質(zhì)譜儀又稱質(zhì)譜計(jì)，分離和檢測不同同位素的儀器，即根據(jù)帶電粒子在電磁場中能夠偏轉(zhuǎn)的原理，按物質(zhì)原子、分子或分子碎片的質(zhì)量差異進(jìn)行分離和檢測物質(zhì)組成的一類儀器。它被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、食品安全、生命科學(xué)、材料分析等前沿領(lǐng)域，是現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室中不可或缺的“分子偵探”。

質(zhì)譜儀的核心任務(wù)可以概括為兩個(gè)字：“識別”。儀器能用高能電子流等轟擊樣品分子，使該分子失去電子變?yōu)閹д姾傻姆肿与x子和碎片離子。這些不同離子具有不同的質(zhì)量，質(zhì)量不同的離子在磁場的作用下到達(dá)檢測器的時(shí)間不同，其結(jié)果為質(zhì)譜圖。

原理公式：

質(zhì)譜分析是先將物質(zhì)離子化，按離子的質(zhì)荷比分離，然后測量各種離子譜峰的強(qiáng)度而實(shí)現(xiàn)分析目的一種分析方法。

質(zhì)譜儀按應(yīng)用范圍分為同位素質(zhì)譜儀、無機(jī)質(zhì)譜儀和有機(jī)質(zhì)譜儀；按分辨本領(lǐng)分為高分辨、中分辨和低分辨質(zhì)譜儀；按工作原理分為靜態(tài)儀器和動態(tài)儀器。

一、工作原理

質(zhì)譜分析的核心環(huán)節(jié)聚焦于氣相狀態(tài)下對樣品分子的電離與碎裂過程。當(dāng)樣品分子進(jìn)入離子源后，會被電離，進(jìn)而產(chǎn)生具有獨(dú)特特征的離子碎裂模式。這些碎裂模式猶如分子獨(dú)一無二的“指紋”，能夠?yàn)檠芯咳藛T提供豐富且關(guān)鍵的分子結(jié)構(gòu)信息。

盡管復(fù)雜，質(zhì)譜儀的基本原理可拆解為電離、分離、檢測三大步驟：

1、電離(將樣品轉(zhuǎn)化為帶電粒子)

通過激光、電擊或高溫等方式，把樣品“打碎”成帶電粒子(離子)。常用方法包括電子轟擊(EI)、電噴霧(ESI)等。這一步的目的，是讓原本中性的分子變成可操控的“電荷體”。

2、分離(按質(zhì)荷比排序飛行速度)

離子被加速后進(jìn)入磁場或電場中，不同質(zhì)荷比的離子飛行軌跡和速度不同。質(zhì)譜儀便通過這些差異，將它們在時(shí)間或空間上分離開來。

3、檢測(記錄并生成質(zhì)譜圖)

當(dāng)離子撞擊檢測器時(shí)，會轉(zhuǎn)化為電信號，形成一個(gè)個(gè)“峰值”，組成質(zhì)譜圖。這個(gè)圖就像分子指紋，科學(xué)家可以通過它判斷一個(gè)樣品中含有哪些成分，以及它們的比例和結(jié)構(gòu)特征。例如，在法醫(yī)學(xué)實(shí)踐中，質(zhì)譜儀常常與氣相色譜(GC)或液相色譜(LC)聯(lián)合使用。首先，利用色譜法的高效分離特性，將樣品中復(fù)雜的不同化合物逐一分離；隨后，把分離得到的單一化合物依次導(dǎo)入質(zhì)譜儀，在質(zhì)譜儀內(nèi)經(jīng)歷離子化、分離以及檢測等步驟。通過這一系列操作，最終能夠獲取化合物的保留時(shí)間以及質(zhì)譜信息，為法醫(yī)學(xué)證據(jù)分析提供堅(jiān)實(shí)有力的支撐。

二、儀器組成

質(zhì)譜儀主要由五大關(guān)鍵部件構(gòu)成，分別為真空系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器、離子檢測器以及數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，其中以離子源、質(zhì)量分析器和離子檢測器為核心。

1、離子源

離子源在整個(gè)儀器中扮演著至關(guān)重要的角色，其職責(zé)是使試樣分子在高真空條件下離子化的裝置。電離后的分子因接受了過多的能量會進(jìn)一步碎裂成較小質(zhì)量的多種碎片離子和中性粒子。它們在加速電場作用下獲取具有相同能量的平均動能而進(jìn)入質(zhì)量分析器。離子源作為質(zhì)譜儀中負(fù)責(zé)將樣品分子電離為離子的關(guān)鍵核心部件，不同類型的離子源技術(shù)適配于不同特性的樣品以及多樣化的分析需求。常見的離子源技術(shù)主要有以下幾種。

