最新波谱解析之质谱篇
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随着液滴中溶剂的挥发,液滴逐渐缩小,当电荷间的斥 力克服了液滴的内聚力时,发生“库仑爆炸”(Coulomic explosion)。较小的液滴继续蒸发,电场增强,离子向表面 移动,表面的离子密度越来越大,最终导致离子从表面蒸发, 产生单电荷或多电荷离子。
当用正电场时,在ESI温和的条件下样品分子通常 带上质子、碱金属离子或铵离子生成正离子的加合 离子。
(6) (电荷交换) (7) (质子转移) (8) (脱氢) (9) (加合离子)
(B为反应气体,M为样品分子)
M + e- M- • M + (B-H)- (M-H)- + B
M + B- • (M+B)- •
(10) (捕获电子) (11) (质子转移) (12) (离子—分子相
互 作用)
质谱法
质谱法( Mass Spectrometry ) MS
质谱(mass spectrum,简称MS),就是把化合物分子用一 定方式裂解后生成的各种离子,按其质量大小排列而成的图谱。 测定化合物的质谱,只需少量样品。常用量约 l mg,最少用量 只需几微克。利用质谱,可以测定化合物的分子量,并能推测 它的分子式以及分子结构。如将质谱仪与气相色谱仪联用,还 可以测定混合物中各组份的化学结构以及它们的含量。随着仪 器的发展,特别是将质谱仪与计算机联用后,质谱分析变得更 加快速、准确、简便。现在,质谱已成为有机化学、药物化学、 生物化学、石油化学以及环境保护等学科领域内的主要分析手
根据所选择的基质,基质与样品的mol比值为,基质: 样品 = 1000:1 ~ 10000:1 。
多电荷离子的形成,可以分析大分子,如蛋白质 和寡核苷酸等。
通过调节离子源参数(改变取样锥体电压),可 以控制离子在离子源内的断裂,从而给出结构信 息(源内CID)。
5、基质辅助激光解吸离子化法( MALDI)
MALDI技术是将大分子样品溶于适宜的溶剂 中,与大量的基质相混合,其目的是限制激光直接 照射样品,以防止样品被破坏。基质(小分子有机 物)必须是强烈吸收入射激光辐射的分子,基质分 子吸收辐射后,吸收的能量在基质中诱发冲击波, 从而释放出完整的大分子的气相分子离子。 MALDI中离子的形成,通常认为包括质子化、碱 金属离子的加合和光离子化等。
FAB法的关键之一是选择适当的(基质)底物, 从而, 可以进行从低极性到较高极性的范围较广的有机化合物测 定,是目前应用比较广的电离技术。
当高速中性原子轰击底物溶液后,在发生‘爆发性’ 汽化的同时,发生离子—分子反应,从而,产生(解离性) 氢质子转移反应[1]和[2]式及[3]式,与(电子轰击法相 似)的轰击离子化反应[4]等.
2、化学电离法(CI, chemical ionization)
CI法亦是一种样品的汽化与离子化分别发 生的电离法。它不适合对易热分解的化合物,但 是,因为要利用离子分子反应来实现离子化,因 此是‘软电离’法。并且可以说是其它‘软电离’ 法,FAB、MALDI、APCI、TSP等的基础,同时 是气相离子化学的主要技术。
M + e - M z+ + (z+1)e - (z1) (1)
M + e - M- •
(2)
产生的离子被离子源中的排斥电极推出离 子源,然后被加速电压送出,进入质量分析器。 由于处于真空状态,在EI法中,一般可以忽略 离子与分子间的相互碰撞,则认为EIMS中的反 应是单分子反应。
由于电子动能的一部分转移到分子内部,使
根据不同反应气体的选择,可以使样品分子有 所选择地电离,同样不同类型的分子能被特定的正 或负反应离子有选择地电离。例如,胺和醚等含杂 原子的分子通常产生大量的[M+H]+,而饱和烃则常 产生[M-H]+等。
特点
1)与电子轰击法的直接轰击样品相比,因为是通过 发生‘离子—分子’反应来实现离子化,则它是一种 ‘软电离’技术。因此,在EI法中不易产生分子离子 的化合物,在CI中易形成较高丰度的[M+H]+或[MH]+等‘准’分子离子。
