質(zhì)譜分析法歡迎學(xué)習(xí)質(zhì)譜分析法課程！質(zhì)譜分析是現(xiàn)代分析化學(xué)的重要技術(shù)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、環(huán)境、法醫(yī)、材料科學(xué)等領(lǐng)域。本課程將帶您系統(tǒng)地了解質(zhì)譜分析的基本原理、儀器結(jié)構(gòu)、應(yīng)用方法及最新發(fā)展。質(zhì)譜技術(shù)通過(guò)測(cè)量離子的質(zhì)荷比來(lái)鑒定分子結(jié)構(gòu)、確定元素組成、探測(cè)痕量物質(zhì)，是科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要分析工具。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，您將掌握質(zhì)譜分析的基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用能力。課程導(dǎo)入及學(xué)習(xí)目標(biāo)課程內(nèi)容本課程將系統(tǒng)講解質(zhì)譜分析的基本原理、儀器組成、離子化方式、質(zhì)量分析器類(lèi)型及其在各領(lǐng)域的應(yīng)用。我們將從理論基礎(chǔ)到實(shí)際操作進(jìn)行全面介紹，幫助您建立完整的質(zhì)譜分析知識(shí)體系。重要性質(zhì)譜分析已成為現(xiàn)代化學(xué)、生物學(xué)和材料科學(xué)研究的核心技術(shù)。它能提供分子量、結(jié)構(gòu)信息和元素組成，在藥物研發(fā)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。學(xué)習(xí)目標(biāo)通過(guò)本課程學(xué)習(xí)，您將能夠理解質(zhì)譜原理，識(shí)別各類(lèi)質(zhì)譜儀器，掌握譜圖解析方法，并運(yùn)用質(zhì)譜技術(shù)解決實(shí)際分析問(wèn)題，為科研和職業(yè)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。什么是質(zhì)譜分析法定義質(zhì)譜分析法（MassSpectrometry）是一種通過(guò)測(cè)量離子的質(zhì)荷比（m/z）來(lái)確定樣品中化合物分子量和結(jié)構(gòu)的分析技術(shù)。它首先將樣品中的分子轉(zhuǎn)化為帶電離子，然后根據(jù)質(zhì)荷比進(jìn)行分離并檢測(cè)。基本用途質(zhì)譜技術(shù)可用于鑒定未知化合物、確定分子的精確分子量、分析分子結(jié)構(gòu)、測(cè)定同位素比例、進(jìn)行痕量分析等。它能夠在極低濃度下檢測(cè)目標(biāo)物質(zhì)，靈敏度遠(yuǎn)超其他分析方法。分析地位質(zhì)譜分析已成為化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域不可或缺的分析工具。它與色譜聯(lián)用后，更是成為復(fù)雜混合物分析的金標(biāo)準(zhǔn)方法。質(zhì)譜法的發(fā)展歷史1早期發(fā)現(xiàn)(1897-1919)1897年，J.J.Thomson發(fā)現(xiàn)電子。1912年，他建造了第一臺(tái)質(zhì)譜儀，用于測(cè)量氖同位素。1919年，F(xiàn).W.Aston改進(jìn)了質(zhì)譜儀設(shè)計(jì)并發(fā)現(xiàn)了多種元素的同位素。2技術(shù)發(fā)展期(1950-1980)20世紀(jì)50年代，磁質(zhì)譜儀得到廣泛應(yīng)用。1953年，WolfgangPaul發(fā)明了四極質(zhì)譜儀。1966年，四極桿質(zhì)譜儀開(kāi)始商業(yè)化。70年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)與質(zhì)譜結(jié)合，大大提高了數(shù)據(jù)處理能力。