拿什麼去「秤」原子兼談化學分析神器GC-MS

原子是元素能保持其化學性質的最小單位。20世紀以前，科學家們認為原子是不可分割的，但是實際上原子也是可以分割的，一個完整的原子由原子核和核外電子組成，原子核又由質子和中子構成。再進一步，質子和中子由不同的夸克構成。這裡我們對此不做深究。

一般原子的直徑在10-10m數量級，質量在10-27kg這個數量級，直接測量原子的質量是不現實的。當然，原子的相對質量用「相對原子量」這個單位可以很方便地表示，但是我們也不能總是一直使用相對原子量，偶爾我們還是要知道原子的絕對質量的，那麼問題就來了，原子這麼小，質量這麼輕，它的精確質量是如何獲得的呢？

其實原子的質量不是直接得到的，原子的質量是用一種叫做質譜儀的儀器測量出來的。質譜儀這個儀器本身的用處很多，並不僅限於測量原子的質量。

第一台質譜儀是英國科學家弗朗西斯·阿斯頓於1919年製成的。它一出現就出手不凡，阿斯頓用這台裝置發現了多種元素同位素，研究了53個非放射性元素，發現了天然存在的287種核素中的212種，第一次證明原子質量虧損。他為此榮獲1922年諾貝爾化學獎。

從上圖我們可以看到原子樣品從左邊進入質譜儀，然後被離子化（常見的離子化方式有電子轟擊，化學電離等），在這過程中，原子要麼被添加幾個電子而帶負電，要麼被剝離幾個電子而帶正電，而帶了電的原子也被稱作「離子」。變成離子的原子樣品因為帶電，進入電場之後被加速，等到離開電場之後就具有了一定的速度。然後這些離子被送入具有磁場的腔室，然後不同質量的離子會出現不同的路徑，通過精確估計這些離子的路徑和速度，就可以十分準確的計算出初始原子的質量。

根據上面的原理，我們在質譜分析試樣中物質的各組成成分在離子源中發生電離，生成不同荷質比的帶正電荷的離子，經加速電場的作用，形成離子束，進入質量分析器。在質量分析器中，再利用電場和磁場使發生相反的速度色散，將它們分別聚焦而得到質譜圖，從而確定其質量。

當然，現在所有已知的原子的質量都已經被測量了出來，質譜儀目前最主要的用途不是用來測量原子質量了，而是用來分析樣品的組成成分的。

天縱檢測（SKYLABS）目前就配置了這樣一台化學分析的神器：氣相色譜-質譜聯用儀（GC-MS）。在實際鑒定工作中天縱檢測的技術人員正是利用GC-MS來獲取樣品中的化學成分信息和樣品表面化學成分空間分布情況的。GC-MS可以將結果以圖像的形式直觀地反映被測物的物質組成和其原子空間分布情況，天縱技術人員利用這個神器，廣泛將其使用在了各種化學成分鑒定和產品質量鑒定工作中。

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