检测分析器: 接收离子束并将电信号放大的 装置
进样系统:将分析样品导入离子源的装置; 包 括: 直接进样, GC, LC及 接口, 参考物或 靶气气体进样等
质量分析器: 将离子按不同质荷比(m/z)大小 分离的分析部分; 离子通过分析器后,按 不同质荷比分开,并将相同的质荷比离子 聚焦在一起, 从而形成质谱
(B为反应气体)
反应离子(大量充满离子源)与样品分子在 离子化能量作用下进行电荷交换反应,在质子(氢) 亲和力作用下,进行离子—分子反应。
M + B+• M+• + B M + (B+H)+ (M+H)+ + B M + (B-H)+ (M-H)+ + B M + (B+H)+ (M+B+H)+
在CI离子源中,用电子轰击导入的反应气体,
使其离子化。
B + e - B+• + 2e -
(1) (电子电离)
B+• +B (B+H)+ + (B-H)• (2)
(B-H)+ or (B-H)- (3) (多次反应)
b- or b- •
(4) (碎片离子)
B + e - B- •
(5)
在MALDI法中,影响离子化过程以及质谱结 果的主要有三大因素:基质、激光能量、样品制备
基质
基质的选择主要取决于所采用的激光波长(能量)以 及被分析样品的性质。其主要作用是作为把能量从激光束传 递给样品的中间体,并通过大量过量的基质使样品得以有效 分散,在防止样品被破坏的同时,可减少被分析样品分子之 间的相互作用。一般,常用有机酸以及甘油等。
2)偶电子离子一般具有较低的内能,因此,得到碎
片少,谱图简单,但结构信息少一些。
3)与EI法同样,样品需要汽化,对难挥发性的化合
物不太适合。
ON O N
O
(M.W. 224)
甲糖宁的EI-MS与CI-MS谱比较
3、快原子轰击法(FBA)
快原子轰击电离法是,用高速原子(离子)枪射 出 的数kV的高速中性原子(Ar, Xe or Cs+离子)束对溶解在 底物中的样品溶液进行轰击,产生 [M+H]+ or [M]+等离 子的电离法。
A fast:高速原子(离子)
由上述四个主要反应可以看出,反应[1]、
[2]、[4]亦是由于高轰击能量产生的,生成的离 子具有高内部能量(甚至有些分子如C60分子可 能有100ev),从而提供大量碎片信息。则有人 研究认为产生的谱与EI相似,即‘EI-like’,只有 [3]式是相似于CI的‘软电离’过程,即产生的谱
4、检测器 包括Faraday圆筒(直接电检测器)、电子倍增器、 闪烁计数器、微通道板、照相低片等
phe-1中[M+H]+离子的FAB-MS/MS谱
CH3O
百度文库
OH
N
CH3O
OCH3
质谱技术的主要特点
1、应用范围广 2、灵敏度高 3、分析速度快 4、能同时提供有机样品的精确相对分子质 量,元素组成、碳内架及官能团结构信息 5、与计算机结合使用,操作方便 6、与其他仪器相比,其结构复杂,价格昂 贵,使用及维修不方便 7、样品被破坏,无法回收
1. 真空系统 如图所示,质谱仪中所有部分均要处于高度真空的条件下(10-4-10-6
托或mmHg柱), 其作用是减少离子碰撞损失。真空度过低,将会引起
: a)大量氧会烧坏离子源灯丝; b)引起其它分子离子反应,使质谱图复杂化; c)干扰离子源正常调节; d)用作加速离子的几千伏高压会引起放电。
2. 进样系统 对进样系统的要求:重复性好、不引起真空度降低。 进样方式: a) 间歇式进样:适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体。如图所 示。注入样品(10-100g)—贮样器(0.5L-3L)—抽真空(10-2 Torr)并加热—样品蒸汽 分子(压力陡度)—漏隙—高真空离子源。
样品制备 高灵敏度是MALDI法的一个显著优点,一
般所需要的样品量为1 pmol甚至更少。但是,关 键是需要将样品分子溶入周围的基质分子群中, 必须制备成均匀的固溶体。