3現(xiàn)代質(zhì)譜時(shí)代(1980至今)1984年，JohnFenn發(fā)明了電噴霧離子化技術(shù)(ESI)。1985年，田中耕一發(fā)明了基質(zhì)輔助激光解吸電離(MALDI)。2000年后，高分辨率質(zhì)譜儀如Orbitrap快速發(fā)展，質(zhì)譜技術(shù)在生命科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用大幅擴(kuò)展。質(zhì)譜與其它分析技術(shù)比較分析技術(shù)靈敏度特異性樣品要求信息量質(zhì)譜法極高極高微量結(jié)構(gòu)+分子量色譜法中等中等微量保留時(shí)間光譜法低-中中等較多官能團(tuán)核磁共振低高較多完整結(jié)構(gòu)質(zhì)譜分析的最大優(yōu)勢(shì)在于其極高的靈敏度和特異性，能夠檢測(cè)極微量樣品中的目標(biāo)物質(zhì)。與色譜法相比，質(zhì)譜不僅能提供定性信息，還能進(jìn)行準(zhǔn)確定量。與光譜法相比，質(zhì)譜能直接給出分子量信息，更適合未知化合物鑒定。質(zhì)譜的局限性主要包括：設(shè)備成本高、維護(hù)復(fù)雜、部分化合物難以離子化等。而且質(zhì)譜通常需要樣品前處理，不如某些光譜技術(shù)便捷。與核磁共振相比，質(zhì)譜在結(jié)構(gòu)完整性確認(rèn)方面略顯不足。質(zhì)譜分析的基本原理離子檢測(cè)根據(jù)離子量測(cè)定相對(duì)豐度離子分離基于質(zhì)荷比的差異分離離子離子化將中性分子轉(zhuǎn)變?yōu)閹щ婋x子質(zhì)譜分析的核心原理是基于質(zhì)荷比（m/z）的測(cè)量。質(zhì)荷比是指離子質(zhì)量與其電荷數(shù)的比值，單位為道爾頓每電子電荷(Da/e)或統(tǒng)一原子質(zhì)量單位每電子電荷(u/e)。質(zhì)譜儀首先通過(guò)各種離子化方式將樣品分子轉(zhuǎn)化為帶電離子，然后在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中根據(jù)質(zhì)荷比進(jìn)行分離，最后由檢測(cè)器記錄不同質(zhì)荷比離子的相對(duì)豐度。離子在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡受其質(zhì)荷比影響，質(zhì)量越大、電荷越小的離子偏轉(zhuǎn)越小。通過(guò)測(cè)量離子到達(dá)檢測(cè)器的時(shí)間或位置，即可確定其質(zhì)荷比。質(zhì)譜圖則是以質(zhì)荷比為橫坐標(biāo)、離子相對(duì)豐度為縱坐標(biāo)繪制的圖譜，反映了樣品中各組分的相對(duì)含量。主要組成部分概述離子源離子源是質(zhì)譜儀的前端部分，負(fù)責(zé)將樣品中的分子轉(zhuǎn)化為氣相離子。根據(jù)不同的樣品性質(zhì)和分析需求，可選擇不同類(lèi)型的離子化技術(shù)，如電子轟擊(EI)、電噴霧(ESI)、基質(zhì)輔助激光解吸(MALDI)等。質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器負(fù)責(zé)根據(jù)離子的質(zhì)荷比進(jìn)行分離。常見(jiàn)的質(zhì)量分析器包括四極桿、飛行時(shí)間(TOF)、磁場(chǎng)扇形、離子阱、靜電場(chǎng)軌道阱(Orbitrap)等。不同類(lèi)型的分析器具有各自的優(yōu)勢(shì)和適用范圍。檢測(cè)器檢測(cè)器將分離后的離子轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)。常用的檢測(cè)器有電子倍增器、光電倍增管、法拉第杯等。此外，現(xiàn)代質(zhì)譜儀還包括真空系統(tǒng)、數(shù)據(jù)系統(tǒng)等輔助部分，共同保證分析的準(zhǔn)確性和靈敏度。分子離子與碎片離子分子離子分子離子(M+)是樣品分子失去一個(gè)電子而形成的帶正電荷的離子，它的質(zhì)量與原分子幾乎相同(僅少一個(gè)電子質(zhì)量)。