質(zhì)譜法是使待測化合物產(chǎn)生氣態(tài)離子，再按質(zhì)荷比（m/z）將離子分離、檢測的分析方法。質(zhì)譜法可提供分子質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的信息，定量測定可采用內(nèi)標(biāo)法或外標(biāo)法。
質(zhì)譜法是使待測化合物產(chǎn)生氣態(tài)離子，再按質(zhì)荷比（m/z）將離子分離、檢測的分析方法，檢測限可達10-15～10-12 mol 數(shù)量級。質(zhì)譜法可提供分子質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的信息，定量測定可采用內(nèi)標(biāo)法或外標(biāo)法。
質(zhì)譜儀的主要組成如圖 1 所示。在由泵維持的10-3～10-6 Pa 真空狀態(tài)下，離子源產(chǎn)生的各種正離子（或負離子），經(jīng)加速，進入質(zhì)量分析器分離，再由檢測器檢測。計算機系統(tǒng)用于控制儀器，記錄、處理并儲存數(shù)據(jù)，當(dāng)配有標(biāo)準譜庫軟件時，計算機系統(tǒng)可以將測得的質(zhì)譜與標(biāo)準譜庫中圖譜比較，獲得可能化合物的組成和結(jié)構(gòu)信息。
圖 1 質(zhì)譜儀的主要組成
一、進樣系統(tǒng)
樣品導(dǎo)入應(yīng)不影響質(zhì)譜儀的真空度。進樣方式的選擇取決于樣品的性質(zhì)、純度及所采用的離子化方式。
1. 直接進樣室溫常壓下，氣態(tài)或液態(tài)化合物的中性分子通過可控漏孔系統(tǒng)，進入離子源。吸附在固體上或溶解在液體中的揮發(fā)性待測化合物可采用頂空分析法提取和富集，程序升溫解吸附，再經(jīng)毛細管導(dǎo)入質(zhì)譜儀。
揮發(fā)性固體樣品可置于進樣桿頂端小坩堝內(nèi)，在接近離子源的高真空狀態(tài)下加熱、氣化。采用解吸離子化技術(shù)，可以使熱不穩(wěn)定的、難揮發(fā)的樣品在氣化的同時離子化。
多種分離技術(shù)已實現(xiàn)了與質(zhì)譜的聯(lián)用。經(jīng)分離后的各種待測成分，可以通過適當(dāng)?shù)慕涌趯?dǎo)入質(zhì)譜儀分析。
2. 氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用(GC/MS) 氣相色譜分離后的流出物呈氣態(tài)，待測化合物的分子大小也適宜于質(zhì)譜分析。在使用毛細管氣相色譜柱及高容量質(zhì)譜真空泵的情況下，色譜流出物可直接引入質(zhì)譜儀。
3. 液相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用(LC/MS) 使待測化合物從色譜流出物中分離、形成適合于質(zhì)譜分析的氣態(tài)分子或離子需要特殊的接口。粒子束（PBI）、移動帶(MBI)、大氣壓離子化（API）是可用的液相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用接口。為減少污染，避免化學(xué)噪聲和電離抑制，流動相中所含的緩沖鹽或添加劑通常應(yīng)具有揮發(fā)性，且用量也有一定的限制。
（1）粒子束接口：液相色譜的流出物在去溶劑室霧化、脫溶劑后，僅待測
化合物的中性分子被引入質(zhì)譜離子源。粒子束接口適用于分子質(zhì)量小于1 000 道
爾頓的弱極性化合物的分析，測得的質(zhì)譜可以由電子轟擊離子化或化學(xué)離子化
產(chǎn)生。電子轟擊離子化質(zhì)譜含有豐富的結(jié)構(gòu)信息。
（2）移動帶接口：流速為0.5 ml/min ～1.5 ml/min 的液相色譜流出物，均勻地滴加在移動帶上，蒸發(fā)、除去溶劑后，待測化合物被引入質(zhì)譜離子源。移動帶接口不適宜于極性大或熱不穩(wěn)定化合物的分析，測得的質(zhì)譜可以由電子轟擊離子化或化學(xué)離子化或快原子轟擊離子化產(chǎn)生。
