由Ar+、Ar*、高能電子所組成），而分析物在這樣的高溫之下，所有的化學鍵都會被
打斷，而形成原子離子。
＊裝置設計：
（1）碰撞區（collision cell）：設置於產生原子離子之後的區域。藉由通入He氣體且
同時抽真空，把電漿中的Ar與大氣環境中的N2、O2形成的ArO+、Ar2+離子撞開，不讓這些
原子離子抵達偵測器，形成干擾。
（2）偏折板（deflection plate）：設置在碰撞區之後，為一電場裝置。藉由施加電場
的方式，可使原子離子運動形式受到影響而偏離原本的軸線，而光子在行經偏折板時，不
會受到電場影響而改變運動方向。因此可以避免光子抵達偵測器，造成訊號干擾。
＊同重素干擾（isobaric interference）：
在進行特定元素的ICP-MS分析中，可能會產生相似質量離子的干擾。如：56Fe+會被
40Ar16O+干擾；80Se會被40Ar2+干擾等等。