其次是浓度问题。如果浓度过高,则必须进行更广范围 的激发,从而使为引起爆发汽化的临界值激光能量变高, 并且基质对样品的隔离作用会受到影响,导致信号强度下 降。反之,如果浓度过稀,为了将形成的基质结晶破坏, 则仍需要提高临界值。因此,为了避免样品分子的破坏, 则需要制备出能在最小临界值下引起爆发汽化的样品浓度。
图为‘CI-like’谱。因此,近来有人认为FAB法不 属于‘软电离’技术。
产生的分子离子
一般常见的[M+H]+
根据底物脱氢以及分解反应产生的[M-H]+
容易提供电子的芳烃化合物产生M+•
甾类化合物、氨基霉素等还产生[M+NH4]+
糖甙、聚醚等一般可(产生)观察到[M+Na]+ 由底物与粒子轰击(碰撞)诱导发生还原反应
当用负喷雾电场时,通过除去质子或其它阳离子而 生成负离子。
所带电荷的多少取决于所得的带正电荷或负电荷的 分子中酸性或碱性基团的体积和数量。
通常小分子得到[M+H]+ 或[M-H]- 单电荷离子。而 生物大分子产生z>1的多电荷离子。
它是最软的电离技术,通常只产生分子离子 峰, 因此可以测定不稳定的极性化合物,并可直接测 定混合物。
分子内部能量过剩,产生碎片离子。同时具有一 定热能量(0.1~0.01ev)的轰击电子,由于在分 子电子亲和力(EA)作用下被捕获,形成负的分 子离子。
技术成熟,使用面广 ; 结构简单,峰重现性好 ; 离子化效率高,碎片离子多 ; 不适合极性大、热不稳定性化合物; 分子量有限,一般≤1,000 。
来产生[M+nH]+ (n1),二聚体(双分子) [M+H+M]+ 及[M+H+B]+ 等
4、电喷雾离子化法(ESI)
ESI是在液滴通过逐渐‘蒸发’产生离子发射的过 程中 形成的,这种过程也称为“离子蒸发”。当 样品溶液由泵输 送从毛细管流出的瞬间,在雾化气(N2)、强电场(2~ 5kV)和近于大气压的干燥气体(N2)的作用下,溶剂在毛 细管端口发生喷雾,产生高电荷的液体微粒(液 滴),所以 称之为‘电喷雾’。
(加热)
1.3-0.13Pa
b) 直接探针进样:高沸点液体及固体 探针杆通常是一根规格为25cm6mm i.d.,末端有一装样品的黄金杯(坩埚)
,将探针杆通过真空闭锁系统引入样品,如图所示。
优点: 1)引入样品量小,样品蒸汽压
可以很低; 2)可以分析复杂有机物; 3)应用更广泛。
c) 色谱进样:利用气相和液相色谱的分离能力,与质谱仪联用,进行多组份复 杂混合物分析。
一、离子源
1、EI法的原理和特点
电子轰击电离法是最经典常规的方式,是一 种‘硬’电离方法, 是一种将样品的汽化与离子 化分别发生的典型方法 。电离电压(能量)通常 为70eV。
首先样品在进样系统中的玻璃管或金属管 中加热汽化,进入离子源电离室扩散在电子束中, 电离室处于高真空(10-4 Torr)的状态,从而 使气态分子受到电子束的轰击,产生分子离子。
(M+B) + Afast [M+H]+ + [B-H]- + A [1]
(离M子+B化) 过+ A程fast [M-H]- + [B+H]+ + A [2]
M + [B+H]+ [M+H]+ + B
[3]
(M+B) + Afast M+ + B + A + e[4]
M:样品分子 B:底物分子
段之一。
真空系统
进样系统 离子源 质量分析器 检测接收器
控制及数据处理系统
离子源: 使被测样品分子离子化成为带电离 子的装置, 并对离子进行 加速使其进入 分析器
真空系统: 利用机械泵, 扩散泵或分子泵等, 抽取离子源和分析器的空气并达到高真空, 使离子从离子源到达接收器
控制及数据处理系统: 处理并给出分析结果, 现代计算机还可以控制 质谱仪进行各项 工作
例如,作为蛋白质等大分子的基质所需要的选择基准是 (用基质分子B的离子种类强度比值):以
B+• / (B+H)+ < 1 为最佳; B+• / (B+H) += 1 为一般; B+• / (B+H)+ >1 为不适。
激光能量 选择适当波长的激光很重要,它是决定离子
