质谱技术简介
2英文参考质谱[WS/T 455—2014卫生监测与评价术语]
概述质谱是用电子流轰击气体分子，将分子中的电子敲出，形成带正电荷的分子离子，然后分裂成一系列碎片离子，再用磁场分离出不同质荷比的正离子，记录它们的相对强度，绘制质谱图，从而进行元素分析、分子量测定、分子式测定和分子结构推断的方法。质谱已成为中药化学成分结构鉴定常用的重要方法之一。
质谱是一种从待测化合物中产生气态离子，然后根据质荷比(m/z)分离检测离子的分析方法。检出限可以达到1015 ~ 1012？摩尔数量级。质谱可以提供分子质量和结构的信息，定量测定可以采用内标法或外标法。
4质谱的定义质谱是指根据样品电离后形成的离子的质量数和相对丰度来分析样品的方法[1]。
质谱仪的主要部件如图所示。At 103 ~ 106由水泵维持？在Pa的真空状态下，离子源产生的各种正离子(或负离子)被加速，被质量分析器分离，然后被检测器检测。计算机系统用于控制仪器、记录、处理和存储数据。当配备标准库软件时，计算机系统可以将测得的质谱图与标准库中的谱图进行比较，以获得可能化合物的组成和结构信息。
身材？质谱仪的主要部件
5.1进样系统不得影响质谱仪的真空度。进样模式的选择取决于样品的性质、纯度和电离模式。
5.1.1直接进样在常温常压下，气态或液态化合物的中性分子通过可控泄漏系统进入离子源。吸附在固体上或溶解在液体中的挥发性化合物可以通过顶空分析提取富集，程序升温解吸，然后通过毛细管引入质谱仪。
可将挥发性固体样品置于取样棒顶部的小坩埚中，在靠近离子源的高真空状态下加热气化。利用解吸电离技术，可以在气化的同时电离热不稳定、难挥发的样品。
许多分离技术已经与质谱联用。待检测的分离成分可以通过适当的接口引入质谱仪进行分析。
5.1.2气相色谱-质谱(GCMS)分离出的流出物为气态，待测化合物的分子大小也适合质谱分析。在使用毛细管气相色谱柱和大容量质谱真空泵的情况下，色谱流出物可以直接引入质谱仪。
5.1.3液相色谱-质谱(LCMS)需要一个特殊的接口，以从色谱流出液中分离待检测的化合物，并形成适于质谱分析的气体分子或离子。粒子束(PBI)、移动带(MBD)和大气压电离(API)是液相色谱-质谱联用的可用接口。为了减少污染，避免化学噪声和电离抑制，流动相中含有的缓冲盐或添加剂通常应该是挥发性的，并且用量也是有限的。
(1)粒子束界面？液相色谱的流出液在去溶剂室中雾化去溶剂后，只有待测化合物的中性分子被引入质谱离子源。粒子束接口适用于分子量小于1000的弱极性化合物的分析，测得的质谱可用电子轰击电离或化学电离产生。电子轰击电离质谱包含丰富的结构信息。
(2)移动带接口？将流速为0.5 ~ 65438±0.5ml/min的液相色谱流出液均匀滴在移动带上。蒸发并除去溶剂后，将待检测的化合物引入质谱离子源。移动带界面不适用于极性或热不稳定化合物的分析，测得的质谱可由电子轰击电离或化学电离或快原子轰击电离产生。
(3)大气压电离接口？电喷雾电离和大气压化学电离是液相色谱-质谱联用中广泛使用的大气压电离接口技术。由于它们的电离功能，这些接口也被称为大气压离子源，将以电离模式引入。
5.1.4超临界流体色谱-质谱(SFCMS)目前，超临界流体色谱-质谱主要采用大气压化学电离或电喷雾电离接口，色谱流出液通过位于色谱柱和离子源之间的加热限流器转化为气体，进入质谱仪进行分析。5.毛细管电泳-质谱法(CEMS)
几乎所有模式的毛细管电泳都可以与质谱联用。在选择接口时，应注意毛细管电泳的低速特性，使用挥发性缓冲液。电喷雾电离是毛细管电泳和质谱最常用的接口技术。