（3）大氣壓離子化接口：電噴霧離子化、大氣壓化學(xué)離子化是目前液相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用廣泛采用的大氣壓離子化接口技術(shù)。由于兼具離子化功能，這些接口又稱為大氣壓離子源，將在離子化方式中介紹。
4. 超臨界流體色譜/質(zhì)譜聯(lián)用(SFC/MS) 目前，超臨界流體色譜/質(zhì)譜聯(lián)用主要采用大氣壓化學(xué)離子化或電噴霧離子化接口，色譜流出物通過一個位于柱子和離子源之間的加熱限流器轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，進入質(zhì)譜儀分析。
5. 毛細管電泳/質(zhì)譜聯(lián)用(CE/MS) 幾乎所有的毛細管電泳操作模式均可與質(zhì)譜聯(lián)用。選擇接口時，應(yīng)注意毛細管電泳的低流速特點并使用揮發(fā)性緩沖液。電噴霧離子化是毛細管電泳與質(zhì)譜聯(lián)用最常用的接口技術(shù)。
二、離子化方式
根據(jù)待測化合物的性質(zhì)及擬獲取的信息類型，可以選擇不同的離子化方式，使待測化合物生成氣態(tài)正離子或負離子，進一步質(zhì)譜分析。某些情況下，進樣和離子化在同一過程中完成，很難明確區(qū)分。
1.電子轟擊離子化（EI） 處于離子源的氣態(tài)待測化合物分子，受到一束能量（通常是70eV）大于其電離能的電子轟擊而離子化。質(zhì)譜中往往含有待測化合物的分子離子及具有待測化合物結(jié)構(gòu)特征的碎片離子。電子轟擊離子化適用于熱穩(wěn)定的、易揮發(fā)化合物的離子化，是氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用最常用的離子化方式。當(dāng)采用粒子束或移動帶等接口時，電子轟擊離子化也可用于液相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用。
2. 化學(xué)離子化（CI） 離子源中的試劑氣分子（如甲烷、異丁烷和氨氣）受高能電子轟擊而離子化，進一步發(fā)生離子-分子反應(yīng)，產(chǎn)生穩(wěn)定的試劑氣離子，再使待測化合物離子化。化學(xué)離子化可產(chǎn)生待測化合物（M）的 (M+H)+ 或(M-H)－特征離子、或待測化合物與試劑氣分子產(chǎn)生的加合離子。與電子轟擊離子化質(zhì)譜相比，化學(xué)離子化質(zhì)譜中碎片離子較少，適宜于采用電子轟擊離子化無法得到分子質(zhì)量信息的化合物分析。
3. 快原子轟擊（FAB）或快離子轟擊離子化(LSIMS) 高能中性原子（如氬氣）或高能銫離子，使置于金屬表面、分散于惰性粘稠基質(zhì)（如甘油）中的待測化合物離子化，產(chǎn)生 (M+H)+ 或(M-H)－特征離子或待測化合物與基質(zhì)分子的加合離子。快原子轟擊或快離子轟擊離子化非常適合于各種極性的、熱不穩(wěn)定化合物的分子質(zhì)量測定及結(jié)構(gòu)表征，廣泛應(yīng)用于肽、抗生素、核苷酸、脂質(zhì)、有機金屬化合物及表面活性劑的分析，分子質(zhì)量可高達10 000 道爾頓。快原子轟擊（FAB）或快離子轟擊離子化用于液相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用時，需在色譜流動相中添加1%~10%的甘油，且必須保持很低流速（1μl/min~10μl/min）。
4. 基質(zhì)輔助激光解吸離子化（MALDI） 將溶于適當(dāng)基質(zhì)中的供試品涂布于金屬靶上，用高強度的紫外或紅外脈沖激光照射，使待測化合物離子化。基質(zhì)輔助激光解吸離子化主要用于分子量在100 000 道爾頓以上的生物大分子分析，適宜與飛行時間分析器結(jié)合使用。
