質譜儀又稱質譜計，分離和檢測不同同位素的儀器，即根據帶電粒子在電磁場中能夠偏轉的原理，按物質原子、分子或分子碎片的質量差異進行分離和檢測物質組成的一類儀器。它被廣泛應用于環境監測、食品安全、生命科學、材料分析等前沿領域，是現代實驗室中不可或缺的“分子偵探”。

質譜儀的核心任務可以概括為兩個字：“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為帶正電荷的分子離子和碎片離子。這些不同離子具有不同的質量，質量不同的離子在磁場的作用下到達檢測器的時間不同，其結果為質譜圖。

原理公式：

質譜分析是先將物質離子化，按離子的質荷比分離，然后測量各種離子譜峰的強度而實現分析目的一種分析方法。

質譜儀按應用范圍分為同位素質譜儀、無機質譜儀和有機質譜儀；按分辨本領分為高分辨、中分辨和低分辨質譜儀；按工作原理分為靜態儀器和動態儀器。

一、工作原理

質譜分析的核心環節聚焦于氣相狀態下對樣品分子的電離與碎裂過程。當樣品分子進入離子源后，會被電離，進而產生具有獨特特征的離子碎裂模式。這些碎裂模式猶如分子獨一無二的“指紋”，能夠為研究人員提供豐富且關鍵的分子結構信息。

盡管復雜，質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(按質荷比排序飛行速度)

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

3、檢測(記錄并生成質譜圖)

當離子撞擊檢測器時，會轉化為電信號，形成一個個“峰值”，組成質譜圖。這個圖就像分子指紋，科學家可以通過它判斷一個樣品中含有哪些成分，以及它們的比例和結構特征。例如，在法醫學實踐中，質譜儀常常與氣相色譜(GC)或液相色譜(LC)聯合使用。首先，利用色譜法的高效分離特性，將樣品中復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入質譜儀，在質譜儀內經歷離子化、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間以及質譜信息，為法醫學證據分析提供堅實有力的支撐。

二、儀器組成

質譜儀主要由五大關鍵部件構成，分別為真空系統、離子源、質量分析器、離子檢測器以及數據記錄系統，其中以離子源、質量分析器和離子檢測器為核心。

1、離子源

離子源在整個儀器中扮演著至關重要的角色，其職責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一步碎裂成較小質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入質量分析器。離子源作為質譜儀中負責將樣品分子電離為離子的關鍵核心部件，不同類型的離子源技術適配于不同特性的樣品以及多樣化的分析需求。常見的離子源技術主要有以下幾種。

? 電子電離(EI)

該技術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射出來，在磁場的作用下，以螺旋狀路徑運動，這種獨特的運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構信息。然而，該技術存在一定局限性，分子離子可能因過度碎裂，導致難以被有效檢測。

? 化學電離(CI)

此技術借助試劑氣體(例如甲烷)所發生的離子-分子反應來實現對樣品分子的電離。首先，試劑氣體被電子電離，隨后與樣品分子發生諸如質子轉移、質子抽取以及加合物形成等一系列化學反應，最終產生樣品的假分子離子。該過程幾乎不會引發樣品分子的碎裂，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生碎裂的分子進行分析檢測。

? 電噴霧離子化(ESI)

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

? 大氣壓化學電離(APCI)

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

2、質量分析器

質量分析器則依據離子所具有的質量-電荷(m/z)比這一特性，對離子進行精準分離；分離后的離子依次進入離子檢測器，采集放大離子信號，經計算機處理，繪制成質譜圖。

與離子源類似，質量分析器也存在多種不同的設計方案，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，表征的是通過分析器抵達檢測器的離子數量與離子源產生的離子總數的比值；質量上限指的是能夠測量的最高m/z值；而分辨率體現的則是分析器對質量極為相近的兩個離子的分辨能力。

? 扇形質量分析器

在扇形質量分析器的質量分析進程里，離子會在外加磁場或者電場的作用下實現分離。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動，其曲率半徑由加速電壓以及磁場強度共同決定。在特定的電壓和磁場強度條件下，僅有特定m/z值的離子能夠沿著精準的曲率半徑順利抵達檢測器。所以，通過對電壓或者磁場強度進行掃描操作，不同m/z值的離子便會依次到達檢測器。另外，靜電分析器還能夠安裝在磁扇區之前(即雙聚焦模式)，以此強化對具有相同 m/z 值但動能存在細微差異的離子的聚焦效果，進而提升分辨率。

? 飛行時間質量分析器

飛行時間分析器具有一個特點，即離子的分離過程是在無場區域內進行的。從離子源產生的離子會被加速至相同的動能狀態，隨后測量這些離子穿越飛行管所需耗費的時間。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，會先于質量較高的離子到達檢測器，從而達成離子分離的目的。飛行時間質量分析器近期與一種相對新穎的電離技術——實時直接分析(DART)相結合。這種 DART技術能夠在大氣壓環境下對樣品進行電離，并且幾乎不需要對樣品進行復雜的預處理。DART與飛行時間質量分析器的這種組合模式，在實驗室應用中愈發常見，特別是在分析受控物質領域展現出獨特優勢。不過，就目前而言，飛行時間質量分析器在實驗室中尚未成為常規使用的設備。更為常見的商用氣相色譜-質譜聯用儀和液相色譜-質譜聯用儀，通常配備的是四極桿或離子阱質量分析器。

? 四極桿質量分析器

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

? 離子阱質量分析器

離子阱質量分析器由一個環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，然后通過其中一個端蓋電極上預先開設的小孔進入阱內。所有不同m/z值的離子都會被存儲在阱中，在三維空間內做諧振運動，并且每個m/z值的離子都具有一個特定的振蕩頻率。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，同時還能促使碰撞誘導解離現象的發生。在商用儀器中，會在環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行掃描，m/z值逐漸增大的離子會變得不穩定，進而從阱中噴射出去，由此實現全掃描過程。

