質譜(質譜簡稱)

質譜（又叫質譜法）是一種與光譜並列的譜學方法，通常意義上是指廣泛套用於各個學科領域中通過製備、分離、檢測氣相離子來鑑定化合物的一種專門技術。質譜法在一次分析中可提供豐富的結構信息，將分離技術與質譜法相結合是分離科學方法中的一項突破性進展。在眾多的分析測試方法中，質譜學方法被認為是一種同時具備高特異性和高靈敏度且得到了廣泛套用的普適性方法。質譜儀器一般由樣品導入系統、離子源、質量分析器、檢測器、數據處理系統等部分組成。

基本介紹

• 中文名：質譜
• 外文名：mass spectrum
• 別稱：質譜法
• 分類：與光譜並列的譜學方法
• 功能：提供較豐富的結構信息

定義

質譜分析是一種測量離子質荷比（質量-電荷比）的分析方法，其基本原理是使試樣中各組分在離子源中發生電離，生成不同荷質比的帶電荷的離子，經加速電場的作用，形成離子束，進入質量分析器。在質量分析器中，再利用電場和磁場使發生相反的速度色散，將它們分別聚焦而得到質譜圖，從而確定其質量。第一台質譜儀是英國科學家弗朗西斯·阿斯頓於1919年製成的。阿斯頓用這台裝置發現了多種元素同位素，研究了53個非放射性元素，發現了天然存在的287種核素中的212種，第一次證明原子質量虧損。他為此榮獲1922年諾貝爾化學獎。

Joseph John Thomson

種類

質譜儀種類非常多，工作原理和套用範圍也有很大的不同。從套用角度，質譜儀可以分為下面幾類：

有機質譜儀：由於套用特點不同又分為：

①氣相色譜-質譜聯用儀（GC-MS）

在這類儀器中，由於質譜儀工作原理不同，又有氣相色譜-四極質譜儀，氣相色譜 -飛行時間質譜儀，氣相色譜-離子阱質譜儀等。

②液相色譜-質譜聯用儀（LC-MS）

同樣，有液相色譜-四器極質譜儀，液相色譜-離子阱質譜儀，液相色譜-飛行時間質譜儀，以及各種各樣的液相色譜-質譜-質譜聯用儀。

③　其他有機質譜儀，主要有：

基質輔助雷射解吸飛行時間質譜儀（MALDI-TOFMS），傅立葉變換質譜儀（FT-MS）

無機質譜儀，包括：

① 火花源雙聚焦質譜儀。

② 感應耦合電漿質譜儀（ICP-MS）。

③二次離子質譜儀（SIMS）

但以上的分類並不十分嚴謹。因為有些儀器帶有不同附屬檔案，具有不同功能。例如，一台氣相色譜-雙聚焦質譜儀，如果改用快原子轟擊電離源，就不再是氣相色譜-質譜聯用儀，而稱為快原子轟擊質譜儀（FAB MS）。另外，有的質譜儀既可以和氣相色譜相連，又可以和液相色譜相連，因此也不好歸於某一類。在以上各類質譜儀中，數量最多，用途最廣的是有機質譜儀。

除上述分類外，還可以從質譜儀所用的質量分析器的不同，把質譜儀分為雙聚焦質譜儀，四極桿質譜儀，飛行時間質譜儀，離子阱質譜儀，傅立葉變換質譜儀等。

套用

質譜技術是一種鑑定技術，在有機分子的鑑定方面發揮非常重要的作用。它能快速而極為準確地測定生物大分子的分子量，使蛋白質組研究從蛋白質鑑定深入到高級結構研究以及各種蛋白質之間的相互作用研究。

隨著質譜技術的發展,質譜技術的套用領域也越來越廣。由於質譜分析具有靈敏度高，樣品用量少，分析速度快，分離和鑑定同時進行等優點，因此，質譜技術廣泛的套用於化學，化工，環境，能源，醫藥，運動醫學，刑事科學技術，生命科學，材料科學等各個領域。

質譜儀種類繁多，不同儀器套用特點也不同,一般來說，在300C左右能汽化的樣品，可以優先考慮用GC-MS進行分析，因為GC-MS使用EI源，得到的質譜信息多，可以進行庫檢索。毛細管柱的分離效果也好。如果在300C左右不能汽化，則需要用LC-MS分析，此時主要得分子量信息，如果是串聯質譜，還可以得一些結構信息。如果是生物大分子，主要利用LC-MS和MALDI-TOF分析，主要得分子量信息。對於蛋白質樣品，還可以測定胺基酸序列。質譜儀的解析度是一項重要技術指標，高分辨質譜儀可以提供化合物組成式，這對於結構測定是非常重要的。雙聚焦質譜儀，傅立葉變換質譜儀，帶反射器的飛行時間質譜儀等都具有高分辨功能。