? 電子電離(EI)

該技術(shù)利用高能電子與樣品分子之間的相互作用，促使樣品分子電離。電子從特制的燈絲發(fā)射出來，在磁場的作用下，以螺旋狀路徑運(yùn)動，這種獨(dú)特的運(yùn)動方式增加了電子與樣品分子相互碰撞的概率。樣品分子在電離后，會形成分子離子以及眾多碎片離子，通過對這些離子的分析，可以獲取豐富的分子結(jié)構(gòu)信息。然而，該技術(shù)存在一定局限性，分子離子可能因過度碎裂，導(dǎo)致難以被有效檢測。

? 化學(xué)電離(CI)

此技術(shù)借助試劑氣體(例如甲烷)所發(fā)生的離子-分子反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對樣品分子的電離。首先，試劑氣體被電子電離，隨后與樣品分子發(fā)生諸如質(zhì)子轉(zhuǎn)移、質(zhì)子抽取以及加合物形成等一系列化學(xué)反應(yīng)，最終產(chǎn)生樣品的假分子離子。該過程幾乎不會引發(fā)樣品分子的碎裂，屬于一種較為溫和的“軟”電離過程，特別適用于對那些容易發(fā)生碎裂的分子進(jìn)行分析檢測。

? 電噴霧離子化(ESI)

在LC-MS系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。其原理是通過在毛細(xì)管與反電極之間施加電場，使液體樣品發(fā)生霧化并帶上電荷，隨著溶劑的逐漸蒸發(fā)，最終產(chǎn)生氣相離子。ESI同樣屬于“軟”電離方法，它能夠產(chǎn)生多電荷離子，對于分析大分子以及非揮發(fā)性分子具有很大優(yōu)勢。

? 大氣壓化學(xué)電離(APCI)

與ESI技術(shù)存在一定相似性。色譜柱流出的樣品經(jīng)氣動霧化器形成細(xì)微噴霧，液滴在加熱室中迅速脫溶汽化，隨后在電暈放電電極上發(fā)生電離，通過離子與樣品分子之間的碰撞，將電荷成功轉(zhuǎn)移到樣品分子上。該技術(shù)具有電離效率高、產(chǎn)生的分子離子碎片少等優(yōu)點(diǎn)。

2、質(zhì)量分析器

質(zhì)量分析器則依據(jù)離子所具有的質(zhì)量-電荷(m/z)比這一特性，對離子進(jìn)行精準(zhǔn)分離；分離后的離子依次進(jìn)入離子檢測器，采集放大離子信號，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，繪制成質(zhì)譜圖。

與離子源類似，質(zhì)量分析器也存在多種不同的設(shè)計(jì)方案，這些方案在離子篩選的方式、分析器的傳輸性能、可測量的上限質(zhì)量范圍以及分辨率等方面均有所差異。離子透過率這一指標(biāo)，表征的是通過分析器抵達(dá)檢測器的離子數(shù)量與離子源產(chǎn)生的離子總數(shù)的比值；質(zhì)量上限指的是能夠測量的最高m/z值；而分辨率體現(xiàn)的則是分析器對質(zhì)量極為相近的兩個(gè)離子的分辨能力。

? 扇形質(zhì)量分析器

在扇形質(zhì)量分析器的質(zhì)量分析進(jìn)程里，離子會在外加磁場或者電場的作用下實(shí)現(xiàn)分離。以磁性扇形分析器為例，來自離子源的離子在外部施加磁場的影響下，朝著檢測器方向移動。磁場會促使離子沿著彎曲的軌跡運(yùn)動，其曲率半徑由加速電壓以及磁場強(qiáng)度共同決定。在特定的電壓和磁場強(qiáng)度條件下，僅有特定m/z值的離子能夠沿著精準(zhǔn)的曲率半徑順利抵達(dá)檢測器。所以，通過對電壓或者磁場強(qiáng)度進(jìn)行掃描操作，不同m/z值的離子便會依次到達(dá)檢測器。另外，靜電分析器還能夠安裝在磁扇區(qū)之前(即雙聚焦模式)，以此強(qiáng)化對具有相同 m/z 值但動能存在細(xì)微差異的離子的聚焦效果，進(jìn)而提升分辨率。