5. 電噴霧離子化（ESI） 離子化在大氣壓下進行。待測溶液（如液相色譜流出物）通過一終端加有幾千伏高壓的毛細管進入離子源，氣體輔助霧化，產(chǎn)生的微小液滴去溶劑，形成單電荷或多電荷的氣態(tài)離子。這些離子再經(jīng)逐步減壓區(qū)域，從大氣壓狀態(tài)傳送到質(zhì)譜儀的高真空中。電噴霧離子化可在1μl/min～1ml/min 流速下進行，適合極性化合物和分子量高達100 000道爾頓的生物大分子研究，是液相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用、毛細管電泳/質(zhì)譜聯(lián)用最成功的接口技術(shù)。
反相高效液相色譜常用的溶劑，如水、甲醇和乙腈等都十分有利于電噴霧離子化，但純水或純有機溶劑作為流動相不利于去溶劑或形成離子；在高流速情況下，流動相含有少量水或至少20％～30％的有機溶劑有助于獲得較高的分析靈敏度。
6. 大氣壓化學(xué)離子化(APCI) 原理與化學(xué)離子化相同，但離子化在大氣壓下進行。流動相在熱及氮氣流的作用下霧化成氣態(tài)，經(jīng)由帶有幾千伏高壓的放電電極時離子化，產(chǎn)生的試劑氣離子與待測化合物分子發(fā)生離子－分子反應(yīng)，形成單電荷離子。正離子通常是(M+H)+，負離子則是(M-H)－。大氣壓化學(xué)離子化能夠在流速高達2ml/min 下進行，是液相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用的重要接口之一。
電噴霧離子源與大氣壓化學(xué)離子源常共用一個真空接口，很容易相互更換。選擇電噴霧離子化還是大氣壓化學(xué)離子化，分析者不僅要考慮溶液（如液相色譜流動相）的性質(zhì)、組成和流速，待測化合物的化學(xué)性質(zhì)也至關(guān)重要。電噴霧離子化更適合于在溶液中容易電離的極性化合物，容易形成多電荷離子的化合物和生物大分子（如蛋白質(zhì)、多肽等）可以采用電噴霧離子源。大氣壓化學(xué)離子化常用于分析質(zhì)量小于1 500 道爾頓的小分子或弱極性化合物（如甾醇類和類胡蘿卜素等），主要產(chǎn)生的是(M+H)+ 或(M-H)－離子，很少有碎片離子。
相對而言，電噴霧離子化更適合于熱不穩(wěn)定的樣品，而大氣壓化學(xué)離子源易與正相液相色譜聯(lián)用。許多中性化合物同時適合于電噴霧離子化及大氣壓化學(xué)離子化，且均具有相當(dāng)高的靈敏度。無論是電噴霧離子化還是大氣壓化學(xué)離子化，選擇正離子（Positive ion）或負離子（Negative ion）電離模式，主要取決于待測化合物自身性質(zhì)。
三、質(zhì)量分析器
在高真空狀態(tài)下，質(zhì)量分析器將離子按質(zhì)荷比分離。質(zhì)量范圍、分辨率是質(zhì)量分析器的兩個主要性能指標(biāo)。質(zhì)量范圍指質(zhì)譜儀所能測定的質(zhì)荷比的范圍, 分辨率表示質(zhì)譜儀分辨相鄰的、質(zhì)量差異很小的峰的能力。常用的質(zhì)量分析器有扇形磁場分析器、四極桿分析器、離子阱分析器、飛行時間分析器和傅里葉變換分析器。
1. 扇形磁場分析器離子源中產(chǎn)生的離子經(jīng)加速電壓（V）加速，聚焦進入扇形磁場（磁場強度 B）。在磁場的作用下，不同質(zhì)荷比的離子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，按各自的曲率半徑（r）運動：m/z＝B2r2/2V
改變磁場強度，可以使不同質(zhì)荷比的離子具有相同的運動曲率半徑（r），進而通過狹縫出口，達到檢測器。
扇形磁場分析器可以檢測質(zhì)量高達 15 000 道爾頓的單電荷離子。當(dāng)與靜電場分析器結(jié)合、構(gòu)成雙聚焦扇形磁場分析器時，分辨率可達到105。
2. 四極桿分析器分析器由四根平行排列的金屬桿狀電極組成。直流電壓（DC）和射頻電壓（RF）作用于電極上，形成了高頻振蕩電場（四極場）。在特定的直流電壓和射頻電壓條件下，僅一定質(zhì)荷比的離子可以穩(wěn)定地穿過四極場，到達檢測器。改變直流電壓和射頻電壓大小，但維持它們的比值恒定，可以實現(xiàn)質(zhì)譜掃描。四極桿分析器的質(zhì)量上限通常是 4 000 道爾頓，分辨率約為103。