質譜儀

質譜分析法對樣品有一定的要求。進行GC-MS分析的樣品應是有機溶液，水溶液中的有機物一般不能測定，須進行萃取分離變為有機溶液，或採用頂空進樣技術。有些化合物極性太強，在加熱過程中易分解，例如有機酸類化合物，此時可以進行酯化處理，將酸變為酯再進行GC-MS分析，由分析結果可以推測酸的結構。如果樣品不能汽化也不能酯化，那就只能進行LC-MS分析了。進行LC-MS分析的樣品最好是水溶液或甲醇溶液，LC流動相中不應含不揮發鹽。對於極性樣品,一般採用ESI源，對於非極性樣品,採用APCI源。

發展史

早在19世紀末，E.Goldstein在低壓放電實驗中觀察到正電荷粒子，隨後W.Wein發現正電荷粒子束在磁場中發生偏轉，這些觀察結果為質譜的誕生提供了準備。

第一台質譜儀是英國科學家FrancisWilliamAston於1919年製成的。Aston用這台裝置發現了多種同位素，研究了53個非放射性元素，發現了天然存在的287中核素中的212中，並第一次證明了原子質量虧損。為此他獲得了1922年諾貝爾化學獎。

到20世紀20年代，質譜逐漸成為一種分析手段，被化學家採用；從40年代開始，質譜廣泛用於有機物質分析；1966年，M.S.B，Munson和F.H. Field報

到了化學電離源（Chemical Ionization，CI），質譜第一次可以檢測熱不穩定的生物分子；到了80年代左右，隨著快原子轟擊（FAB）、電噴霧（ESI）和基質輔助雷射解析（MALDI）等新“軟電離”技術的出現，質譜能用於分析高極性、難揮發和熱不穩定樣品後，生物質譜飛速發展，已成為現代科學前沿的熱點之一。由於具有迅速、靈敏、準確的優點，並能進行蛋白質序列分析和翻譯後修飾分析，生物質譜已經無可爭議地成為蛋白質組學中分析與鑑定肽和蛋白質的最重要的手段。質譜法在一次分析中可提供豐富的結構信息，將分離技術與質譜法相結合是分離科學方法中的一項突破性進展。如用質譜法作為氣相色譜（GC）的檢測器已成為一項標準化GC 技術被廣泛使用。由於GC-MS 不能分離不穩定和不揮發性物質，所以發展了液相色譜（LC）與質譜法的聯用技術。LC-MS可以同時檢測糖肽的位置並且提供結構信息。1987年首次報導了毛細管電泳（CE）與質譜的聯用技術。CE-MS 在一次分析中可以同時得到遷移時間、分子量和碎片信息，因此它是LC-MS的補充。

質譜分析原理

在眾多的分析測試方法中，質譜學方法被認為是一種同時具備高特異性和高靈敏度且得到了廣泛套用的普適性方法。質譜的發展對基礎科學研究、國防、航天以及其他工業、民用等諸多領域均有重要意義。

技術

質譜隨著科學技術的進步，20世紀80年代以來，有4種軟電離技術產生，分別為電漿解吸（PD-MS）、快原子轟擊（FAB ）、電噴霧（ESI ）和基質輔助雷射解吸/電離（MALDI）。

電漿解吸的原理是：採用放射性同位素的核裂變碎片作為初級粒子轟擊樣品使其電離，樣品以適當溶劑溶解後塗布於0.5-1µm 厚的鋁或鎳箔上，核裂變碎片從背面穿過金屬箔，把大量能量傳遞給樣品分子，使其解吸電離。在製備樣品時，採用硝化纖維素作為底物使得PD-MS 可用以分析分子量高達14 000 的多肽和蛋白質樣品。

快原子轟擊的原理是，一束高能粒子，如氬、氙原子，射向存在於液態基質中的樣品分子而得到樣品離子，這樣可以得到提供分子量信息的準分子離子峰和提供化合物結構信息的碎片峰。快原子轟擊操作方便、靈敏度高、能在較長時間裡獲得穩定離子流。當用於絕大多數生物體中寡糖及其衍生物的分析時，可測分子量達6000。而且在該質量範圍內，其靈敏度遠高於在15000 範圍

內新一代全加速儀器的靈敏度。此外，Camim 等採用FAB-MS 分析從Hafnia alvei中得到的四個寡糖組分，檢測到了NMR 不能觀測到的寡糖、並揭示了寡糖結構的非均一性。

質譜儀

電噴霧電離的原理是：噴霧器頂端施加一個電場給微滴提供淨電荷；在高電場下，液滴表面產生高的電應力，使表面被破壞產生微滴；荷電微滴中溶劑的蒸發；微滴表面的離子“蒸發”到氣相中，進入質譜儀。為了降低微滴的表面能，加熱至200～250℃，可使噴霧效率提高。FAB-MS 可以顯示碎片離子，但只能產生單電荷離子，因此不適用於分析分子量超過分析器質量範圍的分子。ESI 可以產生多電荷離子，每一個都有準確的小m/z 值。此外還可以產生多電荷母離子的子離子，這樣就可以產生比單電荷離子的子離子更多的結構信息。而且，ESI-MS 可以補充或增強由FAB 獲得的信息，即使是小分子也是如此。