5.2电离方式根据待测化合物的性质和所要获取信息的类型，可以选择不同的电离方式，使待测化合物产生气态正离子或负离子，以便进一步进行质谱分析。有些情况下，注射和电离是在同一个过程中完成的，很难区分清楚。
5.2.1电子轰击电离(EI)离子源中的气态化合物分子，用能量(通常为70eV)大于其电离能的电子束轰击。质谱分析常常含有待测化合物的分子离子和具有待测化合物结构特征的碎片离子。电子轰击电离适用于热稳定和挥发性化合物的电离，是气相色谱-质谱联用中最常用的电离方法。当使用粒子束或移动带等接口时，电子轰击电离也可用于液相色谱-质谱。
5.2.2化学电离(Cl)离子源中的反应气体分子(如甲烷、异丁烷和氨)被高能电子轰击电离，进一步发生离子-分子反应，生成稳定的反应气体离子，然后待测化合物被电离。化学电离可以产生待测化合物(M)的(M+H)+或(MH)特征离子或待测化合物与试剂气体分子产生的加成离子。与电子轰击电离质谱相比，化学电离质谱碎片离子较少，适用于电子轰击电离无法获得分子质量信息的化合物的分析。
5.2.3快原子轰击(FAB)或快离子轰击(LSIMS)电离高能中性原子(如氩)或高能铯离子，使置于金属表面并分散在惰性粘性基质(如甘油)中的待测化合物电离，生成待测化合物与基质分子的(M+H)+或(MH)特征离子或加成离子。快原子轰击或快离子轰击电离非常适用于各种极性和热不稳定化合物的分子质量测定和结构表征，广泛应用于分子量高达10000的多肽、抗生素、核苷酸、脂类、有机金属化合物和表面活性剂的分析。
液相色谱-质谱联用仪使用快原子轰击(FAB)或快离子轰击电离时，需要在色谱流动相中加入1% ~ 10%的甘油，且流速必须保持很低(1 ~ 10μ l/min)。
5.2.4基质辅助激光解吸电离(MALDI)将溶解在适当基质中的试样涂覆在金属靶上，并用高强度紫外或红外脉冲激光照射，以电离待测化合物。基质辅助激光解吸电离主要用于分子量在100000以上的生物大分子的分析，适合与飞行时间分析仪结合使用。
5.2.5电喷雾电离(ESI)电离在大气压下进行。待测溶液(如液相色谱流出液)通过末端有几千伏高压的毛细管进入离子源，气体辅助雾化将产生的微小液滴中的溶剂去除，形成单电荷或多电荷的气态离子。然后这些离子通过逐级减压区从大气压转移到质谱仪的高真空中。电喷雾电离可以在1 μ l/min ~ 1 ml/min的流速下进行，适用于研究分子量高达100000的极性化合物和生物大分子。它是液相色谱-质谱和毛细管电泳-质谱最成功的接口技术。
反相高效液相色谱常用的溶剂，如水、甲醇、乙腈等，非常有利于电喷雾电离，但纯水或纯有机溶剂作为流动相，不利于溶剂的去除或离子的形成；在高流速条件下，流动相含有少量的水或至少20% ~ 30%的有机溶剂，有助于获得高的分析灵敏度。
5.2.6大气压化学电离(APCI)与化学电离的原理相同，但电离是在大气压下进行的。流动相在热量和氮气流的作用下雾化成气态，通过几千伏高压的放电电极时离子化，产生的试剂气体离子与待测化合物分子反应形成单电荷离子。正离子通常是(M+H)+，负离子是(MH)。大气压化学电离可以在高达2ml/min的流速下进行，是液相色谱-质谱联用的重要接口之一。
电喷雾离子源和大气压化学离子源常采用真空接口，便于相互更换。在选择电喷雾电离或大气压化学电离时，分析人员不仅要考虑溶液(如液相色谱流动相)的性质、组成和流速，还要考虑待测化合物的化学性质。电喷雾电离更适用于溶液中容易电离的极性化合物，以及化合物和生物大分子(如蛋白质、多肽等。)可以使用电喷雾离子源。常压化学电离常用于分析分子量小于1500的小分子或弱极性化合物(如甾醇、类胡萝卜素)，主要产生(M+H)+或(MH)离子，碎片离子很少。