分子離子峰在質(zhì)譜圖中提供了化合物分子量的直接信息，是結(jié)構(gòu)鑒定的重要依據(jù)。在某些離子化模式下(如EI)，分子離子可能不穩(wěn)定而進(jìn)一步碎裂，導(dǎo)致分子離子峰較弱甚至觀察不到。而在軟電離技術(shù)(如ESI、MALDI)中，則能較好地保留分子離子信息。碎片離子碎片離子是分子離子進(jìn)一步斷裂形成的較小質(zhì)量的離子。碎片化通常發(fā)生在分子中鍵能較弱的化學(xué)鍵處，不同類(lèi)型的化合物具有特征性的碎片化模式，形成獨(dú)特的"指紋圖譜"。碎片離子的形成遵循一定的規(guī)律，如α-斷裂、重排、消除小分子等。通過(guò)分析碎片離子的質(zhì)量和相對(duì)豐度，結(jié)合有機(jī)化學(xué)知識(shí)，可以推斷出分子的結(jié)構(gòu)特征，如官能團(tuán)類(lèi)型、連接方式等。分辨率與靈敏度分辨率定義質(zhì)譜分辨率是衡量質(zhì)譜儀區(qū)分接近質(zhì)荷比峰的能力。通常定義為m/Δm，其中m是待測(cè)峰的質(zhì)荷比，Δm是能與相鄰峰區(qū)分的最小質(zhì)荷比差異。高分辨率質(zhì)譜儀能區(qū)分非常接近的峰，對(duì)于同位素峰和復(fù)雜混合物分析至關(guān)重要。分辨率計(jì)算實(shí)際測(cè)量中，分辨率常通過(guò)峰的半高寬(FWHM)計(jì)算：R=m/Δm，其中Δm是峰半高處的寬度。現(xiàn)代高分辨質(zhì)譜儀如FT-ICR和Orbitrap可達(dá)到100,000甚至1,000,000以上的分辨率，能夠區(qū)分極其接近的質(zhì)荷比。靈敏度影響因素質(zhì)譜靈敏度指檢測(cè)微量物質(zhì)的能力，受多種因素影響：離子源效率、傳輸效率、檢測(cè)器響應(yīng)等。樣品性質(zhì)(易電離性)、基質(zhì)效應(yīng)、儀器調(diào)諧狀態(tài)、掃描速度也會(huì)影響靈敏度?，F(xiàn)代質(zhì)譜儀可達(dá)飛摩爾(10-15摩爾)甚至更低的檢測(cè)限。質(zhì)量數(shù)與同位素峰質(zhì)量數(shù)是指原子或分子中的質(zhì)子和中子總數(shù)，大致等于其質(zhì)量的整數(shù)部分。在質(zhì)譜分析中，質(zhì)量數(shù)通常用來(lái)表示離子的質(zhì)荷比。質(zhì)譜中使用的質(zhì)量單位是道爾頓(Da)或原子質(zhì)量單位(u)，1Da等于碳-12原子質(zhì)量的1/12。同位素是具有相同質(zhì)子數(shù)但中子數(shù)不同的原子。許多元素存在多種自然同位素，如碳(C-12、C-13)、氯(Cl-35、Cl-37)和溴(Br-79、Br-81)。這些同位素在質(zhì)譜圖中形成特征性的同位素峰模式，通過(guò)觀察同位素峰的相對(duì)強(qiáng)度和間距，可以確定分子中含有的特定元素及其數(shù)量。同位素模式分析是質(zhì)譜結(jié)構(gòu)解析的重要手段，尤其對(duì)含鹵素、硫等元素的化合物鑒定十分有用。常用的離子化模式硬電離技術(shù)包括電子轟擊(EI)、化學(xué)電離(CI)等，通常會(huì)導(dǎo)致分子離子大量碎裂。EI是最經(jīng)典的離子化方式，產(chǎn)生的譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)豐富，但對(duì)熱不穩(wěn)定和高分子量化合物不適用。CI則比EI更溫和，能夠提供分子離子信息。軟電離技術(shù)包括電噴霧離子化(ESI)、基質(zhì)輔助激光解吸離子化(MALDI)等，能夠保留分子完整性，適用于高分子量、熱不穩(wěn)定的化合物分析。ESI特別適合分析極性、非揮發(fā)性化合物及生物大分子，是液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用的常用接口。特殊離子化技術(shù)如大氣壓化學(xué)電離(APCI)、大氣壓光電離(APPI)、解吸電噴霧電離(DESI)等，針對(duì)特定樣品類(lèi)型開(kāi)發(fā)。