作为分析科学领域不可或缺的精密工具，质谱将样品分子转化为离子，并利用电磁场对离子进行分离和检测，从而实现对物质组成的鉴定和量化，已成为化学、生物学、环境科学及临床医学等学科研究的核心支撑技术。

一、质谱技术的发展历史

质谱技术的发展历史可以最早可以追溯到 19 世纪末，英国物理学家 J. J. Thomson 在研究气体放电现象时，观察到不同原子具有不同的质量，并提出了质谱的概念。20 世纪初，Thomson 发明了第一台质谱仪，利用电场和磁场将不同质荷比的离子分离。

经过一个多世纪的发展，质谱技术已经从最初的同位素分析发展到在生物医学、环境科学、材料科学等众多领域得到广泛应用。随着软电离技术（如 ESI、MALDI）的出现和高分辨质谱仪的研制，质谱技术在分析大分子、复杂混合物方面展现出强大的能力。

二、质谱技术的工作原理

质谱仪的工作过程主要分为三个步骤：

1. 电离源（离子化）

样品分子或原子在离子源中被电离成带正电或负电的离子。这通常通过高速电子流、强电场或激光等方法实现，使样品分子失去外层电子或化学键断裂，生成分子离子或碎片离子。电离方法多样，统称为离子源。

2. 质量分析器（离子分离）

生成的离子被加速并传输到质量分析器中，根据它们的质量-电荷比（m/z）进行分离。在质谱仪中，常采用电场或磁场来实现离子的分离。具有不同 m/z 的离子在电场或磁场中会受到不同的偏转力，从而沿着不同的轨迹运动，实现分离。常用的质量分析器包括四极杆、离子阱、飞行时间（ToF）和轨道阱等。这些分析器各有特点，如 ToF 分析器具有高分辨率和快速扫描速度，适用于复杂混合物的分析。

3. 检测器（离子检测）

分离后的离子进入检测器，产生信号并被记录下来。检测器通常采用电子倍增器、法拉第杯或阵列检测器等灵敏的电子设备，能够检测到非常微弱的离子信号。检测器记录下的信号经过放大和处理后，形成质谱图。质谱图是一种反映离子 m/z 分布的图谱，其中每个峰代表一个特定的离子种类，其强度和位置分别对应离子的丰度和 m/z 值。

三、质谱与其他技术联用

气体和液体分离技术经常与质谱结合使用以提高灵敏度和便于解释。常见的例子包括液相色谱法（LC）、气相色谱法（GC）、毛细管电泳法（CE）和凝胶电泳法（GE）。这些方法与 ICP-MS 和 DART-MS 串联使用尤其常见。

1. 气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）

GC-MS 结合了气相色谱（GC）的高效分离能力和质谱（MS）的高灵敏度及结构鉴定能力。GC-MS 特别适用于分析挥发性有机化合物，广泛应用于环境监测（如空气、水体中的挥发性有机污染物）、食品安全（农药残留、添加剂检测）、药物分析（药物代谢产物、杂质分析）等领域。

2. 液相色谱-质谱联用仪（LC-MS）

LC-MS 将液相色谱（LC）的分离能力与质谱（MS）的鉴定能力相结合。LC-MS 适用于分析非挥发性、热不稳定性有机化合物，如蛋白质、多肽、药物、代谢产物等。在生物学、医学、药物研发、环境科学等领域具有广泛应用。

3. 基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱

MALDI-TOF 利用激光将基质中的样品分子离子化，并测量离子在真空中的飞行时间来测定其质荷比。MALDI-TOF 特别适用于大分子（如蛋白质、多肽）的质量测定和分子量分布分析。

4. 傅里叶变换质谱（FT-MS）

FT-MS 通过利用傅里叶变换技术将时间域的信号转换为频率域的信号，从而得到高分辨率的质谱图。它能够提供关于分子结构、同位素分布等详细信息，具有极高的分辨率和质量精度。常用于复杂混合物的分析，如蛋白质组学、代谢组学、药物代谢研究等。

5. 电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）

ICP-MS 将样品引入高频感应耦合等离子体中，使样品原子化、电离，并通过质谱仪进行分析。ICP-MS 具有高灵敏度和多元素同时测定的能力，广泛应用于环境监测（如重金属污染、水体中的微量元素）、地质学（岩石、矿物分析）、材料科学（合金、陶瓷分析）等领域。