質譜儀

基質輔助雷射解吸離子化質譜（Matrix-assisted laser desorption ionization mass spectrometry，MALDI-MS) 是20世紀80 年代末問世並迅速發展起來的質譜分析技術。這種離子化方式產生的離子常用飛行時間(time of flight，TOF)檢測器檢測，因此MALDI常與TOF一起稱為基質輔助雷射解吸離子化飛行時間質譜(MALDI-TOF-MS)。MALDI-TOF-MS技術，使傳統的主要用於小分子物質研究的質譜技術發生了革命性的變革，從此邁入生物質譜技術發展新時代。該技術的特點是採用被稱為“軟電離”方式，一般產生穩定分子離子，因而是測定生物大分子分子量的有效方法，廣泛地運用於生物化學，尤其對蛋白質、核酸的分析研究已經取得了突破性進展。MALDI-MS 在糖研究中的套用，也顯示出一定的潛力和套用前景。另外在高分子化學、有機化學、金屬有機化學、藥學等領域也顯示出獨特的潛力和套用前景，已經成為廣大科技工作者研究於分析大分子分子質量、純度、結構的理想工具。其廣泛套用於生物化學領域，

樣品導入

質譜方法的一個重要特點就是它對各種物理狀態的樣品都具有非常高的靈敏度，而且在一定程度上與待測物分子量的大小無關。但是，因為質譜儀的質量分析器安裝在真空腔里，分析樣品只有通過特定的方法和途徑才能被引入到離子源，並被離子化，然後被引入質量分析器進行

質量分析。一般把所有用於完成這種樣品引入任務的部件統稱為樣品引入系統。而樣品引入方式則可分為直接引入法和間接引入法。間接引入法又可細分為色譜引入、膜進樣等。 直接引入法是將低揮發性樣品直接裝在探針上，將探針送入真空腔內，然後給探針通大電流加熱，使探針的溫度急劇上升至數百度（一般不超過 400 ℃），樣品分子受熱後揮發形成蒸氣，該蒸氣受真空腔內真空梯度的作用被直接引入到離子源中離子化。由於溫度對樣品的揮發度影響較大，需精確控制溫度，但這也使固體選擇性進樣成為可能。這種方法主要適合於較低揮發性、熱穩定性好的樣品。而對於難揮發和熱不穩定樣品，主要採用解吸電離（DI）的辦法。

氮質譜檢漏儀

色譜法是質譜中套用最多的樣品間接引入法，這種進樣系統的研究熱點之一就是質譜和色譜之間的接口技術。GC的樣品可通過毛細管直接導入到質譜的離子源。如果GC的載氣流量較大，可在離子源前面加一級真空或者採用噴射式分離器來分流載氣（如 He 等小分子氣體）和富集待測物。LC-MS 常採用電噴霧技術從色譜流出物中提取樣品同時進行樣品的引入，該方法的優點在於它不需對儀器進行複雜的維護和調試，而且具有很高的靈敏度和極快的回響速度。除了經典的 GC、LC 被用於質譜樣品引入外，超臨界流體色譜（SFC）和毛細管電泳（CE）也可與質譜技術聯用，大大擴大了樣品引入的靈活性。如果採用DI技術，則薄層色譜、紙色譜等都可用到質譜分析中來，在效率允許的情況下，可大大降低成本。

隨著質譜在環境分析中的普及，膜進樣技術逐漸得到重視。在常見的膜進樣系統中，大多採用矽聚合物製作半透膜，這種半透膜能夠讓某些小分子有機物通過膜壁進入真空系統，而樣品中大量的基體、溶劑則不能透過，因此，膜進樣技術（MI）特別適宜於對低含量待測物的連續線上監測，如MI-MS，可望在環境監測、工業控制等方面獲得良好的套用。

在質譜儀器的校正和有機物結構鑑定中經常用到爐式或池式進樣，絕大多數的商品儀器都配備了這種進樣系統。該系統能夠長時間提供穩定的樣品濃度，方便對儀器進行校正和對待測物進行慢速掃描，從而獲得精確的信號。當然，這種方法要求樣品具有較低揮發性和較好的熱穩定性，此外，使用該方法樣品耗量較大。

離子源

在早期的質譜研究中，涉及的樣品一般為無機物，檢測目的包括測定原子量、

同位素豐度、確定元素組成等。針對這些要求，需要採用的離子源主要包括電感耦合電漿（ICP）、微波電漿炬（MPT）和其他微波誘導電漿（MIP）、電弧、火花、輝光放電等，幾乎能夠用於原子發射光譜的激發源都可用。 質譜的檢測對象主要是有機物和生命活性物質，需要用到一些比較特殊（相對於AES 激發源）的電離源。這些電離源可分為 4 類，即電子轟擊電離（EI）、化學電離（CI）、解吸電離（DI）、噴霧電離（SI），如下表所示。除 EI 外，每種電離源都能夠同時得到大量的正離子和負離子，而且分子離子的種類跟離子化過程中的媒介（medium）或基體（matrix）有關。比如，CI 能夠產生（M H） 、（M NH4） 、（M Ag） 、（M Cl）-等離子作為分子離子，也能夠產生類似的碎片離子。