化与样品被分解界限的重要制约因素。 MALDI 使用脉冲激光,其脉冲宽度为1 ~ 200nm。常用 的有氮激光器(337nm);Nd-YAG激光器 (355nm, 266nm)等。
当用正电场时,在ESI温和的条件下样品分子通常 带上质子、碱金属离子或铵离子生成正离子的加合 离子。
(6) (电荷交换) (7) (质子转移) (8) (脱氢) (9) (加合离子)
(B为反应气体,M为样品分子)
M + e- M- • M + (B-H)- (M-H)- + B
M + B- • (M+B)- •
(10) (捕获电子) (11) (质子转移) (12) (离子—分子相
互 作用)
质谱法
质谱法( Mass Spectrometry ) MS
质谱(mass spectrum,简称MS),就是把化合物分子用一 定方式裂解后生成的各种离子,按其质量大小排列而成的图谱。 测定化合物的质谱,只需少量样品。常用量约 l mg,最少用量 只需几微克。利用质谱,可以测定化合物的分子量,并能推测 它的分子式以及分子结构。如将质谱仪与气相色谱仪联用,还 可以测定混合物中各组份的化学结构以及它们的含量。随着仪 器的发展,特别是将质谱仪与计算机联用后,质谱分析变得更 加快速、准确、简便。现在,质谱已成为有机化学、药物化学、 生物化学、石油化学以及环境保护等学科领域内的主要分析手
根据所选择的基质,基质与样品的mol比值为,基质: 样品 = 1000:1 ~ 10000:1 。
多电荷离子的形成,可以分析大分子,如蛋白质 和寡核苷酸等。
通过调节离子源参数(改变取样锥体电压),可 以控制离子在离子源内的断裂,从而给出结构信 息(源内CID)。
5、基质辅助激光解吸离子化法( MALDI)
MALDI技术是将大分子样品溶于适宜的溶剂 中,与大量的基质相混合,其目的是限制激光直接 照射样品,以防止样品被破坏。基质(小分子有机 物)必须是强烈吸收入射激光辐射的分子,基质分 子吸收辐射后,吸收的能量在基质中诱发冲击波, 从而释放出完整的大分子的气相分子离子。 MALDI中离子的形成,通常认为包括质子化、碱 金属离子的加合和光离子化等。
FAB法的关键之一是选择适当的(基质)底物, 从而, 可以进行从低极性到较高极性的范围较广的有机化合物测 定,是目前应用比较广的电离技术。
当高速中性原子轰击底物溶液后,在发生‘爆发性’ 汽化的同时,发生离子—分子反应,从而,产生(解离性) 氢质子转移反应[1]和[2]式及[3]式,与(电子轰击法相 似)的轰击离子化反应[4]等.
2、化学电离法(CI, chemical ionization)
CI法亦是一种样品的汽化与离子化分别发 生的电离法。它不适合对易热分解的化合物,但 是,因为要利用离子分子反应来实现离子化,因 此是‘软电离’法。并且可以说是其它‘软电离’ 法,FAB、MALDI、APCI、TSP等的基础,同时 是气相离子化学的主要技术。
M + e - M z+ + (z+1)e - (z1) (1)
M + e - M- •
(2)
产生的离子被离子源中的排斥电极推出离 子源,然后被加速电压送出,进入质量分析器。 由于处于真空状态,在EI法中,一般可以忽略 离子与分子间的相互碰撞,则认为EIMS中的反 应是单分子反应。
由于电子动能的一部分转移到分子内部,使
根据不同反应气体的选择,可以使样品分子有 所选择地电离,同样不同类型的分子能被特定的正 或负反应离子有选择地电离。例如,胺和醚等含杂 原子的分子通常产生大量的[M+H]+,而饱和烃则常 产生[M-H]+等。
特点
1)与电子轰击法的直接轰击样品相比,因为是通过 发生‘离子—分子’反应来实现离子化,则它是一种 ‘软电离’技术。因此,在EI法中不易产生分子离子 的化合物,在CI中易形成较高丰度的[M+H]+或[MH]+等‘准’分子离子。
检测分析器: 接收离子束并将电信号放大的 装置
进样系统:将分析样品导入离子源的装置; 包 括: 直接进样, GC, LC及 接口, 参考物或 靶气气体进样等