6. 二次离子质谱（SIMS）

SIMS 用高能离子轰击样品表面，使样品表面溅射出二次离子。这些二次离子通过质谱仪进行分析，以测定样品表面的元素和同位素组成。SIMS 可用于固体表面微区元素和同位素的分析，揭示材料表面的化学组成和微观结构信息，在材料科学、半导体工业、生物医学等领域具有重要应用。

四、质谱技术的应用

1. 在代谢组中的应用

在代谢组学研究中，样品前处理后进行质谱分析，针对不同类型的代谢物，选择匹配的离子源和质量分析器。例如，电喷雾离子化适用于极性、热不稳定的代谢物，能将溶液中的分子转化为气态离子；基质辅助激光解吸电离常用于分析大分子代谢物，如多糖。质量分析器方面，四极杆质谱仪操作简便，适合定量分析常见代谢物；飞行时间质谱仪分辨率高，可精确测定代谢物的质量数，用于未知代谢物的鉴定。

由于质谱仪具有高灵敏度、高分辨率、高通量分析的优势，能够检测到极低浓度的代谢物；可以精确区分质量数相近的代谢物，例如能够区分同分异构体，避免因代谢物结构误判导致的研究偏差；同时结合自动化进样系统和高效的数据处理软件，一次实验可同时分析大量代谢物，大幅提高研究效率，满足大规模代谢组学研究的需求，如在疾病队列研究、药物筛选等方面发挥重要作用。

2. 在蛋白组中的应用

质谱技术在定性蛋白质组学、定量蛋白质组学和蛋白翻译后修饰中都有所应用，例如，在研究复杂生物样品（细胞裂解液、组织匀浆）中，基于质谱的鸟枪法成为解决这一问题的有力策略。首先，将蛋白质用特定的酶酶解为肽段，随后利用质谱仪分析肽段的质量和序列信息，以高分辨率的质谱仪（如 Orbitrap 质谱仪）能够精确测定肽段的质荷比，获得高精度的质谱图；通过将这些质谱数据与蛋白质数据库进行比对，从而确定蛋白质的种类。

定量蛋白质组学分为标记和非标记技术，同位素标记定量技术（如 iTRAQ 和 TMT）通过在不同样本的肽段上引入不同质量的同位素标签，当进行质谱检测时，不同样本中带有同位素标签的相同肽段会在质谱图中产生不同强度的信号峰，研究人员根据这些信号强度的差异，就能实现蛋白质的相对定量；而 Label-free 非标记定量方法，则是基于质谱峰强度或谱图计数进行定量分析，无需对样本进行复杂的标记操作，直接根据质谱检测到的肽段信号进行定量，适用于样本量有限或对标记有特殊要求的研究。

3. 在环境科学中的应用

环境中存在着各种各样的污染物，包括有机污染物（如多环芳烃、农药、持久性有机污染物等）和无机污染物（如重金属离子）。质谱技术能够对这些污染物进行高灵敏度检测。例如，在检测水体中的多环芳烃时，首先通过固相萃取等前处理技术将水样中的多环芳烃富集提取出来，然后采用气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）进行分析，气相色谱负责将不同的多环芳烃组分分离，质谱则对分离后的各组分进行定性和定量分析，通过精确测量离子的质荷比，与标准谱库比对，从而准确识别出多环芳烃的种类和含量。

对于土壤中的重金属污染物，电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）发挥着重要作用，它可以同时测定多种重金属元素，如铅、汞、镉、铬等，检测限可低至微克每升甚至更低，精确分析土壤中重金属的含量和形态，评估土壤污染程度。

质谱技术可以通过分析污染物的特征离子和同位素组成来追溯其来源。例如，对于大气颗粒物中的有机污染物，通过高分辨质谱分析其分子组成和结构特征，结合污染源排放清单和源谱数据库，能够判断这些污染物是来自于机动车尾气排放、工业源排放还是生物质燃烧等。

在研究水体中硝酸盐污染来源时，利用氮、氧同位素比值质谱分析技术，测定硝酸盐中氮、氧同位素的组成，根据不同来源硝酸盐的同位素特征差异，区分硝酸盐是来自于化肥施用、生活污水排放还是工业废水排放，为水污染治理提供科学依据。