線上質譜系統

常見的用於有機物分析的質譜電離源表

電離源	離子化試劑	適宜樣品
電子電離（EI）	電子	氣態樣品
化學電離（CI）	氣體離子	氣態樣品
解吸電離（DI）	光子，高能粒子	固態樣品
噴霧電離（SI）	高能電場	熱溶液

電離源產生的不同離子之間能夠互相反應，使得電離的結果更加豐富而複雜。比如在EI的作用下能夠產生大量的離子，內能較大的離子在與中性分子（如He）碰撞時能夠自發裂解產生更多的碎片離子。這種離子-分子反應一般很難進行完全，往往在得到許多碎片離子的同時還保留著部分母體離子，不過，通過增加離子內能（如調節碰撞時間，EI能量和中性粒子數量等），可以促使這

種離子-分子的反應進行完全；反之，如果降低離子內能，則可能得到穩定的該離子而不是該離子的碎片。相對 EI 而言，CI，DI 和 SI 都是軟電離源。藉助雷射和基體輔助，DI甚至能夠對沉積在某個表面的難揮發、熱不穩定的固體化合物進行瞬間離子化，得到比較完整的分子離子。SI的出現解決了生物大分子的進樣問題，給質譜法在生命科學領域的套用，尤其是大分子生命活性物質如蛋白質、DNA 等的測定提供了非常便捷有效的手段，其作用也因其創立者獲得 2002 年的諾貝爾化學獎而分外受到世人矚目。考察電離源的性能，一般需要用到的參數有信號強度、背景信號強度、電離效率、內能控制能力。

質譜圖

分析器

氣相離子能夠被適當的電場或磁場在空間或時間上按照質荷比的大小進行分離。廣義地說，能夠將氣態離子進行分離分辨的器件就是質量分析器。在質譜儀器中，也使用或研究過多種多樣的質量分析器，此處只介紹在商品儀器中廣泛使用的質量分析器，即扇形磁場、飛行時間質量分析器、四極桿質量分析器、四極桿離子阱和離子迴旋共振質量分析器。

1 扇形磁場

扇形磁場是歷史上最早出現的質量分析器，除了在質譜學發展史上具有重要意義外，還具有很多優點，如重現性好、解析度與質量大小無關、能夠較快地進行掃描（每秒 10 個質荷比單位）。但在目前出現的小型化質量分析器中，扇形磁場所占的比重不大，因為如果把磁場體積和重量降低將極大地影響磁場的強度，從而大大削弱其分析性能。但是，隨著新材料和新技術的不斷出現，這種局面可望在將來得到改觀。

2 飛行時間質量分析器

與其他質量分析器相比，飛行時間質量分析器（即 TOF）具有結構簡單、靈敏度高和質量範圍寬等優點（因為大分子離子的速度慢，更易於測量），尤其是與 MALDI 技術聯用時更是如此。歷史上對質荷比大於10的4次方的分子的質譜分析就是用TOF 來實現的，現時，這種質量分析器能夠測量的質荷比已接近10的6次方。但相對其它質量分析器（如 ICR）而言，TOF 的解析度和動態線性範圍不夠理想，比如對於分子量超過 5000 的有機物，同位素的峰就分辨的不好。但是，對大分子的質量測量精度則可達到0.01%，比傳統生物化學方法（如離心、電泳、尺寸篩析色譜等）的精度好的多。

在TOF中，不同質荷比的離子必須在同一時間點以相同的初動能進入漂移管，這樣才能保證漂移時間與質量的平方根成反比。為保證不同質荷比的離子在同一時間點以相同初動能進入漂移管，常採用脈衝式離子源（如採用脈衝雷射輻射的 MALDI 離子源），這樣基本上可保證時間的一

致性；但採用這種方法產生的離子初速度仍具有很大差異，為減少這種差異，往往需對離子進行冷卻，冷卻時間一般為幾十毫秒，經冷卻的離子再引入電場進行加速，就能夠基本消除速度上的差異。但在精確測量時，離子被加速後還需對其時間和空間分布進行校正，即通常所說的時間聚焦和空間聚焦。這種校正增加了TOF 測量的精確度，但同時也增加了儀器的複雜性。

質譜聯用

3 四極桿質量分析器

四極桿質量分析器的結構就是在相互垂直的兩個平面上平行放置四根金屬圓柱。如果把水平方向定義為 x方向，垂直方向為 y 方向，與金屬圓柱平行的方向為 z 方向，在 x與 y 兩支電極上分別施加±（UV cosωt）的高頻電壓（V 為電壓幅值，U 為直流分量，ω為圓頻率，t 為時間），則在四個金屬圓柱之間的空間形成一個形如馬鞍的交變電場。四極桿質量分析器能夠通過電場的調節進行質量掃描或質量選擇，質量分析器的尺寸能夠做到很小，掃描速度快，無論是操作還是機械構造，均相對簡單。但這種儀器的解析度不高；桿體易被污染；維護和裝調難度較大。

4 離子阱

離子阱和四極桿質量分析器有很多相似之處，如果將四極桿質量分析器的兩端加上適當的電場將其封上，則四極桿內的離子將受x，y，z 三個方向電場力的共同作用，使得離子能夠在這三個力的共同作用下比較長時間地呆在穩定區域內，就象一個電場勢阱，因此這樣的器件被稱為離子阱。所以，在很多時候都認為四極桿質量分析器與離子阱的區別就是前者是二維的，而後者是三維的。