3. 離子阱分析器四極離子阱（QIT）由兩個端蓋電極和位于它們之間的環(huán)電極組成。端蓋電極處在地電位，而環(huán)電極上施加射頻電壓（RF），以形成三維四極場。選擇適當(dāng)?shù)纳漕l電壓，四極場可以儲存質(zhì)荷比大于某特定值的所有離子。采用“質(zhì)量選擇不穩(wěn)定性”模式，提高射頻電壓值，可以將離子按質(zhì)量從高到低依次射出離子阱。揮發(fā)性待測化合物的離子化和質(zhì)量分析可以在同一四極場內(nèi)完成。通過設(shè)定時間序列，單個四極離子阱可以實現(xiàn)多級質(zhì)譜(MSn)的功能。
線性離子阱（LIT）是二維四極離子阱，結(jié)構(gòu)上等同于四極質(zhì)量分析器，但操作模式與三維離子阱相似。四極線性離子阱具有更好的離子儲存效率和儲存容量，可改善的離子噴射效率及更快的掃描速度和較高的檢測靈敏度。
由電噴霧離子化或基質(zhì)輔助激光解吸離子化產(chǎn)生的生物大分子離子，可以借助離子引導(dǎo)等方式，進入離子阱分析器分析。離子阱分析器與四極桿分析器具有相近的質(zhì)量上限，分辨率為103～104。
4. 飛行時間分析器（TOF） 具有相同動能、不同質(zhì)量的離子，因飛行速度不同而實現(xiàn)分離。當(dāng)飛行距離一定時，離子飛行需要的時間與質(zhì)荷比的平方根成正比，質(zhì)量小的離子在較短時間到達檢測器。為了測定飛行時間，將離子以不連續(xù)的組引入質(zhì)量分析器，以明確起始飛行時間。離子組可以由脈沖式離子化（如基質(zhì)輔助激光解吸離子化）產(chǎn)生，也可通過門控系統(tǒng)將連續(xù)產(chǎn)生的離子流在給定時間引入飛行管。
現(xiàn)代飛行時間分析器具有質(zhì)量分析范圍寬（上限約 15 000 道爾頓）、離子傳輸效率高（尤其是譜圖獲取速度快）、檢測能力多重、儀器設(shè)計和操作簡便、質(zhì)量分辨率高（～104）的特點，已成為生物大分子分析的主流技術(shù)。
5. 傅里葉變換分析器（FTMS） 離子在一定強度的磁場中作回旋運動，運行軌道隨著共振交變電場而改變。當(dāng)交變電場的頻率和離子回旋頻率相同時，離子被穩(wěn)定加速，軌道半徑越來越大，動能不斷增加。關(guān)閉交變電場，軌道上的離子在電極上產(chǎn)生交變的像電流。利用計算機進行傅立葉變換，將像電流信號轉(zhuǎn)換為頻譜信號，獲得質(zhì)譜。
待測化合物的離子化和質(zhì)量分析可以在同一分析器內(nèi)完成。傅立葉變換分析器的質(zhì)量范圍>104，分辨率可高達106，質(zhì)荷比測定精確到千分之一道爾頓。
四、串聯(lián)質(zhì)譜法
串聯(lián)質(zhì)譜法（MS/MS）是時間上或空間上兩級以上質(zhì)量分析的結(jié)合。空間串聯(lián)由兩個以上的質(zhì)量分析器構(gòu)成，如三級四極桿串聯(lián)質(zhì)譜，其中第一級質(zhì)量分析器（MS1）選取的前體離子，進入碰撞室活化、裂解，產(chǎn)生的碎片離子被第二級質(zhì)量分析器（MS2）分析、獲得MS/MS 譜。在時間串聯(lián)質(zhì)譜中，前體離子的選取、裂解及碎片離子的分析在同一質(zhì)量分析器（如四極離子阱分析器）中完成。前體離子的裂解可以通過亞穩(wěn)裂解、碰撞誘導(dǎo)解離、表面誘導(dǎo)解離、激光誘導(dǎo)解離等方式實現(xiàn)。
串聯(lián)質(zhì)譜法并不局限于兩級質(zhì)譜分析，多級質(zhì)譜實驗常表示為 MSn。實際應(yīng)用中，串聯(lián)質(zhì)譜法可以通過產(chǎn)物離子掃描（Product-ion scan）、前體離子掃描（Precursor-ion scan）、中性丟失掃描（Neutral-loss scan）及選擇反應(yīng)檢測（Selected-reaction monitoring, SRM）等方式獲取數(shù)據(jù)，但值得注意的是時間串聯(lián)質(zhì)譜儀不能進行前體離子掃描和中性丟失掃描。