质量分析器: 将离子按不同质荷比(m/z)大小 分离的分析部分; 离子通过分析器后,按 不同质荷比分开,并将相同的质荷比离子 聚焦在一起, 从而形成质谱
(B为反应气体)
反应离子(大量充满离子源)与样品分子在 离子化能量作用下进行电荷交换反应,在质子(氢) 亲和力作用下,进行离子—分子反应。
M + B+• M+• + B M + (B+H)+ (M+H)+ + B M + (B-H)+ (M-H)+ + B M + (B+H)+ (M+B+H)+
在CI离子源中,用电子轰击导入的反应气体,
使其离子化。
B + e - B+• + 2e -
(1) (电子电离)
B+• +B (B+H)+ + (B-H)• (2)
(B-H)+ or (B-H)- (3) (多次反应)
b- or b- •
(4) (碎片离子)
B + e - B- •
(5)
在MALDI法中,影响离子化过程以及质谱结 果的主要有三大因素:基质、激光能量、样品制备
基质
基质的选择主要取决于所采用的激光波长(能量)以 及被分析样品的性质。其主要作用是作为把能量从激光束传 递给样品的中间体,并通过大量过量的基质使样品得以有效 分散,在防止样品被破坏的同时,可减少被分析样品分子之 间的相互作用。一般,常用有机酸以及甘油等。
2)偶电子离子一般具有较低的内能,因此,得到碎
片少,谱图简单,但结构信息少一些。
3)与EI法同样,样品需要汽化,对难挥发性的化合
物不太适合。
ON O N
O
(M.W. 224)
甲糖宁的EI-MS与CI-MS谱比较
3、快原子轰击法(FBA)
快原子轰击电离法是,用高速原子(离子)枪射 出 的数kV的高速中性原子(Ar, Xe or Cs+离子)束对溶解在 底物中的样品溶液进行轰击,产生 [M+H]+ or [M]+等离 子的电离法。
A fast:高速原子(离子)
由上述四个主要反应可以看出,反应[1]、
[2]、[4]亦是由于高轰击能量产生的,生成的离 子具有高内部能量(甚至有些分子如C60分子可 能有100ev),从而提供大量碎片信息。则有人 研究认为产生的谱与EI相似,即‘EI-like’,只有 [3]式是相似于CI的‘软电离’过程,即产生的谱
4、检测器 包括Faraday圆筒(直接电检测器)、电子倍增器、 闪烁计数器、微通道板、照相低片等
phe-1中[M+H]+离子的FAB-MS/MS谱
CH3O
百度文库
OH
N
CH3O
OCH3
质谱技术的主要特点
1、应用范围广 2、灵敏度高 3、分析速度快 4、能同时提供有机样品的精确相对分子质 量,元素组成、碳内架及官能团结构信息 5、与计算机结合使用,操作方便 6、与其他仪器相比,其结构复杂,价格昂 贵,使用及维修不方便 7、样品被破坏,无法回收
1. 真空系统 如图所示,质谱仪中所有部分均要处于高度真空的条件下(10-4-10-6
托或mmHg柱), 其作用是减少离子碰撞损失。真空度过低,将会引起
: a)大量氧会烧坏离子源灯丝; b)引起其它分子离子反应,使质谱图复杂化; c)干扰离子源正常调节; d)用作加速离子的几千伏高压会引起放电。
2. 进样系统 对进样系统的要求:重复性好、不引起真空度降低。 进样方式: a) 间歇式进样:适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体。如图所 示。注入样品(10-100g)—贮样器(0.5L-3L)—抽真空(10-2 Torr)并加热—样品蒸汽 分子(压力陡度)—漏隙—高真空离子源。
样品制备 高灵敏度是MALDI法的一个显著优点,一
般所需要的样品量为1 pmol甚至更少。但是,关 键是需要将样品分子溶入周围的基质分子群中, 必须制备成均匀的固溶体。
其次是浓度问题。如果浓度过高,则必须进行更广范围 的激发,从而使为引起爆发汽化的临界值激光能量变高, 并且基质对样品的隔离作用会受到影响,导致信号强度下 降。反之,如果浓度过稀,为了将形成的基质结晶破坏, 则仍需要提高临界值。因此,为了避免样品分子的破坏, 则需要制备出能在最小临界值下引起爆发汽化的样品浓度。