離子阱內部的離子總是在做複雜的運動，在這種複雜運動中，包含了與質量相關的特徵信息。以這種特徵信息為基礎，發展了許多離子阱操作的新模式，大大拓寬了離子阱質量分析器的質量範圍，改善了質量解析度。

雖然離子阱內離子的運動是複雜的，但就離子阱質量分析器本身而言，它具有許多獨特的優點，主要是能夠方便地進行級聯質譜測量，能夠承受較高壓力（如 0.1 Pa），此外，這種質量分析器價格相對低廉，體積較小，被廣泛用做色譜檢測器。在質譜儀器的小型化中，離子阱的小型化取得了十分注目的成果。普度（Purdue）大學 Cooks 教授研究組的工作顯得尤為突出，發展出來的圓柱型離子阱和矩形離子阱等不但克服了離子阱難以加工的缺點，而且進一步降低了成本、簡化了操作，顯著減輕了重量，縮小了體積，甚至可做成質量感測器（mass sensor），有望在現場環境監測、國防、刑偵、安檢、工業過程控制等領域發揮作用。

5 離子迴旋共振質量分析器

在某種程度上，離子迴旋共振（ICR）質量分析器與NMR有些相似。ICR具有非常高的質量解析度，能夠檢測大質量離子、進行離子的無損分析和多次測量，具有很高的靈敏度和級聯質譜的能力，是一種在現代質譜學領域中具有重要用途的質量分析器。

為進一步提高質量分析器的質量解析度，常見的措施是將扇形磁場和電場聯用，形成雙聚焦質量分析器，而 FT-ICR 的解析度則可高達10的6次方以上。

檢測器

質譜儀器的檢測器有很多種，此處僅對電子倍增管及其陣列、離子計數器、感應電荷檢測器、法拉第收集器等比較常見的檢測器作簡要評述。

電子倍增管是質譜儀器中使用比較廣泛的檢測器之一。單個電子倍增管基本上沒有空間分辨能力，難以滿足質譜學日益發展的需要。於是，人們就將電子倍增管微型化，集成為微型多通道板（MCP）檢測器，並且在許多實際套用中發揮了重要作用。除了這種形式的陣列檢測器外，電荷耦合器件（CCD）等在光譜學中廣泛使用的檢測器也在質譜儀器中獲得了日益增多的套用。IPD（ion-to-photon）檢測器由於它能夠在高壓下長時間穩定地工作，也引起了人們的極大重視。

離子計數器是一種非常靈敏的檢測器，一般多用來進行離子源的校正或離子化效率的表征。對一般電子倍增管而言，一個離子能夠在10的負7次方秒內引發10的5-8次方個電子，對絕大多數工作在有機物檢測、生物化學研究領域的質譜儀器來說，其靈敏度已經足夠。但在某些地球化學、宇宙學研究中，則需要用離子計數器來進行檢測，其檢測電流可以低於每秒鐘一個離子的水平，一般離子源的信號至少也是離子計數器檢出限的10的10次方倍。

感應電荷檢測器也叫成像電流（imaging current）檢測器，常與ICR 質量分析器聯用。由於測量的是感應電荷（流），感應效率較低，故其靈敏度較低。但是，當它與ICR 等聯用時，由於ICR允許離子的非破壞性測量和反覆測量，因而 ICR 仍具有非常高的靈敏度。法拉第盤（杯）是一種最為簡單的檢測器。這種檢測器是將一個具有特定結構的金屬片接入特定的電路中，收集落入金屬片上的電子或離子，然後進行放大等處理，得到質譜信號。一般來說，這種檢測器沒有增益，其靈敏度非常低，限制了它的用途。但是，在某些場合，這種古老的檢測器起到不可替代的作用。如印地安那（Indianna）大學Hieftje等製作的陣列檢測器就利用了法拉第杯檢測器的上述特點。

質譜圖

進展

1 電噴霧解吸電離技術（Desorption Electrospray Ionization）

2004 年，Cooks 等報導了基於電噴霧解吸電離（DESI）對固體表面進行非破壞性檢測的新型質譜分析方法。

電噴霧產生的帶電液滴及離子直接打到被分析物的表面，吸附在表面的待測物

受到帶電離子的撞擊從表面解吸出來並被電離，然後通過質譜儀的採樣錐進入質量分析器，獲得的質譜圖與常規電噴霧質譜圖十分相似，可以得到單個或多個電荷的分子離子。電噴霧解吸電離技術可視為電噴霧技術與解吸技術的結合，而又類似於二次離子質譜。不同的是，解吸電離技術和二次離子質譜技術都是在真空條件下完成，而電噴霧解吸電離過程是在大氣壓環境下完成。由於該方法無須樣品預處理，能夠對吸附在固體表面的爆炸物、色素、蛋白質等在大氣壓下進行離子化，甚至能夠對薄層色譜表面的分析物進行直接檢測，從而實現了利用質譜方法進行快速靈敏的測定。DESI 是一種新興的離子源，其最大的優點是能夠在大氣壓下對物質分子進行離子化，從而實現了對待測物的靈敏、快速、高選擇性線上監測。電噴霧解吸電離方法套用廣泛，可用於極性化合物、非極性化合物、高分子量化合物、低分子量化合物的測定。DESI-MS 可用於植物組織的天然產物分析，無需萃取等樣品預處理過程；另外，該技術還已被用於蛋白質組學、代謝組學和診斷學、毒品檢測等領域，均取得了很好的結果。值得一提的是，Cooks 課題組將DESI 與攜帶型質譜儀聯用，並實現了對藥物、植物組織、爆炸物、生化戰劑模擬物、農用化學品的分析。

