1 历史发展
质谱的发展经历了从物理实验装置到现代分析平台的长期演变。它最初服务于基础物理研究，随后逐步进入化学、生命科学与工程分析领域，成为重要的分子检测手段。随着离子化技术、质量分析器和数据处理能力的进步，质谱的适用范围不断扩大，分析对象也从简单气体分子拓展到蛋白质、聚合物、复杂混合物等。
1.1 早期质谱研究
质谱的早期研究可追溯到对阴极射线和带电粒子运动规律的探索。研究者在真空管和磁场条件下观察离子轨迹，逐渐认识到不同质量电荷比的粒子会表现出不同的偏转或飞行特征。这一阶段的工作为后来按质荷比分离粒子奠定了实验基础。
1.2 经典质谱仪的形成
经典质谱仪的形成，标志着“离子化—分离—检测”这一基本框架的确立。早期装置多采用磁场和电场组合，对气态离子进行分离，并以照相板、法拉第杯等方式记录结果。随着真空技术和电子学的发展，仪器的稳定性与分辨能力明显提升，质谱开始从实验现象研究工具转变为可重复、可定量的分析仪器。
1.3 现代质谱技术的演进
现代质谱技术的关键突破主要体现在软电离方法、高性能质量分析器以及联用技术的出现。软电离使大分子能够在较少碎裂的情况下进入气相，显著扩展了可分析对象；而四极杆、飞行时间、离子阱等分析器则提升了扫描速度、灵敏度和分辨率。进一步地，质谱与气相色谱、液相色谱等仪器联用，使复杂样品的分离与鉴定更加高效。
1.4 重要里程碑与代表性人物
质谱史上涌现出多项具有标志性的技术与理论成果，例如同位素分离、离子束聚焦、软电离方法和高分辨分析器的发展。多位研究者在这一过程中作出了重要贡献，他们的工作推动了质谱从基础物理实验迈向广泛应用的分析科学平台。
2 基本原理
质谱的核心原理是先将样品分子转化为离子，再依据质荷比差异实现分离，最后将离子信号转换为可测量的电信号。通过对谱图中峰位、峰强和碎片分布的分析，能够获得样品的分子量、结构特征及相对含量信息。
2.1 离子化过程
离子化是质谱分析的起点。样品在离子源中接受能量输入后，形成带电粒子。不同离子化方式会影响离子的碎裂程度、适用样品类型以及最终谱图的表现形式。
2.1.1 电子轰击离子化
电子轰击离子化通常用于气态小分子分析。高能电子束与分子碰撞后，将电子从分子中击出，形成分子离子及一系列碎片离子。该方法碎裂较强，谱图信息丰富，适合结构推断，但对热稳定性和挥发性有一定要求。
2.1.2 电喷雾离子化
电喷雾离子化适用于溶液样品，尤其适合生物大分子与极性化合物。样品在高电压作用下形成带电液滴，随后经溶剂挥发和库仑裂解生成气相离子。其特点是软、电离效率高，能够尽量保留分子的完整性。
2.1.3 基质辅助激光解吸电离
基质辅助激光解吸电离常用于蛋白质、肽段和聚合物等高分子样品。样品与基质共结晶后接受激光脉冲照射，基质吸收能量并帮助样品解吸与电离。该方法对大分子友好，碎裂相对较少，适合测定分子量和进行分子分布分析。
2.2 质荷比分离
离子进入质量分析器后，会依据质荷比的不同产生不同的运动轨迹、飞行时间或共振条件。仪器通过电场、磁场或射频场对离子进行选择性筛分，使特定质荷比的离子依次或同时到达检测器，从而实现分离与测量。
2.3 离子检测与信号转换
经过分离的离子最终到达检测器并转化为电信号。常见检测方式包括电子倍增和电流收集等。检测器将离子数量、到达时间或能量差异映射为峰强、峰位等可分析数据，进而构成完整的质谱信息。
2.4 质谱图的形成与解读
质谱图通常以横轴表示质荷比，纵轴表示离子强度或相对丰度。主峰往往对应目标分子或主要碎片，其他峰则可能来自同位素峰、加合离子、背景杂质或裂解产物。解读质谱图时，需要结合离子化方式、分子结构、标准品信息及数据库结果进行综合判断。
3 仪器组成
