下列質譜儀，何者最不可能提供正確的化合物分子式？

本題觀念：

本題的核心觀念在於質譜儀的解析度 (Resolution) 與 質量準確度 (Mass Accuracy) 對於推算化合物分子式 (Molecular Formula) 的影響。

要從質譜數據中準確推導出化合物的「正確分子式」，儀器必須具備高解析度 (High Resolution) 和 高質量準確度 (High Mass Accuracy)。

• 高解析度質譜 (HRMS)：能夠測得化合物的精確質量 (Exact Mass)（例如：180.0634），這能區分具有相同整數質量（Nominal Mass）但元素組成不同的化合物（例如：$N_2$ vs $CO$ vs $C_2H_4$，整數質量皆為 28，但精確質量不同）。
• 低解析度質譜 (LRMS)：通常只能測得整數質量 (Nominal Mass)（例如：180），無法區分同分異構物或質量極其相近的離子，因此難以單憑質量數推導出唯一的正確分子式。

選項分析

• A. 磁場式質譜儀（Magnetic sector mass analyzer）：

  • 分析：傳統的磁場式質譜儀，特別是雙聚焦 (Double-focusing) 設計，能夠提供極高的解析度與質量準確度。在 FT-MS 普及之前，它是測定精確質量以推導分子式的黃金標準。
  • 結論：能夠提供正確分子式。

• B. 四極柱質譜儀（Quadrupole mass analyzer）：

  • 分析：這是最常見的低解析度質譜儀。它通常僅能分辨 1 amu (atomic mass unit) 的質量差異，提供的是整數質量 (Nominal Mass)。由於許多不同的化學式可能擁有相同的整數質量（例如 28 Da 可以是 $N_2$、$CO$ 或 $C_2H_4$），單靠四極柱測得的數值無法精確計算出唯一的元素組成比例，因此最不可能直接提供正確的分子式。
  • 結論：最不可能。

• C. 飛行時間質譜儀（Time of flight mass analyzer, TOF）：

  • 分析：現代的飛行時間質譜儀（特別是配備反射器 Reflectron 的機型）具備高解析度的能力。它們可以測量到小數點後多位的精確質量，足以用來計算並確認化合物的分子式。
  • 結論：能夠提供正確分子式。

• D. 傅立葉轉換式質譜儀（Fourier transform mass spectrometry, FT-MS）：

  • 分析：包含 FT-ICR 和 Orbitrap 等技術，這類儀器擁有目前市面上最高的解析度與質量準確度（Ultra-high resolution）。它們非常適合用於複雜混合物的分析以及未知化合物的精確分子式鑑定。
  • 結論：最能夠提供正確分子式。

答案解析

答案：B

要推算正確的化合物分子式，需要精確質量 (Exact Mass) 數據。

• 選項 A (Magnetic Sector)、C (TOF)、D (FT-MS) 皆屬於或可運作為高解析度質譜儀 (HRMS)，能提供精確質量。
• 選項 B (Quadrupole) 屬於低解析度質譜儀，僅能提供整數質量，無法區分同質量數但不同元素組成的分子，因此是四者中最不可能提供正確分子式的儀器。

核心知識點

考生應掌握常見質譜分析器的解析度 (Resolution) 層級：

1. 低解析度 (Low Res)：
   • Quadrupole (四極柱)：僅達整數質量分辨力，適合定量分析 (Quantitation)，不適合未知物分子式鑑定。
   • Ion Trap (離子阱)：通常解析度較低，但具備多級質譜 ($MS^n$) 能力。
2. 高解析度 (High Res) - 可測定精確質量 (Exact Mass) 用於推導分子式：
   • TOF (飛行時間)：高解析度、速度快，質量範圍廣。
   • Magnetic Sector (磁場式/雙聚焦)：經典高解析度儀器。
   • FT-MS (傅立葉轉換/Orbitrap)：超高解析度，質量準確度最高。

參考資料

1. Waters Corporation. Accuracy & Resolution in Mass Spectrometry. (說明 Quadrupole 為低解析度，Q-TOF 等為高解析度可測定經驗式)
2. LibreTexts. Mass Spectrometry - Mass Analyzers. (比較各類分析器的解析度特性)
3. Wikipedia. Quadrupole mass analyzer. (定義其為 Mass filter，通常解析度限制在 1 Da)