相对而言，电喷雾电离更适用于热不稳定样品，而大气压化学离子源易于与正相液相色谱联用。许多中性化合物同时适用于电喷雾电离和大气压化学电离，并且都具有相当高的灵敏度。无论是电喷雾电离还是大气压化学电离，选择正离子还是负离子电离方式主要取决于待测化合物的性质。
5.3质量分析器在高真空状态下，质量分析器根据质荷比分离离子。质量范围和分辨率是质量分析仪的两个主要性能指标。质量范围是指质谱仪可以测量的质荷比的范围，分辨率是指质谱仪分辨质量差异很小的相邻峰的能力。常用的质量分析器有扇形磁场分析器、四极分析器、离子阱分析器、飞行时间分析器和傅立叶变换分析器。
5.3.1扇形磁场分析仪离子源中产生的离子被加速电压(V)加速，聚焦到扇形磁场中(磁场强度B)。在磁场的作用下，不同质荷比的离子按照各自的曲率半径(r)发生偏转和运动:
m/zB2r2/2V
通过改变磁场强度，不同质荷比的离子可以具有相同的曲率半径(R)，然后通过狭缝出口到达检测器。
扇形磁场分析仪可以检测分子量高达15000的单电荷离子。当它与静电场分析器组成双焦点扇形磁场分析器时，分辨率可达105。
5.3.2四极分析器该分析器由平行排列的四个金属杆电极组成。直流电压(DC)和射频电压(RF)作用于电极，形成高频振荡电场(四极场)。在特定的DC电压和射频电压条件下，只有具有一定质荷比的离子才能稳定地穿过四极场到达检测器。改变DC电压和射频电压的大小，但保持其比值不变，可以实现质谱扫描。
四极分析器的可检测分子量上限通常为4000，分辨率约为103。
5.3.3离子阱分析仪四极离子阱(QIT)由两个端盖电极和位于它们之间的环形电极组成。端盖电极处于地电位，而环形电极被施加射频电压(RF)以形成三维四极场。在适当的射频电压下，四极场可以存储所有质荷比大于一定值的离子。采用“不稳定质量选择”的模式，提高射频电压，可以使离子按照质量从高到低的顺序从离子阱中射出。挥发性化合物的电离和质量分析可以在同一个四极场中完成。通过设置时间序列，单个四极杆离子阱可以实现多级质谱(MSn)的功能。
线性离子阱(LIT)是一种二维四极离子阱，在结构上相当于四极质量分析器，但其工作模式类似于三维离子阱。四极线性离子阱具有更好的离子存储效率和存储容量，提高了离子喷射效率，更快的扫描速度和更高的检测灵敏度。
电喷雾电离或基质辅助激光解吸电离产生的生物大分子离子可以通过离子引导的方式进入离子阱分析仪进行分析。离子阱分析仪和四极杆分析仪的质量上限相近，分辨率为103 ~ 104。
5.3.4飞行时间分析仪(TOF)动能相同，质量不同，离子因飞行速度不同而分离。当飞行距离固定时，离子飞行所需时间与质荷比的平方根成正比，质量小的离子在短时间内到达探测器。为了确定飞行时间，将离子以不连续的组引入质量分析器，以确定初始飞行时间。离子群可以通过脉冲电离(如基质辅助激光解吸电离)产生，也可以通过门控制系统在给定时间将连续离子流引入飞行管。
现代飞行时间分析仪具有质量分析范围宽(分子量上限约为15000)、离子传输效率高(尤其是快速谱图获取)、多种检测能力、仪器设计和操作简单、质量分辨率高(约为104)等特点，已成为生物大分子分析的主流技术。