液質聯用

2 電暈放電實時直接分析電離技術（Corona Direct Analysis in Real Time， CDART）

2003年，美國科學家發明了電暈放電實時直接分析（Corona Direct Analysis in Real Time， CDART）離子化技術並成功地與帶常壓接口的飛行時間質譜相結合構成了新的質譜儀。採用這種質譜儀對各種氣、液體和固體樣品表面不作任何處理就可在大氣壓下直接進行實時分析，幾秒鐘內就可以得出結果，正好能使質譜技術滿足科技領域對這些方面的迫切需求，因而被學術界認為是質譜技術發展方面的“下一次量子飛躍（next quantum leap）”和“革命性的離子源（revolutionary ion source）”。

質譜儀

將其與離子淌度譜儀（IMS）結合則有望發展出可用於現場檢測的攜帶型專用儀器。 實時直接分析離子化源採用常壓電暈放電辦法使氦形成亞穩態的氦原子，或者使氮氣形成振動激發態的氮分子（活化氮），這些高能組分在與樣品分子接觸時就可通過非彈性碰撞使後者離子化，將其引入質量分析器作進一步分析，即可獲得所需要的被分析樣品的質譜信息。CDART 技術最初（2003年春）由美國的JEOL 公司開發成功並將其用於該公司帶常壓接口的 AccuTOF 質譜儀。同年（2003 年）夏美國陸軍設在馬里蘭州的 Edgewood 化學生物武器中心即開始對其作為化學武器檢測器的能力進行評估。兩者（JEOL 公司和 Edgewood 中心）的研究很快證明，這一新技術可用於數百種化學物質的鑑定，其中包括化學生物武器製劑及其相關化合物（包括其前體、添加劑、反應和降解產物及解毒副產物）、藥品、代謝產物、胺基酸、多肽、寡糖、合成有機化合物和金屬有機化合物、毒品、爆炸品及有毒工業化學品等。樣品類型則遍及多孔混凝土、瀝青、人體肌膚、錢幣、航班登機卡、名片、水果、蔬菜、調味品、飲料、生物體液、樹木和花草葉片、酒杯、常用實驗室設備及服飾等。最近的研究更已經擴展到了像蛋白質的測定、聚合物的鑑別、橡膠中抗氧化劑的快速分析、食用油中脂肪的快速分析、粘結劑、水泥、樹脂的快速分析、泥水中爆炸物的檢測、西紅柿表面番茄紅素的測定、單個罌粟籽中鴉片的檢測、辣椒中辣椒素的分布測定、蔥片所釋放出的不穩定化合物的檢測、除草劑中痕量化合物的快速檢測、桔子皮中

殺菌劑的檢測等等。

質譜儀

3 電噴霧萃取電離技術（Extractive Electrospray Ionization）

陳煥文等在進行DESI-MS研究的基礎上，創造性地提出了電噴霧萃取電離（EESI）技術。EESI技術最早用於液體樣品的測定，由電噴霧產生的帶電液滴及離子與霧化產生的樣品液滴碰撞，樣品溶液中的待測物被萃取出來並電離，待測物離子由毛細管接口引入質譜儀。