质谱仪一般由离子源、质量分析器、检测器、真空系统和控制数据系统构成。各部分协同工作，共同完成样品引入、离子化、分离、检测和数据输出等过程。
3.1 离子源
离子源负责把样品转化为气相离子，是决定方法适用范围的重要部件。不同离子源适合的样品状态、碎裂特征和灵敏度表现差异较大。
3.1.1 硬电离与软电离
硬电离通常给予分子较高能量，产生较多碎片，利于结构解析；软电离则尽量减少碎裂，更适合测定完整分子质量。实际应用中，方法选择往往取决于样品稳定性与分析目的。
3.1.2 常见离子源类型
常见离子源包括电子轰击源、电喷雾源、大气压化学电离源、基质辅助激光解吸电离源等。它们分别适用于气体、小分子、溶液样品或高分子体系，在分析覆盖范围上各有侧重。
3.2 质量分析器
质量分析器是质谱仪的核心分离单元，不同类型的分析器决定了仪器的分辨率、质量范围、扫描速度和应用场景。
3.2.1 四极杆
四极杆利用高频电场和直流电场的组合筛选离子。只有满足特定稳定轨道条件的离子才能通过，因此它常用于快速扫描和定量分析，结构相对紧凑，使用广泛。
3.2.2 飞行时间
飞行时间分析器依据离子在相同加速电压下飞行时间的差异进行分离。质量较小的离子飞得更快，质量较大的离子飞得更慢。该分析器具有较宽质量范围和较高速度，常与脉冲离子源联用。
3.2.3 离子阱
离子阱通过电场或射频场将离子束缚在有限空间内，再按顺序释放或共振选择目标离子。它能够实现多级质谱分析，适合结构研究与复杂碎裂模式解析。
3.2.4 傅里叶变换离子回旋共振
傅里叶变换离子回旋共振利用强磁场中离子的回旋运动进行测量，并通过傅里叶变换得到高精度质量信息。该类分析器分辨率和质量准确度较高，适用于高端精确分析任务。
3.3 检测器
检测器用于接收分离后的离子并将其转换为可处理信号。其灵敏度、响应速度和噪声水平会直接影响仪器性能。常见检测器包括电子倍增器、微通道板和法拉第杯等。
3.4 真空系统
真空系统为离子在分析区内的运动提供低碰撞环境，减少离子与气体分子的散射和损失。通常需要多级抽气装置维持离子源、分析器和检测区的不同真空条件，以保证稳定分离和准确检测。
3.5 数据采集与控制系统
数据采集与控制系统负责参数设置、离子信号采集、谱图显示和结果输出。现代系统通常配备自动调谐、校准、方法编辑和数据库管理功能，使仪器更易操作，也便于进行批量分析和结果归档。
4 主要类型
按结构和功能划分，质谱仪可形成多种类型。不同机型在灵敏度、通量、选择性和分辨率方面各有优势，适用于不同分析需求。
4.1 单四极杆质谱
单四极杆质谱结构简洁，成本较低，维护方便，适合常规定性与定量分析。它通常用于对目标化合物进行快速筛查，在工业监测和实验室常规检测中应用较广。
4.2 三重四极杆质谱
三重四极杆质谱由三个四极杆串联构成，能够通过母离子选择、碰撞诱导碎裂和子离子检测实现高选择性定量分析。它在痕量检测中表现突出，尤其适合复杂基质中的目标物测定。
4.3 质谱联用仪
质谱联用仪将分离技术与质谱检测结合起来，先由色谱系统完成复杂样品分离，再由质谱进行识别与检测。这类平台显著提升了复杂样品分析能力。
4.3.1 气相色谱-质谱
气相色谱-质谱适合挥发性、热稳定性较好的化合物。色谱负责分离组分，质谱负责鉴定成分，因此它常用于小分子有机物、溶剂残留和环境挥发物分析。
4.3.2 液相色谱-质谱
液相色谱-质谱适用于不易挥发或热不稳定的化合物，尤其适合药物、代谢物、肽段和天然产物分析。它结合了液相分离的适应性与质谱检测的高灵敏度。
4.4 高分辨质谱
高分辨质谱能够更精确地区分质量接近的离子，并给出更准确的分子式推断结果。它在未知物筛查、同分异构体分析和复杂样品确证中具有重要价值。