串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)在未知化合物的結(jié)構(gòu)解析、復(fù)雜混合物中待測化合物的鑒定、碎片裂解途徑的闡明以及低濃度生物樣品的定量分析方面具有很大優(yōu)勢。在藥物領(lǐng)域的應(yīng)用也很多，如通過產(chǎn)物離子掃描，可以獲得藥物、雜質(zhì)或污染物的前體離子的結(jié)構(gòu)信息，有助于未知化合物的鑒定；產(chǎn)物離子掃描還可用于肽和蛋白質(zhì)碎片的氨基酸序列檢測。當(dāng)質(zhì)譜與氣相色譜或液相色譜聯(lián)用時，若色譜儀未能將化合物完全分離， 串聯(lián)質(zhì)譜法可以通過選擇性的測定某組分的特征性前體離子，獲取該組分的結(jié)構(gòu)和量的信息，而不會受到共存組分的干擾。
在藥物代謝研究中，串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)可用于尋找具有相同結(jié)構(gòu)特征的代謝物分子。由于代謝物可能包含作為中性碎片丟失的相同基團（如羧酸類均易丟失中性二氧化碳分子），采用中性丟失掃描可以發(fā)現(xiàn)所有可能的代謝物。若丟失的相同碎片是離子，則前體離子掃描方式可幫助找到所有丟失該碎片離子的前體離子。
選擇反應(yīng)離子檢測（SRM）可消除生物基質(zhì)對低濃度待測化合物定量分析的干擾。如藥物代謝動力學(xué)研究中，待測藥物的某離子信號可能被基質(zhì)中其他化合物的離子信號掩蓋，通過MS1 和MS2 選擇性的檢測特征的前體離子和產(chǎn)物離子，可實現(xiàn)待測物的專屬、靈敏分析。
五、信號檢測和數(shù)據(jù)獲取
來自質(zhì)量分析器的離子束經(jīng)檢測器轉(zhuǎn)化為電信號、放大，再由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)儲存并顯示為質(zhì)譜圖。通過測定待測化合物離子的質(zhì)荷比和相對豐度，質(zhì)譜法可以實現(xiàn)對供試品的定性和定量分析。
中性分子丟失或捕獲一個電子，即形成了一個與母體分子質(zhì)量相同的分子離子。通過高分辨質(zhì)譜儀（分辨率>104）或使用參照化合物峰匹配測定，可以獲得待測化合物的分子組成和分子質(zhì)量信息。分子離子斷裂不同的鍵產(chǎn)生各種碎片離子，裂解模式（或碎片模式）與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。通過測定碎片離子的質(zhì)量及其相對豐度，獲取裂解特征，可以推測或確證待測化合物的分子結(jié)構(gòu)。
通過測定某一特定離子或多個離子的豐度，并與已知標(biāo)準物質(zhì)的響應(yīng)比較，質(zhì)譜法可以實現(xiàn)高專屬性的定量分析。外標(biāo)法和內(nèi)標(biāo)法是質(zhì)譜常用的定量方法，內(nèi)標(biāo)法具有更高的準確度。質(zhì)譜法所用的內(nèi)標(biāo)化合物可以是待測化合物的結(jié)構(gòu)類似物或穩(wěn)定同位素標(biāo)記物。前者的優(yōu)點是費用較低，但使用穩(wěn)定同位素（如2H,13C,15N）標(biāo)記物可以獲得更高的分析精密度和準確度，尤其當(dāng)采用FAB 或LC/MS 離子化技術(shù)（如電噴霧離子化）時。穩(wěn)定同位素標(biāo)記物是指標(biāo)記物在樣品制備、分離、離子化的過程中，始終保留同位素標(biāo)記。
相對于全掃描技術(shù)，選擇性離子檢測（SIM）用于定量分析更具優(yōu)勢。SIM技術(shù)使質(zhì)譜儀將更多的時間用于檢測選定質(zhì)荷比離子的離子流，因而提高了分析靈敏度。選擇反應(yīng)檢測（SRM）是復(fù)雜混合物中微量待測化合物準確定量的重要技術(shù)手段。當(dāng)同時檢測兩對及以上的前體離子－產(chǎn)物離子時，選擇反應(yīng)檢測（SRM）又稱為多反應(yīng)監(jiān)測 (MRM)，可以同時、專屬、靈敏地定量測定供試品中多個組分。