其中APCI適合中等極性化合物，APPI適合低極性化合物，DESI則能直接對(duì)固體表面進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)環(huán)境質(zhì)譜和成像質(zhì)譜。離子檢測(cè)的原理離子產(chǎn)生樣品分子在離子源中被電離成帶電粒子離子分離按質(zhì)荷比在分析器中被分離離子檢測(cè)分離后的離子撞擊檢測(cè)器表面信號(hào)轉(zhuǎn)換電子信號(hào)被放大并記錄為質(zhì)譜圖質(zhì)譜檢測(cè)器的工作原理是將質(zhì)量分析器分離后的離子轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)。最常用的是電子倍增器，當(dāng)離子撞擊其表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電子。這些電子被加速到下一個(gè)電極，每次碰撞產(chǎn)生更多電子，形成級(jí)聯(lián)放大效應(yīng)，最終產(chǎn)生可測(cè)量的電流脈沖。其他常見(jiàn)檢測(cè)器包括光電倍增管、法拉第杯和微通道板等?，F(xiàn)代質(zhì)譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)通常包括前置放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)處理軟件。信號(hào)的強(qiáng)度與到達(dá)檢測(cè)器的離子數(shù)量成正比，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)品比較，可實(shí)現(xiàn)定量分析。檢測(cè)器的性能直接影響質(zhì)譜儀的靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍和線性響應(yīng)。質(zhì)譜儀的基本結(jié)構(gòu)質(zhì)譜儀由五個(gè)主要部分組成：進(jìn)樣系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器、檢測(cè)器和數(shù)據(jù)系統(tǒng)。進(jìn)樣系統(tǒng)負(fù)責(zé)將樣品導(dǎo)入質(zhì)譜儀；離子源將樣品轉(zhuǎn)化為氣相離子；質(zhì)量分析器根據(jù)質(zhì)荷比分離離子；檢測(cè)器記錄離子信號(hào)；數(shù)據(jù)系統(tǒng)則處理和顯示結(jié)果。除主要部件外，真空系統(tǒng)也是質(zhì)譜儀的關(guān)鍵組成部分。高真空環(huán)境(通常為10-4-10-8托)能確保離子在無(wú)碰撞狀態(tài)下飛行，提高分辨率和靈敏度。真空系統(tǒng)一般包括機(jī)械泵、渦輪分子泵和離子泵等?，F(xiàn)代質(zhì)譜儀還配備先進(jìn)的控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作和復(fù)雜數(shù)據(jù)處理。離子源種類(lèi)概覽離子源類(lèi)型適用樣品質(zhì)量范圍特點(diǎn)電子轟擊(EI)揮發(fā)性小分子<1000Da碎片化多，易查庫(kù)化學(xué)電離(CI)極性小分子<1000Da準(zhǔn)分子離子信息好電噴霧(ESI)極性分子、生物大分子無(wú)上限多電荷，適合LC聯(lián)用激光解吸(MALDI)蛋白質(zhì)、多糖、聚合物>100,000Da單電荷，樣品制備簡(jiǎn)單大氣壓化學(xué)電離(APCI)中低極性分子<2000Da適合LC聯(lián)用不同類(lèi)型的離子源適用于不同性質(zhì)的樣品分析。電子轟擊和化學(xué)電離主要用于揮發(fā)性有機(jī)小分子；電噴霧和激光解吸則拓展了質(zhì)譜分析至生物大分子領(lǐng)域；新興的環(huán)境電離技術(shù)如DESI則實(shí)現(xiàn)了無(wú)需樣品前處理的直接分析。選擇合適的離子源是質(zhì)譜分析成功的關(guān)鍵。通常需要考慮樣品的極性、分子量、熱穩(wěn)定性和揮發(fā)性等因素。許多現(xiàn)代質(zhì)譜儀配備了多種可互換的離子源，以滿足不同分析需求。