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漫谈离子源

2021.6.18

样品的离子化是进行质谱分析的重要步骤，如何高效地进行离子化对质谱仪的灵敏度、分辨率等有着重要的影响。

离子源是对样品进行电离的场所，离子源的主要功能是把中性的原子（或分子）电离成离子，并形成具有一定能量的离子束。不同的质谱仪根据分析用途的不同配备有不同的离子源，这些离子源由于电离方式不同，具有不同的特征的性能。

对于无机质谱，常见的离子源包括电子轰击离子源（Electron impact ionization source，EI）、电感耦合等离子体源（InductivelyCoupled Plasma source，ICP）、辉光放电离子源（glow discharge plasma source，GD）、火花放电离子源（Sparkdischarge ionization source，SD）、二次电离离子源（Secondary ionizationsources，SI），热电离离子源（Thermal Ionization source，TI）。

我们首先为大家介绍的是EI源。

稳定同位素质谱（isotope ratio mass spectrometer )大都采用电子轰击源（electron impact ionization），也就是EI源做为离子源，包括常见的 Delta V 和 253 系列皆是此离子源。

离子源示意图

它的工作原理是：

灯丝打开之后，通入电流，由灯丝阴极发射出慢电子，在灯丝周围形成电子云。
样品进入电离盒box之后，由于灯丝和电离盒之间有压差（voltage difference），会使电子运动，轰击样品分子。当电子能量（electron energy）大于样品分子的电离电位时，分子失去电子被电离成正离子，反之捕获电子成为负离子。Box电流加trap电流等于emission，多余的电子会被trap捕获。
以氮气分子为例，在此过程中可以形成M/Z 28 的[14N14N]+、29的[14N15N]+、30的[15N15N]+，或者单电荷的的原子离子，如M/Z 14 的[14N]+和 M/Z 15的[15N]+ ，甚至可能有双电荷分子离子[14N14N]++，[15N15N]++等。
为了增加灵敏度，在离子源内加入了磁场，目的是使电子在磁场中旋转运动，增加样品分子与电子束的碰撞机会，提高电离效率。
最后带正电荷的离子由于电离盒box和提取极之间的压差，被提取电压（extraction voltage）提取出离子源，经过透镜聚焦成离子束，最后经加速电压进入质量分析器。

感兴趣的小伙伴可参考下面的视频

那么知道了离子源的工作原理后，相信大家一定很好奇，电子轰击离子源到底长什么样呢？

如下图所示，为Delta V 同位素质谱仪的离子源实物图：

在电子轰击离子源的内部有一套加工和组装十分精致的离子光学透镜系统。以Delta V型同位素质谱仪为例，它由多个组件和透镜排布而成，组件与透镜之间由陶瓷片相隔绝缘，并有陶瓷柱固定各组件的位置，确保间距。

关于离子源参数:

对于不同的气体模式，会相应有不同的离子源参数。离子源参数分为手动调谐和自动调谐（auto focus）两种，大部分情况下可选用自动调谐十分方便快捷。如下图所示的Isodat 3.0软件截图所示：

那么在调谐参数时，我们需要注意哪几个方面呢？

Emission即发射电流，为box电流和trap电流之和，一般情况下为1.5mA。通常在刚开机不久打开离子源时，可手动逐步升高发射电流值，保护灯丝。
Electron Energy即电子能量，代表着灯丝与电离盒之间的电位，对于H2而言，较大的电子能会使氦气电离，产生同质离子干扰，因此需要降低电子能。
Extraction为提取电压，当提取电压增大时，意味着box和提取极之间的压差增大，从box电离盒中提取走的正离子数变多，而电离盒中的正离子数目浓度降低，会导致灵敏度下降，但是线性提高；反之亦然。
其余的X、Y为光学透镜的位置参数，建议可自动调谐。

本次引用到的图片和知识源于以下书籍：

[1] 赵墨田，无机质谱概论[M]。化学工业出版社化学与应用化学出版中心,2006

[2] 曹亚澄，稳定同位素示踪技术与质谱分析。科学出版社，2018

[3] 赛默飞稳定同位素质谱仪培训教材

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