? 飛行時(shí)間質(zhì)量分析器

飛行時(shí)間分析器具有一個(gè)特點(diǎn)，即離子的分離過程是在無場區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的。從離子源產(chǎn)生的離子會被加速至相同的動能狀態(tài)，隨后測量這些離子穿越飛行管所需耗費(fèi)的時(shí)間。盡管離子具有相同的動能，然而由于m/z值不同，它們的速度也各不相同。質(zhì)量較小、m/z值較低的離子速度相對較大，因此在飛行管中的移動速度更快，會先于質(zhì)量較高的離子到達(dá)檢測器，從而達(dá)成離子分離的目的。飛行時(shí)間質(zhì)量分析器近期與一種相對新穎的電離技術(shù)——實(shí)時(shí)直接分析(DART)相結(jié)合。這種 DART技術(shù)能夠在大氣壓環(huán)境下對樣品進(jìn)行電離，并且?guī)缀醪恍枰獙悠愤M(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理。DART與飛行時(shí)間質(zhì)量分析器的這種組合模式，在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中愈發(fā)常見，特別是在分析受控物質(zhì)領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。不過，就目前而言，飛行時(shí)間質(zhì)量分析器在實(shí)驗(yàn)室中尚未成為常規(guī)使用的設(shè)備。更為常見的商用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀和液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，通常配備的是四極桿或離子阱質(zhì)量分析器。

? 四極桿質(zhì)量分析器

四極桿質(zhì)量分析器由四根相互平行、具有雙曲線截面的導(dǎo)電桿構(gòu)成，這些導(dǎo)電桿圍繞中心軸等間距排列，離子則沿著中心軸進(jìn)行傳導(dǎo)。導(dǎo)電桿與射頻(RF)和直流(DC)發(fā)生器相連接，相鄰導(dǎo)電桿的射頻相位呈現(xiàn)相反狀態(tài)。對于一組給定的射頻和直流電位，僅有在較窄m/z值范圍內(nèi)的離子能夠擁有穩(wěn)定的運(yùn)動軌跡并到達(dá)檢測器；其他所有離子則會撞擊導(dǎo)電桿并被中和。在全掃描模式下，射頻振幅和直流電壓會在保持恒定比率的同時(shí)進(jìn)行掃描，這樣一來，m/z 值越大的離子越有可能到達(dá)檢測器。然而，全掃描模式存在一個(gè)弊端，即每個(gè)m/z值的離子在分析器中停留的時(shí)間極為短暫，所以在每個(gè)掃描周期內(nèi)，僅有一小部分離子能夠到達(dá)檢測器。為了提升靈敏度，可以采用選擇離子監(jiān)測模式，也就是針對特定的相關(guān)離子施加射頻和直流電壓。由于在給定的掃描周期內(nèi)，掃描的m/z值數(shù)量減少，因此有更大比例的目標(biāo)m/z值離子能夠到達(dá)檢測器，從而有效提高了檢測靈敏度。

? 離子阱質(zhì)量分析器

離子阱質(zhì)量分析器由一個(gè)環(huán)形電極以及位于上下兩端的端蓋電極共同組成。一般情況下，離子在阱外生成，然后通過其中一個(gè)端蓋電極上預(yù)先開設(shè)的小孔進(jìn)入阱內(nèi)。所有不同m/z值的離子都會被存儲在阱中，在三維空間內(nèi)做諧振運(yùn)動，并且每個(gè)m/z值的離子都具有一個(gè)特定的振蕩頻率。通常會在阱中引入氦氣等阻尼氣體，其作用在于在離子注入過程中，能夠高效地捕獲離子，同時(shí)還能促使碰撞誘導(dǎo)解離現(xiàn)象的發(fā)生。在商用儀器中，會在環(huán)形電極上施加頻率固定但振幅可變化的射頻電壓。通過從低到高對射頻振幅進(jìn)行掃描，m/z值逐漸增大的離子會變得不穩(wěn)定，進(jìn)而從阱中噴射出去，由此實(shí)現(xiàn)全掃描過程。