4.5 成像质谱
成像质谱可在空间分布层面记录样品中分子的位置信息，形成二维或三维的分子图像。该技术常用于组织切片、材料表面和局部成分分布研究。
5 分析方法
质谱分析方法通常分为定性、定量和同位素相关分析等类别。实际工作中，还常需配合适当前处理，以提高结果的可靠性与可比性。
5.1 定性分析
定性分析的目标是识别样品中存在的化合物或结构特征。通过分子离子、碎片离子和加合峰等信息，可以对未知物进行推断和确认。
5.1.1 分子量测定
分子量测定是质谱最基础的用途之一。根据主要离子峰的位置，可直接估算分子量，尤其在软电离条件下，完整分子离子更易被保留，测量更直观。
5.1.2 结构解析
结构解析依赖碎片离子的分布规律。不同官能团、键连接方式和取代位置会导致不同裂解路径，因此结合碎片模式、标准品与数据库，可对分子结构进行较为准确的判断。
5.2 定量分析
定量分析关注目标物含量的测定。通过峰面积或峰高与浓度之间的关系，可建立校准模型并计算样品中待测物的含量。
5.2.1 外标法
外标法利用一系列已知浓度标准溶液建立校准曲线，再根据样品响应值换算浓度。该方法操作简便，但对进样误差和基质效应较为敏感。
5.2.2 内标法
内标法在样品和标准中加入已知量的内标物，通过目标物与内标物响应比进行定量。它能够部分校正进样波动和仪器漂移，因此在精密定量中应用广泛。
5.2.3 同位素稀释法
同位素稀释法使用同位素标记的化合物作为内标，能够更有效补偿前处理损失和基质干扰。由于定量准确度高，它常用于高要求的分析场景。
5.3 同位素分析
同位素分析通过测定同位素峰比例，研究元素来源、反应路径或样品演化过程。该方法可用于地球化学、代谢示踪和材料研究等方向。
5.4 复杂样品前处理
复杂样品常含有盐分、脂类、蛋白质或其他干扰物，需要经过萃取、净化、浓缩、衍生化或分级处理后再上机分析。良好的前处理不仅提升检测灵敏度，也有助于降低背景干扰和仪器污染。
6 性能指标
质谱仪性能通常从灵敏度、分辨率、准确度、线性范围以及重复性等方面评价。不同指标之间往往存在平衡关系，实际选型需结合应用目标综合考虑。
6.1 灵敏度
灵敏度表示仪器对低含量目标物的检测能力。离子化效率、传输损失、检测器响应和噪声水平都会影响灵敏度表现。痕量分析中，灵敏度通常是首要指标之一。
6.2 分辨率
分辨率反映仪器区分相近质荷比离子的能力。分辨率越高，越能分开质量接近的峰，也更有利于复杂样品中成分的解析与确证。
6.3 准确度
准确度指测得质荷比或浓度与真实值的接近程度。高准确度对于分子式推断、标准物确证和定量分析都十分关键，通常需要良好的校准与稳定运行条件。
6.4 线性范围
线性范围是指仪器响应与浓度保持线性关系的区间。宽线性范围有助于同时覆盖低丰度和高丰度样品，减少重复稀释或重测的需要。
6.5 重复性与稳定性
重复性描述多次测量结果的一致程度，稳定性则强调仪器在较长时间内保持性能不漂移的能力。它们直接关系到批量检测的数据可靠性和方法可移植性。
7 应用领域
质谱凭借高灵敏度和较强的分离鉴别能力，已广泛用于多个学科与行业。其应用对象既包括小分子化合物，也包括大分子、生物样品与材料表面信息。
7.1 化学分析
在化学分析中，质谱可用于有机物鉴定、未知物筛查、反应产物追踪和组分分析。它能够为复杂混合物提供较高信息密度的谱图数据，辅助化学研究和质量控制。
7.2 生物医学研究
质谱在生物医学研究中常用于蛋白质组、代谢组和脂质组分析，也可用于生物标志物筛选和疾病相关分子研究。其高灵敏度与高通量特征，使其适合处理复杂生物样本。
7.3 药物研发与代谢研究
