质谱（Mass Spectrometry, MS） 是一种通过精确测量 离子质荷比（m/z） 来确定物质分子量、元素组成与化学结构的核心分析技术，是目前唯一可直接确定化合物分子式的方法，灵敏度极高（可达 10⁻¹⁵ mol 级）。
一、核心原理（一句话概括）
将样品分子电离为带电离子 → 在高真空电磁场中按 m/z 分离 → 检测离子强度 / 丰度 → 生成质谱图，实现定性、定量与结构解析。
二、质谱仪五大核心结构
1. 真空系统（基础保障）
要求：离子源 10⁻³~10⁻⁵ Pa，质量分析器 10⁻⁴~10⁻⁷ Pa 高真空。
作用：防止离子与气体分子碰撞、散射、能量损失，保证轨迹稳定。
构成：机械泵（前级）+ 涡轮分子泵 / 扩散泵（高真空）。
2. 进样系统
直接进样（DIP）：适用于纯品、易挥发样品。
色谱联用（GC/LC）：复杂混合物先分离再进样（GC-MS、LC-MS 最主流）。
固相微萃取（SPME）、顶空进样：用于气体、痕量物质。
3. 离子源（核心：分子→离子）
决定电离方式与碎片信息，分硬电离与软电离：
表格
| 类型 | 原理 | 特点 | 适用样品 |
|---|---|---|---|
| EI 电子轰击 | 70eV 高能电子轰击 | 硬电离，碎片多、结构信息丰富 | 挥发性有机物（GC-MS 标配） |
| CI 化学电离 | 试剂气（CH₄）先电离再反应 | 软电离，碎片少，准分子离子峰强 | 易热分解、弱极性有机物 |
| ESI 电喷雾 | 强电场（3-5kV）喷雾成带电液滴 | 多电荷、软电离，无碎片 | 蛋白质、多肽、极性大分子（LC-MS） |
| MALDI 基质辅助激光 | 激光激发基质，能量传递给样品 | 极软电离、单电荷、质量范围极宽 | 蛋白、多糖、聚合物、生物大分子 |
| APCI 大气压化学 | 电晕放电使溶剂电离 | 适合中等极性、热稳定小分子 | 药物、农药残留（LC-MS） |
| ICP 电感耦合等离子 | 高温等离子体（6000K）原子化 | 元素分析专用 | 无机元素、重金属定量（ICP-MS） |
4. 质量分析器（核心：按 m/z 分离）
决定分辨率、质量范围、扫描速度：
表格
| 类型 | 原理 | 优势 | 劣势 |
|---|---|---|---|
| 四极杆 Quadrupole | 四杆交变电场，稳定轨迹筛选 | 结构简单、速度快、性价比高 | 分辨率中等、质量范围有限 |
| 飞行时间 TOF | 相同动能下，t∝√m，测飞行时间 | 质量范围极宽、分辨率高、速度最快 | 需脉冲电离、成本较高 |
| 离子阱 Ion Trap | 电场囚禁离子，依次抛出检测 | 可多级质谱（MSⁿ）、结构解析强 | 动态范围窄、易空间电荷效应 |
| 轨道阱 Orbitrap | 静电场中离子旋转，测频率 | 超高分辨率、高精度、高稳定性 | 价格昂贵、扫描较慢 |
| 磁扇区 Magnetic | 磁场偏转，R∝√(m/z) | 分辨率高、精准 | 体积大、速度慢、价格高 |
5. 检测器 & 数据系统
检测器：电子倍增器（EM）、微通道板（MCP）、法拉第杯，将离子转为电信号并放大。
数据系统：采集、处理、谱库检索（NIST、Wiley 库）、定量计算、生成报告。
三、质谱图解读（关键）
横坐标：质荷比 m/z（单电荷离子≈质量数）。
纵坐标：相对丰度（最强峰 = 基峰 = 100%）。
关键峰：
分子离子峰 M⁺：精确质量 → 确定分子式。
同位素峰：C、H、O、N、S、Cl、Br 同位素分布 → 辅助定分子式。
碎片离子峰：化学键断裂规律 → 推导分子结构。
准分子离子峰：软电离（ESI/MALDI）：[M+H]⁺、[M+Na]⁺、[M-H]⁻。
四、质谱分析流程（标准步骤）
样品前处理：提取、纯化、浓缩、衍生化（必要时）。
进样与电离：选择匹配离子源（EI/ESI/MALDI 等）。
质量分离：选择质量分析器（四极杆 / TOF/Orbitrap）。
检测与谱图生成：记录 m/z 与丰度。
定性分析：
精确质量 → 分子式（高分辨 MS）。
碎片谱库检索（EI）→ 匹配标准结构。
多级质谱（MSⁿ）→ 裂解规律 → 结构推导。
定量分析：
外标法：标准曲线定量。
内标法：加入同位素内标，准确度更高。
选择离子监测（SIM）：只监测目标离子，灵敏度提升 10-100 倍。
五、主要技术分类与应用领域
有机质谱（GC-MS/LC-MS）
药物代谢、杂质结构、天然产物鉴定。
环境：VOCs、农药、兽药残留。
食品：添加剂、毒素、塑化剂检测。
生物质谱（MALDI-TOF/ESI-Orbitrap）
蛋白质组学、多肽测序、糖链分析。
代谢组学、脂质组学、生物标志物。
无机质谱（ICP-MS）
痕量 / 超痕量元素（ppb-ppt 级）、重金属、稀土、同位素比值。
同位素质谱
地质年代、同位素示踪、考古、核工业。
六、关键性能指标
分辨率 R：区分相邻质量的能力（R=m/Δm）。
质量准确度：实测质量与理论值偏差（ppm 级）。
灵敏度 / 检测限：最小可测浓度（10⁻⁹~10⁻¹⁵ mol）。
线性范围：定量响应线性区间（通常 10⁴~10⁶）。
扫描速度：单位时间内可扫描的质量范围。
七、常见联用技术（主流）
GC-MS：易挥发有机物分离 + 定性定量（环境、石化、香精）。
LC-MS：难挥发 / 热不稳定 / 强极性物质（药物、生物、食品）。
ICP-MS：无机元素痕量分析（环境、食品、半导体）。
ICP-MS仪器
MALDI-TOF MS：生物大分子、聚合物、微生物鉴定。