? 串聯(lián)質(zhì)譜法

串聯(lián)質(zhì)譜(MS/MS)涉及兩個(gè)相互獨(dú)立的質(zhì)量分析階段，該技術(shù)可用于解讀質(zhì)譜中離子之間的內(nèi)在關(guān)系，或者識別復(fù)雜混合物中未經(jīng)事先分離的化合物。雖然MS/MS掃描存在多種不同類型，但在實(shí)際應(yīng)用中，最為常用的是“產(chǎn)物離子掃描”。在這種掃描模式下，首先將感興趣的離子分離出來(去除其他所有離子)，接著對該離子進(jìn)行碎裂處理，隨后收集產(chǎn)生的質(zhì)譜信息。如此得到的質(zhì)譜圖，僅包含來自相關(guān)離子的碎片離子信息。MS/MS實(shí)驗(yàn)主要有“空間串聯(lián)”和“時(shí)間串聯(lián)”兩種方式?！翱臻g串聯(lián)”至少需要兩個(gè)不同的質(zhì)量分析器，在實(shí)際操作中，常常會使用三重四極桿儀器。這類儀器由三個(gè)串聯(lián)在一起的四極桿組成：第一個(gè)和第三個(gè)四極桿承擔(dān)質(zhì)量分析器的功能，第二個(gè)四極桿則是僅施加射頻的純射頻四極桿，其作用是作為碰撞池。在進(jìn)行產(chǎn)物離子掃描時(shí)，相關(guān)離子在第一個(gè)四極桿中被篩選出來并加速進(jìn)入第二個(gè)四極桿，在這里與試劑氣體發(fā)生碰撞。碰撞產(chǎn)生的碎片離子會在第三個(gè)四極桿中進(jìn)行掃描，最終生成質(zhì)譜圖。另一方面，離子阱質(zhì)量分析器可用于“串聯(lián)-實(shí)時(shí)”質(zhì)譜分析。在這種情況下，對感興趣離子的選擇、碎裂以及對產(chǎn)生離子的收集等一系列操作，均在同一個(gè)阱中完成。起初，將所需m/z值的離子存儲在阱內(nèi)，而其他所有離子則通過施加寬帶波形被排出阱外，寬帶波形能夠加速除所需離子之外的所有m/z值的離子。然后將剩余的離子加速至非噴射速度，使其與氦阻尼氣體發(fā)生碰撞并碎裂。接著通過掃描射頻振幅，將碎片離子依次從阱中射向檢測器，進(jìn)而生成僅包含相關(guān)離子碎片信息的頻譜。

3、離子檢測器

離子檢測器專門用于記錄經(jīng)過分離后的離子強(qiáng)度；數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)負(fù)責(zé)對離子檢測器產(chǎn)生的微弱信號進(jìn)行放大處理，并將其數(shù)字化，最終生成可供分析解讀的質(zhì)譜圖。在氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)和液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS)儀器中，電子倍增器是最為常用的離子檢測器。這主要是因?yàn)樗哂畜w積小巧、能夠?qū)π盘栠M(jìn)行放大以及成本相對較低等優(yōu)勢。倍增器整體呈喇叭形狀，由玻璃材質(zhì)制成，并在其表面涂覆有一層半導(dǎo)體材料(例如鉛氧化物)。當(dāng)這種材料受到高能粒子撞擊時(shí)，能夠較為容易地釋放出二次電子。倍增器的最外端維持高電位，而最內(nèi)端則接地。來自質(zhì)譜分析器的離子能夠被加速至倍增器的外端，在與倍增器表面發(fā)生碰撞時(shí)，會釋放出多個(gè)電子。這些電子會被進(jìn)一步吸引進(jìn)入倍增器內(nèi)部，并與倍增器表面發(fā)生更多次碰撞。每次電子與表面碰撞時(shí)，都會激發(fā)出更多的電子。如此一來，離開質(zhì)譜分析器的離子束就被轉(zhuǎn)化為一系列類似瀑布般的電子流。大多數(shù)倍增器的信號放大倍數(shù)處于10^5到10^6這個(gè)量級范圍。最終產(chǎn)生的電流會在模數(shù)轉(zhuǎn)換器中被數(shù)字化處理，并傳輸至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)中生成質(zhì)譜圖。

4、真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)為整個(gè)質(zhì)譜分析過程營造了穩(wěn)定可靠的環(huán)境，它能夠有效防止氣相離子與中性分子發(fā)生碰撞。一旦發(fā)生此類碰撞，不僅會導(dǎo)致質(zhì)譜儀的靈敏度大幅降低，還會使質(zhì)譜結(jié)果的解析變得極為復(fù)雜。通常情況下，真空系統(tǒng)能夠?qū)?nèi)部壓力降低至10-9 torr(1.33×10-7Pa)的低水平。

5、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)

? 質(zhì)譜圖構(gòu)成

質(zhì)譜圖是一種以圖形形式呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，其中Y軸表示相對豐度，X軸表示m/z值。質(zhì)量最高的離子通常是分子離子的某種表現(xiàn)形式，其具體的m/z值取決于所采用的電離技術(shù)。在譜圖中，豐度最高的離子被稱作“基峰”，并將其豐度設(shè)定為100%。其他所有碎片離子的豐度均是相對于基峰來進(jìn)行表示的。