隨後，陳煥文等成功地開展了基於 EESI-TOF-MS 方法和活體呼吸氣體為樣品的代謝組學方面的研究，研究結果被 Angew. Chem.雜誌選中為VIP熱點文章、並以封面配圖的形式加速發表。實驗在商品化ESI離子源上進行，氣體樣品由鞘氣入口引入，與電噴霧產生的帶電液滴及離子碰撞，待測物分子被萃取並離子化後，由毛細管引入質譜儀。因其別具匠心的設計和優異的性能，使得 EESI-MS 不僅具有質譜特有的高靈敏度和高特異性，而且能夠承受各種形態的樣品，而且不需要進行樣品收集和分離，能夠對生物樣品進行活體、實時、線上分析。因此，給臨床樣品的快速質譜分析這一問題的解決提供了可能。從已經發表的結果來看，EESI-MS 不但能夠檢測呼吸氣體中含有的極性分子和非極性分子，而且還能夠檢測揮發性和非揮發性分子。通過呼吸氣體的活體線上的質譜分析，在1秒鐘內即可以獲得樣品中所有這些分子的指紋譜圖，而且可以對任何感興趣的組分進行結構鑑定，確保了測量結果的可靠性。他們的研究結果表明，人體在極端飢餓或病理條件下將能夠在呼出氣體中檢測到超乎尋常的大量尿素，這與體內採用蛋白質、脂肪來代替糖類供能的結果吻合，也給許多疾病的診斷提供了依據；當服用甜點後能夠在呼出氣體中檢測到葡萄糖，為糖尿病等的診斷和研究提供了新的途徑；數據也清楚地顯示了健康亞洲人和歐洲人身體對啤酒的不同反應；並且展示了通過選擇性分子-離子反應來進行某一類化合物的快速測定，比如口臭患者病因的檢測等。實際上，EESI-M 可看作是分子水平上的聞診。根據科學家的評價，該項研究結果清楚地展示了如果套用質譜儀來進行活體代謝組學研究，對人類多種疾病的診斷、治療以及對生命活動的分子細胞學機制的研究提供前所未有的有效工具。2002年諾貝爾化學獎得主、ESI技術發明人John B. Fenn 教授認為這一技術（EESI）將被廣泛套用，尤其是分析化學家將滿懷感激，對此，毫不懷疑。Cooks 教授認為EESI開闢了臨床診斷分析化學研究的新領域，對質譜學在臨床醫學方面的套用具有劃時代的意義。該研究成果發表後，瑞士化學會會刊CHIMIA立即決定對其進行轉載，歐美各國的眾多學術期刊，包括英國Chemistry World，美國C&EN，德國科技線上，Medical News Today，Medilexicon，Hospitalsworldwide，Lab on a chip等媒體都以多種文字對此成果進行了報導，意在迅速引起各國相關行業人員的關注。

檢測技術

1 低溫檢測器

低溫檢測器也叫熱量檢測器。當粒子或離子撞擊超導薄膜表面，能量累積並產生熱量，表面濺射出中子、離子、電子和光子，這個過程在常溫下不容易被發現。然而，在低溫條件下（<3K），能夠檢測到由離子撞擊產生的瞬間“高溫”，從而提供離子速率和能量的信息。低溫檢測器具有100%的效率、無質量岐視、理論上無質量上限。使用電子倍增器和微通道板對大質量離子進行檢

測時，由於二次電子的產生會使檢測效率降低，而低溫檢測器在高質量區回響信號不會下降。 這種能夠對離子能量檢測的方法有助於對離子化機理的研究。2002年出現商品化的採用超導隧道結檢測器的陣列低溫檢測器，對 m/z400，000大分子進行檢測，靈敏度達 fmol 水平。但是，這種檢測器需要工作在極端低溫的環境下，在一定程度上限制了其推廣套用。

質譜套用

2 微球板檢測器

Tremsin 和 Naaman 等研製出基於微通道板檢測原理的微球板檢測器（MSP）。直徑約為 20～100微米的玻璃微球經特殊材料處理後，燒結形成薄的、多孔玻璃板，這樣在玻璃板兩個表面之間就可形成不規則通道，離子撞擊玻璃板表面產生二次電子被加在兩表面間的高壓加速，通過彎曲的通道時，再次撞擊其他微球表面產生更多的電子，經多次循環產生後，電子流在玻璃板的另一側得到檢測。與微通道板相比，微球板有更高的檢測效率。使用微通道板時，當離子撞擊在通道之間的表面，不產生電子；而使用微球板時，接收離子的表面為多個球表面，這極大地提高了檢測效率。另外，與微通道板相比，微球板的成本要低的多。

Guilhaus 等將微球板檢測器與正交飛行時間質量分析器聯用時，單個離子的脈衝寬度為800ps（半峰寬）。

3 其他

Birkinshaw和Langstaff等人研製出由微通道板和陽極陣列組成的聚焦板檢測體系。陽極陣列是基於晶片技術的互補型金屬氧化物半導體器件，由 18 微米寬的鋁檢測帶和相應電路組成，可用來檢測微通道板產生的脈衝電流。與普通微通道板相比，信噪比、靈敏度、解析度得到一定提高，而計數速率沒有得到改善。

Sinha 和 Wadsworth 等報導了基於電荷耦合器件（CCD）的陣列檢測器，作者將電荷耦合器件中對光子敏感的器件換成金屬氧化物半導體器件，可直接用於離子的檢測，靈敏度較高，可檢測 5 個離子。

Fuerstenau 等將主動象素感測技術用於離子的檢測，將可用於電荷收集的金屬帶代替互補型金屬氧化物半導體器件中的光電二極體。與電荷耦合器件不同，互補型金屬氧化物半導體器件中的每個象素在電路中都有獨立的放大功能。

展望

進入 21 世紀，現代科學技術的發展對分析測試技術提出了新的挑戰。與經典的化學分析方法和傳統的儀器分析方法不同，現代分析科學中，原位、實時、線上、非破壞、高通量、高靈敏度、高選擇性、低耗損一直是分析工作者追求的目標。在眾多的分析測試方法中，質譜學方法被認為是一種同時具備高特異性和高靈敏度且得到了廣泛套用的方法。電噴霧解吸電離技術、電暈放電實時直接分析電離技術和電噴霧萃取電離技術的提出，滿足了時代的需要，滿足了科學技術發展的要求，為複雜樣品的快速質譜分析打開了一個視窗。