5.3.5傅里叶变换分析仪(FTMS)离子在一定强度的磁场中回旋，其轨道随振动的交变电场而变化。当交变电场的频率与离子回旋频率相同时，离子稳定加速，轨道半径越来越大，动能不断增加。当交变电场关闭时，轨道中的离子在电极上产生交变镜像电流。计算机利用傅里叶变换将镜像电流信号转换成光谱信号，获得质谱。
待测化合物的电离和质量分析可在同一分析仪中完成。傅里叶变换分析仪适用于分子量高于10000的化合物，分辨率高达106，质荷比测定精确到千分之一。
5.4串联质谱法串联质谱法(MSMS)是在时间或空间上结合两个以上水平的质量分析。空间串联是由两个以上的质量分析器组成，如三级四极杆串联质谱。由第一级质量分析器(MS1)选出的先驱离子进入碰撞室活化分解，产生的碎片离子由第二级质量分析器(MS2)分析得到MSMS谱。时间序列质谱中，前体离子的选择、碎裂和碎裂在同一个质量分析器(如四极离子阱分析器)中完成。先驱离子的分裂可以通过亚稳态分裂、碰撞诱导分裂、表面诱导分裂和激光诱导分裂来实现。
串联质谱不限于两级质谱，多级质谱实验也常表示为MSn。在实际应用中，串联质谱可以通过产物扫描、前驱扫描、中性损失扫描和选择性反应监测(SRM)的方式获得数据，但值得注意的是，时间串联质谱不能进行前驱离子扫描和中性损失扫描。
串联质谱在未知化合物的结构分析、复杂混合物中待测化合物的鉴定、裂解途径的阐明以及低浓度生物样品的定量分析等方面具有很大的优势。在医学领域也有很多应用。例如，通过产物离子扫描可以获得药物、杂质或污染物的前体离子的结构信息，有助于未知化合物的鉴定；产物离子扫描也可用于检测肽和蛋白质片段的氨基酸序列。当质谱与气相色谱或液相色谱联用时，如果色谱未能完全分离化合物，串联质谱可以选择性地确定某一组分的特征前体离子，从而获得该组分的结构和数量信息，不受已有组分的干扰。
在药物代谢的研究中，串联质谱可以用来寻找具有相同结构特征的代谢产物。由于代谢物可能含有与中性片段丢失相同的基团(如羧酸类容易丢失中性二氧化碳分子)，所以通过中性丢失扫描可以找到所有可能的代谢物。如果丢失的同一个碎片是一个离子，前体离子扫描方法可以帮助找到丢失碎片离子的所有前体离子。
选择性反应离子检测(SRM)可以消除生物基质对低浓度待测化合物定量分析的干扰。例如，在药代动力学研究中，待测药物的离子信号可能被基质中其他化合物的离子信号掩盖。通过用MS1和MS2选择性地检测特征前体离子和产物离子，可以实现对待测物质的专一和灵敏的分析。
5.5信号检测和数据采集来自质量分析器的离子束被检测器转换成电信号，被放大，被数据处理系统存储并显示为质谱图。质谱通过测量待测化合物离子的质荷比和相对丰度，可以实现对样品的定性和定量分析。
中性分子失去或俘获一个电子，即形成一个与母体分子质量相同的分子离子。通过高分辨率质谱仪(分辨率>:104)或通过对照化合物的峰匹配测定，可以获得待测化合物的分子组成和分子质量信息。分子离子断裂不同的键产生各种碎片离子，断裂方式(或碎片方式)与分子结构有关。通过测量碎片离子的质量和相对丰度，获得裂解特征，可以推断或确认待测化合物的分子结构。
质谱通过测量一种或多种特定离子的丰度，并与已知参考物质的响应进行比较，可以实现高科技性质的定量分析。外标法和内标法是质谱中常用的定量方法，内标法的准确度更高。质谱中使用的内标化合物可以是待测化合物的结构类似物或稳定同位素标记物。前者的优点是成本较低，但使用稳定同位素(如2H，13C，15N)可以获得更高的分析精度和准确度，尤其是在使用FAB或LCMS电离技术(如电喷雾电离)时。稳定同位素标记物是在样品制备、分离和电离过程中始终保留同位素标记物的指示剂。