? 電離技術(shù)與數(shù)據(jù)特點(diǎn)

數(shù)據(jù)解讀的復(fù)雜程度以及能夠獲取的有效信息，在很大程度上依賴于所采用的電離技術(shù)。例如，電子電離(EI)能夠產(chǎn)生數(shù)十個(gè)單電荷碎片離子，從而為分析提供豐富的分子結(jié)構(gòu)信息。與之相反，像電噴霧電離(ESI)等技術(shù)則能夠提供多電荷離子，這對于分析m/z值范圍有限的儀器而言非常實(shí)用。無論使用哪種電離技術(shù)，分子通常都會以一種獨(dú)特且具有重復(fù)性的方式產(chǎn)生碎片，所以質(zhì)譜圖能夠作為該分子的特征標(biāo)識，可與在相似條件下從其他來源收集到的質(zhì)譜圖進(jìn)行比對分析。

? ICP - MS 聯(lián)用與元素分析

將質(zhì)譜儀與電感耦合等離子體(ICP)這樣的離子源相結(jié)合，能夠針對每個(gè)被分析的樣品生成元素信息。ICP源由一團(tuán)溫度極高的氣體(通常為氬氣)構(gòu)成，其作用是使樣品原子化并電離。隨后，生成的離子被傳輸至質(zhì)譜儀中，進(jìn)行后續(xù)的分離和檢測操作。通過所生成的質(zhì)譜圖，可以依據(jù)存在離子的質(zhì)量來確定樣品的元素組成。利用ICP-MS技術(shù)，幾乎能夠檢測周期表中的所有元素，其檢測限范圍極廣，從低至億分之幾(mg/L)到低至萬億分之幾(ng/L)。

三、樣品引入

樣品引入質(zhì)譜儀的方式會根據(jù)樣品類型的不同而有所差異，常見的引入方法包含以下幾種：

1、直接插入探頭

此方法適用于相對較為純凈的固體樣品。借助真空互鎖系統(tǒng)，可將樣品直接插入到離子源部位，進(jìn)而使樣品在離子源內(nèi)實(shí)現(xiàn)電離。

2、膜接口

主要用于液體或氣體樣品的持續(xù)穩(wěn)定引入。樣品通過膜接口進(jìn)入離子源，在膜的特殊作用下，樣品分子選擇性地透過膜進(jìn)入離子源，完成電離過程。

3、大氣壓離子源

樣品在大氣壓環(huán)境下實(shí)現(xiàn)電離，產(chǎn)生的離子借助一系列精心設(shè)計(jì)的聚焦透鏡，被精準(zhǔn)轉(zhuǎn)移至質(zhì)量分析儀。在氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)以及液相色譜-質(zhì)譜法(LC-MS)系統(tǒng)中，樣品首先被注入色譜系統(tǒng)，在色譜系統(tǒng)內(nèi)被分離成單個(gè)純凈的化合物后，再被轉(zhuǎn)移至質(zhì)譜儀進(jìn)行電離與分析。在GC-MS系統(tǒng)里，毛細(xì)管柱的流速與真空系統(tǒng)能夠良好兼容，色譜柱可通過傳輸線直接連接至質(zhì)譜儀的離子源；而在LC-MS系統(tǒng)中，大氣壓電離子源巧妙解決了高流速帶來的問題，離子通過特定的孔道采樣進(jìn)入質(zhì)量分析器。

四、應(yīng)用范圍

質(zhì)譜儀并不只活躍在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，在多個(gè)行業(yè)中都扮演著關(guān)鍵角色。常見用途包括：檢測食品中的農(nóng)藥殘留、非法添加劑；分析血液中的藥物代謝成分；鑒定化學(xué)物質(zhì)的純度；探測環(huán)境污染物的微量痕跡。

1、食品安全

檢測瘦肉精、農(nóng)殘、防腐劑，精度可達(dá)ppb(十億分之一)級別。

2、醫(yī)學(xué)診斷

進(jìn)行代謝物、毒物、病原體的高通量篩查。

3、環(huán)境監(jiān)測

追蹤空氣、水體中的微量污染物，如重金屬、持久性有機(jī)污染物。

4、刑偵鑒定

分析毒品成分、火災(zāi)殘留物、爆炸物成因。

5、材料科學(xué)

分析合金成分、納米顆粒結(jié)構(gòu)。

在新冠疫情期間，質(zhì)譜儀還用于疫苗開發(fā)中的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析，可謂“幕后功臣”。