药物研发过程中，质谱可用于候选化合物筛选、代谢产物鉴定、杂质分析和药代动力学研究。它能够跟踪药物在体内外的转化过程，并支持安全性与有效性评价。
7.4 食品安全检测
在食品安全检测中，质谱常用于农药残留、兽药残留、非法添加物和污染物筛查。配合色谱分离后，可在复杂食品基质中实现较高灵敏度和较强选择性的检测。
7.5 环境污染物分析
质谱可用于水体、土壤、空气和沉积物中的污染物监测，包括持久性有机污染物、挥发性有机物和新兴污染物。它为环境调查、源解析和风险评估提供了重要数据支持。
7.6 材料与表面科学
在材料与表面科学中，质谱可分析聚合物组成、表面污染、薄膜分布以及材料老化产物。结合成像或表面分析技术，还能观察不同区域的化学差异。
8 数据处理与谱图解析
质谱数据通常包含噪声、背景信号、同位素峰和多种加合离子，因此需要经过系统处理才能得到可靠结论。谱图解析既依赖软件算法，也依赖分析人员对样品与仪器特性的理解。
8.1 峰识别与去噪
峰识别是从原始信号中提取有效峰位与峰强的过程，去噪则用于降低随机波动和电子噪声影响。适当的数据平滑和峰提取方法有助于提高后续分析准确性。
8.2 背景扣除
背景扣除用于去除溶剂、基质、仪器本底或环境带来的非目标信号。经过背景处理后，目标峰更容易辨认，定量结果也更具可比性。
8.3 定量校正
定量校正包括响应因子修正、内标校正、漂移补偿等步骤。其目的在于减少仪器状态、进样量和基质效应对结果造成的偏差。
8.4 质谱数据库检索
数据库检索通过将实测谱图与标准谱库进行匹配，辅助识别未知化合物。对于碎片模式较典型的样品，这一方法可显著提高鉴定效率，但最终仍需结合实验条件综合判断。
8.5 谱图解释策略
谱图解释通常遵循从整体到局部、从主峰到碎片、从已知到未知的思路。分析时需要结合分子式、同位素特征、加合方式以及裂解规律，避免仅凭单一峰值作出结论。
9 维护与使用
质谱仪属于精密分析设备，日常使用中对环境、真空、洁净度和运行参数都有较高要求。规范操作和定期维护是保证数据质量的重要前提。
9.1 仪器校准
仪器校准用于修正质量轴偏移和响应误差。通常需要使用已知标准物质进行质量校正和性能检查，以确保测量结果长期稳定可靠。
9.2 日常维护
日常维护包括清洁离子源、检查真空状态、监控气路与液路、及时更换污染部件等。良好的维护习惯能够减少漂移、延长设备寿命，并降低突发故障概率。
9.3 常见故障与排查
常见故障包括真空下降、信号减弱、峰形异常、质量偏移和背景升高等。排查时通常从样品、进样系统、离子源、分析器和检测器逐级检查，以定位问题来源。
9.4 耗材与配件管理
质谱使用过程中会消耗灯丝、喷针、色谱柱、衬管、过滤器、真空泵油等部件或材料。建立规范的库存和更换记录，有助于维持仪器状态并保证实验连续性。
10 相关标准与术语
质谱领域形成了较为系统的术语体系和性能评价规范。统一的概念与报告格式有助于不同实验室之间进行结果比较，也便于方法转移和技术交流。
10.1 基础术语
基础术语主要包括质荷比、分子离子、碎片离子、同位素峰、加合离子、基峰、扫描模式等。这些概念构成了质谱数据解读的语言基础。
10.2 仪器性能测试规范
仪器性能测试规范通常涉及质量准确度、分辨率、灵敏度、重复性和信噪比等项目。通过标准化测试，可以评估设备是否满足特定分析任务的要求。
10.3 数据报告格式
质谱数据报告一般应包含样品信息、仪器条件、离子源参数、分析器设置、校准方式、定性结果与定量结果。完整、规范的报告格式便于结果复核、存档和跨平台比较。
10.4 行业常用缩写
行业常用缩写包括MS、GC-MS、LC-MS、ESI、MALDI、TOF、QMS、QQQ等。熟悉这些缩写有助于快速理解文献、仪器说明和实验记录中的技术表述。