质谱技术是20 世纪发展起来的最重要的分析技术之一，其原理可以追溯到1906 年诺贝尔物理学奖得主Joseph John Thomson 的工作，他发现了电荷在气体中的运动现象，并于1910 年获得了第一张质谱图。其后，1922 年Francis William Aston 因采用质谱技术发现了同位素而获得诺贝尔化学奖，1989 年诺贝尔物理学奖颁给了两位发明离子阱质谱技术的科学家，Wolfgang Paul 和Hans Georg Dehmelt。2002 年的诺贝尔化学奖则是颁给了发明电喷雾电离技术的John Bennet Fenn 和发明基质辅助激光解吸电离技术的田中耕一。此外，Ernest Orlando Lawrence 因为发明回旋加速器而获得了1939 年的诺贝尔物理学奖，后来人们利用测量离子的回旋共振频率发明了世界上最高分辨率的FT-ICR 质谱。还有，从1911 年诺贝尔物理学奖的成果“热辐射规律”、1943 年诺贝尔物理学奖的成果“分子束”到1986 年诺贝尔化学奖的成果“交叉分子束”，以及1996 年诺贝尔化学奖的成果“发现碳60”，均与质谱密切相关。今天，质谱既可用于分析无机元素，包括同位素，又可用于分析有机小分子，还可用于分析生物大分子，在生命科学、材料科学、环境科学、药物研发和精准药疗、食品安全和石油化工等领域发挥着巨大而不可替代的作用。随着科学技术的发展，质谱的分析能力越来越强大，在方方面面的应用也越来越普遍。

一种功能强大的分析仪器——质谱仪

质谱仪（Mass Spectrometer）是一种分析质量（Mass）的仪器，可进而鉴定分子结构及定量分析。纵观其发展历程，质谱的发展速度近似于指数曲线，近年来越来越快速地成长，已成为当今分析化学功能强大的设备。

质谱仪的基本原理与构造

顾名思义，质谱仪是测定物质质量的仪器，基本原理为将分析样品（气、液、固相）电离（Ionization）为带电离子（Ion），带电离子在电场或磁场的作用下可以在空间或时间上分离：

这些离子被检测器（Detector）检测后即可得到其质荷比（Mass-to-Charge Ratio，m/z）与相对强度（Relative Intensity）的质谱图（Mass Spectrum），进而推算出分析物中分子的质量。透过质谱图或精确的分子量测量可以对分析物做定性分析，利用检测到的离子强度可做准确的定量分析。

质谱仪的种类很多，但是基本结构相同。如图1-1 所示，质谱仪的基本构造主要分成五个部分：样品导入系统（Sample Inlet）、离子源（IonSource）、质量分析器（Mass Analyzer）、检测器（Detector）及数据分析系统（Data Analysis System）。

纯物质与成分简单的样品可直接经接口导入质谱仪；样品为复杂的混合物时，可先由液相或气相色谱仪分离样品组分，再导入质谱仪。当分析样品进入质谱仪后，首先在离子源对分析样品进行电离，以电子、离子、分子或光子将样品转换为气相的带电离子，分析物依其性质成为带正电的阳离子或带负电的阴离子。产生气相离子后，离子即进入质量分析器[图1-1（a）]进行质荷比的测量。在电场、磁场等物理作用下，离子运动的轨迹会受场力的影响而产生差异，检测器则可将离子转换成电子信号，处理并储存于计算机中，再以各种方式转换成质谱图。此方法可测得不同离子的质荷比，进而从电荷推算出分析物中分子的质量。此外，质谱仪还需要一个高真空系统，维持在10-4torr至10-10torr 的低压环境中，让样品离子不会因碰撞而损失或测量到的m/z 值有偏差。

图1-1 质谱仪的硬件组成：（a）质谱仪基本构造；（b）串联质谱仪

除了质量的测量，质谱仪也可以利用串联质谱（Tandem MassSpectrometry，MS/MS）技术，更有效地鉴定化合物的分子结构。顾名思义，串联质谱仪（Tandem Mass Spectrometer）是由两个以上的质量分析器[图1-1（b）]连接在一起所组成的质谱仪。当分析物经过离子源电离后，第一个质量分析器可以从混合物中选择及分离特定的离子，以外力（碰撞气体、光子、电子等）使该离子解离，并产生碎片离子，再由第二个质量分析器进行碎片离子的质量分析。这些碎片信息可以用来鉴定小分子及蛋白质、核酸等生物分子的结构。当样品复杂度很高时，可在样品进样区前串联一液相色谱（Liquid Chromatography，LC）或气相色谱（Gas Chromatography，GC）系统，帮助样品预分离（Pre-separation）以提高质谱分析的效率。