? 串聯質譜法

串聯質譜(MS/MS)涉及兩個相互獨立的質量分析階段，該技術可用于解讀質譜中離子之間的內在關系，或者識別復雜混合物中未經事先分離的化合物。雖然MS/MS掃描存在多種不同類型，但在實際應用中，最為常用的是“產物離子掃描”。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)，接著對該離子進行碎裂處理，隨后收集產生的質譜信息。如此得到的質譜圖，僅包含來自相關離子的碎片離子信息。MS/MS實驗主要有“空間串聯”和“時間串聯”兩種方式。“空間串聯”至少需要兩個不同的質量分析器，在實際操作中，常常會使用三重四極桿儀器。這類儀器由三個串聯在一起的四極桿組成：第一個和第三個四極桿承擔質量分析器的功能，第二個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。在進行產物離子掃描時，相關離子在第一個四極桿中被篩選出來并加速進入第二個四極桿，在這里與試劑氣體發生碰撞。碰撞產生的碎片離子會在第三個四極桿中進行掃描，最終生成質譜圖。另一方面，離子阱質量分析器可用于“串聯-實時”質譜分析。在這種情況下，對感興趣離子的選擇、碎裂以及對產生離子的收集等一系列操作，均在同一個阱中完成。起初，將所需m/z值的離子存儲在阱內，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，進而生成僅包含相關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過分離后的離子強度；數據記錄系統負責對離子檢測器產生的微弱信號進行放大處理，并將其數字化，最終生成可供分析解讀的質譜圖。在氣相色譜-質譜聯用(GC-MS)和液相色譜-質譜聯用(LC-MS)儀器中，電子倍增器是最為常用的離子檢測器。這主要是因為它具有體積小巧、能夠對信號進行放大以及成本相對較低等優勢。倍增器整體呈喇叭形狀，由玻璃材質制成，并在其表面涂覆有一層半導體材料(例如鉛氧化物)。當這種材料受到高能粒子撞擊時，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，而最內端則接地。來自質譜分析器的離子能夠被加速至倍增器的外端，在與倍增器表面發生碰撞時，會釋放出多個電子。這些電子會被進一步吸引進入倍增器內部，并與倍增器表面發生更多次碰撞。每次電子與表面碰撞時，都會激發出更多的電子。如此一來，離開質譜分析器的離子束就被轉化為一系列類似瀑布般的電子流。大多數倍增器的信號放大倍數處于10^5到10^6這個量級范圍。最終產生的電流會在模數轉換器中被數字化處理，并傳輸至計算機系統，在計算機中生成質譜圖。

4、真空系統

真空系統為整個質譜分析過程營造了穩定可靠的環境，它能夠有效防止氣相離子與中性分子發生碰撞。一旦發生此類碰撞，不僅會導致質譜儀的靈敏度大幅降低，還會使質譜結果的解析變得極為復雜。通常情況下，真空系統能夠將內部壓力降低至10-9 torr(1.33×10-7Pa)的低水平。

5、數據記錄系統

? 質譜圖構成

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

? 電離技術與數據特點

數據解讀的復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。例如，電子電離(EI)能夠產生數十個單電荷碎片離子，從而為分析提供豐富的分子結構信息。與之相反，像電噴霧電離(ESI)等技術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用。無論使用哪種電離技術，分子通常都會以一種獨特且具有重復性的方式產生碎片，所以質譜圖能夠作為該分子的特征標識，可與在相似條件下從其他來源收集到的質譜圖進行比對分析。

? ICP - MS 聯用與元素分析

將質譜儀與電感耦合等離子體(ICP)這樣的離子源相結合，能夠針對每個被分析的樣品生成元素信息。ICP源由一團溫度極高的氣體(通常為氬氣)構成，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譜儀中，進行后續的分離和檢測操作。通過所生成的質譜圖，可以依據存在離子的質量來確定樣品的元素組成。利用ICP-MS技術，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

樣品引入質譜儀的方式會根據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，可將樣品直接插入到離子源部位，進而使樣品在離子源內實現電離。

2、膜接口

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

3、大氣壓離子源

樣品在大氣壓環境下實現電離，產生的離子借助一系列精心設計的聚焦透鏡，被精準轉移至質量分析儀。在氣相色譜-質譜法(GC-MS)以及液相色譜-質譜法(LC-MS)系統中，樣品首先被注入色譜系統，在色譜系統內被分離成單個純凈的化合物后，再被轉移至質譜儀進行電離與分析。在GC-MS系統里，毛細管柱的流速與真空系統能夠良好兼容，色譜柱可通過傳輸線直接連接至質譜儀的離子源；而在LC-MS系統中，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入質量分析器。

四、應用范圍

質譜儀并不只活躍在化學實驗室，在多個行業中都扮演著關鍵角色。常見用途包括：檢測食品中的農藥殘留、非法添加劑；分析血液中的藥物代謝成分；鑒定化學物質的純度；探測環境污染物的微量痕跡。

1、食品安全

檢測瘦肉精、農殘、防腐劑，精度可達ppb(十億分之一)級別。

2、醫學診斷

進行代謝物、毒物、病原體的高通量篩查。

3、環境監測

追蹤空氣、水體中的微量污染物，如重金屬、持久性有機污染物。

4、刑偵鑒定

分析毒品成分、火災殘留物、爆炸物成因。

5、材料科學

分析合金成分、納米顆粒結構。

在新冠疫情期間，質譜儀還用于疫苗開發中的蛋白質結構解析，可謂“幕后功臣”。