图为‘CI-like’谱。因此,近来有人认为FAB法不 属于‘软电离’技术。
产生的分子离子
一般常见的[M+H]+
根据底物脱氢以及分解反应产生的[M-H]+
容易提供电子的芳烃化合物产生M+•
甾类化合物、氨基霉素等还产生[M+NH4]+
糖甙、聚醚等一般可(产生)观察到[M+Na]+ 由底物与粒子轰击(碰撞)诱导发生还原反应
当用负喷雾电场时,通过除去质子或其它阳离子而 生成负离子。
所带电荷的多少取决于所得的带正电荷或负电荷的 分子中酸性或碱性基团的体积和数量。
通常小分子得到[M+H]+ 或[M-H]- 单电荷离子。而 生物大分子产生z>1的多电荷离子。
它是最软的电离技术,通常只产生分子离子 峰, 因此可以测定不稳定的极性化合物,并可直接测 定混合物。
分子内部能量过剩,产生碎片离子。同时具有一 定热能量(0.1~0.01ev)的轰击电子,由于在分 子电子亲和力(EA)作用下被捕获,形成负的分 子离子。
技术成熟,使用面广 ; 结构简单,峰重现性好 ; 离子化效率高,碎片离子多 ; 不适合极性大、热不稳定性化合物; 分子量有限,一般≤1,000 。
来产生[M+nH]+ (n1),二聚体(双分子) [M+H+M]+ 及[M+H+B]+ 等
4、电喷雾离子化法(ESI)
ESI是在液滴通过逐渐‘蒸发’产生离子发射的过 程中 形成的,这种过程也称为“离子蒸发”。当 样品溶液由泵输 送从毛细管流出的瞬间,在雾化气(N2)、强电场(2~ 5kV)和近于大气压的干燥气体(N2)的作用下,溶剂在毛 细管端口发生喷雾,产生高电荷的液体微粒(液 滴),所以 称之为‘电喷雾’。
(加热)
1.3-0.13Pa
b) 直接探针进样:高沸点液体及固体 探针杆通常是一根规格为25cm6mm i.d.,末端有一装样品的黄金杯(坩埚)
,将探针杆通过真空闭锁系统引入样品,如图所示。
优点: 1)引入样品量小,样品蒸汽压
可以很低; 2)可以分析复杂有机物; 3)应用更广泛。
c) 色谱进样:利用气相和液相色谱的分离能力,与质谱仪联用,进行多组份复 杂混合物分析。
一、离子源
1、EI法的原理和特点
电子轰击电离法是最经典常规的方式,是一 种‘硬’电离方法, 是一种将样品的汽化与离子 化分别发生的典型方法 。电离电压(能量)通常 为70eV。
首先样品在进样系统中的玻璃管或金属管 中加热汽化,进入离子源电离室扩散在电子束中, 电离室处于高真空(10-4 Torr)的状态,从而 使气态分子受到电子束的轰击,产生分子离子。
(M+B) + Afast [M+H]+ + [B-H]- + A [1]
(离M子+B化) 过+ A程fast [M-H]- + [B+H]+ + A [2]
M + [B+H]+ [M+H]+ + B
[3]
(M+B) + Afast M+ + B + A + e[4]
M:样品分子 B:底物分子
段之一。
真空系统
进样系统 离子源 质量分析器 检测接收器
控制及数据处理系统
离子源: 使被测样品分子离子化成为带电离 子的装置, 并对离子进行 加速使其进入 分析器
真空系统: 利用机械泵, 扩散泵或分子泵等, 抽取离子源和分析器的空气并达到高真空, 使离子从离子源到达接收器
控制及数据处理系统: 处理并给出分析结果, 现代计算机还可以控制 质谱仪进行各项 工作
例如,作为蛋白质等大分子的基质所需要的选择基准是 (用基质分子B的离子种类强度比值):以
B+• / (B+H)+ < 1 为最佳; B+• / (B+H) += 1 为一般; B+• / (B+H)+ >1 为不适。
激光能量 选择适当波长的激光很重要,它是决定离子
化与样品被分解界限的重要制约因素。 MALDI 使用脉冲激光,其脉冲宽度为1 ~ 200nm。常用 的有氮激光器(337nm);Nd-YAG激光器 (355nm, 266nm)等。