攜帶型質譜儀是新型質譜儀的研究熱點之一，攜帶型質譜儀的研究主要集中在離子化技術、質量分析技術方面，檢測器多採用 Detech 公司和 SGE 公司的商品化檢測器。為適應離子化技術、質量分析技術的快速發展，開發高性能離子檢測技術已迫在眉睫，而低噪音、高穩定性、寬質量範圍、較低的質量岐視、長壽命、低成本將是離子檢測技術發展中所要追求的目標。

質譜和光譜、核磁共振等方法是並列關係，暫時很少有交叉領域。實際上，質譜和這些經典譜學方法之間的交叉，也是應該值得重視的研究領域。

生物質譜可提供快速、易解的多組分的分析方法，且具有靈敏度高、選擇性強、準確性好等特點，其適用範圍遠遠超過放射性免疫檢測和化學檢測範圍，生物質譜在檢驗醫學中主要可用於生物體內的組分序列分析、結構分析、分子量測定和各組分含量測定。
1．核酸檢測的套用：核酸的分子生物學研究已經成為生命化學、分子生物學及醫學領域中最具有活力的研究方向之一。通過現代生物質譜技術，我們不但能夠得到寡聚核苷酸的分子質量，而且能夠通過相關的技術得到它的序列信息。
2．小分子生物標誌物檢測的套用：質譜在檢驗醫學中套用較早、較廣泛的是用核素稀釋GC—MS分析小分子生物標誌物，該方法是很多生物小分子檢測的參考方法，主要分析項目有胺基酸、脂肪酸、有機酸及其衍生物、單糖類、前列腺素、甲狀腺素、膽汁酸、膽固醇和類固醇、生物胺、脂類、碳水化合物、維生素、微量元素等，其中很多項目的方法比較完善，如激素的檢測和利用串聯質譜法進行新生兒胺基酸、游離肉毒鹼和醯肉鹼的篩查系統，2004年l2月24目美國食品藥品管理局(FDA)還專門制訂了“用串聯質譜法分析新生兒胺基酸、游離肉毒鹼和醯基肉鹼篩選檢測系統”的指導性檔案。生物質譜作為參考方法，在臨床檢驗的量值溯源工作中也發揮著重要作用。由於質譜方法在測量的準確性和可靠性上所具有的巨大優勢，很多國際組織或校準品製造商都用質譜法作為參考方法，對一些測定項目的校準品進行定值，如：葡萄糖、尿酸、T4、肌酐等。
3．大分子生物標誌物檢測的套用：大分子生物標誌物按結構可分為蛋白質、糖蛋白和低聚核苷酸。蛋白質是疾病的重要生物標誌物，當異常基因產生異常蛋白質後，臨床實驗室可通過測量代謝物濃度、代謝物組變化、檢測疾病相關異常功能蛋白、結構蛋白或蛋白指紋圖譜 等來提供用於診斷疾病的數據。代謝物組、蛋白質組、基因組分析間的相互作用將是今後幾年我們面臨的主要挑戰與發展機遇。臨床檢驗將通過連續地進行這些分析，先鑑別與疾病有關係的代謝物組，然後通過對蛋白質和(或)DNA的分析驗證鑑別結論，再連同其他臨床信息和實驗室數據，最後確定疾病的嚴重程度，並制定治療策略。腫瘤標誌物的測定是生物質譜技術在臨床檢驗套用中最為突出和有價值的領域，生物質譜技術最有希望成為腫瘤的早期檢測方法。根據生物質譜技術對乳腺癌等l2種腫瘤的血清及尿液檢測結果已證實，其檢測靈敏度82%～99%；診斷特異性為85%～99%，這是一個令人震驚的結果。
4．微生物鑑定的套用：通過每種細菌分離物的生物質譜可得到基於每種細菌惟一的肽模式或指紋圖譜來鑑別細菌，Hsu已用串聯質譜鑑定了沙門菌。由於蛋白質在細菌體內的含量較高，生物質譜可常用於細菌屬、種、株的鑑定；而串聯質譜還可針對糖類或脂類的脂肪酸組成進行鑑定；此外，通過對生物樣本進行處理後，串聯質譜也可從單細菌水平發現和確定病原菌及孢子；對特殊脂質成分的分析則可了解樣本中病原菌的活力和潛在感染。
5．藥物分析的套用：質譜在藥物分析中的套用包括：合成藥物組分分析，天然藥物成分分析，肽和蛋白質藥物(包括糖蛋白)胺基酸序列分析，藥物代謝研究和中藥成分分析。在檢驗醫學中套用較多的是治療藥物監測(TDM)，以前藥物檢測主要使用免疫化學技術和高效液相色譜技術。雖然，免疫化學技術簡單易行，但是所測定藥物種類比較少。高效液相色譜技術測定藥物種類雖較多，但定性的可靠性差。然而，液相色譜與質譜(LC．MS)聯用技術檢測藥物準確、快速，幾乎可以用於所有藥物檢測，如抗癌藥、免疫抑制劑、抗生素以及心血管藥，LC．MS技術有望成為藥物檢測的最強有力的工具。

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