電子轟擊離子源（EI）樣品氣化樣品加熱至氣態(tài)電子轟擊70eV電子束轟擊氣態(tài)分子離子形成產(chǎn)生分子離子和特征碎片電子轟擊(EI)是最經(jīng)典的離子化技術(shù)，在一個(gè)小腔室內(nèi)，來(lái)自燈絲的電子被加速到70電子伏特(eV)能量，與進(jìn)入的氣態(tài)樣品分子碰撞。這種高能碰撞使樣品分子失去一個(gè)電子，形成帶正電的分子離子(M+?)，同時(shí)獲得足夠的內(nèi)能進(jìn)一步碎裂成特征性碎片離子。EI離子源的主要優(yōu)勢(shì)在于產(chǎn)生的譜圖重復(fù)性好、碎片豐富、信息量大，且已建立了龐大的標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫(kù)(如NIST庫(kù))，便于未知物鑒定。然而，由于能量過(guò)高，某些化合物的分子離子可能完全碎裂而觀察不到，對(duì)熱不穩(wěn)定和高分子量化合物也不適用。EI主要與氣相色譜(GC)聯(lián)用，適用于揮發(fā)性有機(jī)物分析?；瘜W(xué)電離源（CI）反應(yīng)氣電離甲烷等反應(yīng)氣被電離離子分子反應(yīng)反應(yīng)氣離子與樣品分子反應(yīng)準(zhǔn)分子離子形成產(chǎn)生如[M+H]+的離子化學(xué)電離(CI)是一種相對(duì)溫和的離子化技術(shù)，利用氣相離子-分子反應(yīng)產(chǎn)生離子。在CI離子源中，首先通過(guò)電子轟擊使反應(yīng)氣(如甲烷、氨氣或異丁烷)電離形成初級(jí)離子，如CH4+?。這些初級(jí)離子與過(guò)量的反應(yīng)氣分子碰撞，生成穩(wěn)定的反應(yīng)離子，如CH5+或C4H9+。當(dāng)樣品分子進(jìn)入離子源后，與這些反應(yīng)離子發(fā)生離子-分子反應(yīng)，通常是質(zhì)子轉(zhuǎn)移或加成反應(yīng)，形成準(zhǔn)分子離子如[M+H]+。與EI相比，CI提供的能量較低，碎片化程度減少，有利于觀察分子量信息。CI可分為正離子CI和負(fù)離子CI，后者對(duì)含鹵素、硝基等電負(fù)性基團(tuán)的化合物特別敏感。CI主要與GC聯(lián)用，適用于揮發(fā)性極性化合物的分析。電噴霧電離源（ESI）離子形成在電噴霧過(guò)程中，帶有高電壓的毛細(xì)管尖端將液體樣品噴霧成帶電微滴。隨著溶劑蒸發(fā)，電荷密度增加，最終達(dá)到瑞利極限，發(fā)生庫(kù)侖爆炸，釋放出氣相離子。這些離子通常為多電荷狀態(tài)，如[M+nH]n+。儀器結(jié)構(gòu)ESI離子源主要由高壓電源、噴霧毛細(xì)管、氣體加熱器和離子傳輸系統(tǒng)組成。噴霧過(guò)程通常輔以霧化氣以提高穩(wěn)定性和離子化效率。產(chǎn)生的離子通過(guò)一系列電極和離子透鏡被引導(dǎo)進(jìn)入質(zhì)量分析器。應(yīng)用特點(diǎn)ESI特別適合分析極性、離子性和高分子量化合物，是分析蛋白質(zhì)、多肽、核酸等生物大分子的重要工具。多電荷特性使超高分子量化合物（>100kDa）也能在常規(guī)質(zhì)量范圍內(nèi)檢測(cè)。ESI已成為液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS）最常用的接口類(lèi)型。基質(zhì)輔助激光解吸離子化（MALDI）樣品制備MALDI分析的第一步是樣品與基質(zhì)的混合?；|(zhì)通常是小分子有機(jī)酸（如α-氰基-4-羥基肉桂酸），能在紫外激光波長(zhǎng)處強(qiáng)烈吸收。樣品與過(guò)量基質(zhì)混合后，點(diǎn)樣于金屬靶板上，共結(jié)晶形成固態(tài)樣品點(diǎn)。激光解吸固態(tài)樣品點(diǎn)被脈沖激光（通常為337nm氮激光）照射，基質(zhì)分子吸收激光能量并迅速加熱。這導(dǎo)致樣品與基質(zhì)共同劇烈蒸發(fā)，形成高密度的氣相羽流。在此過(guò)程中，基質(zhì)向分析物轉(zhuǎn)移質(zhì)子，使其帶電。離子分析形成的離子被加速電場(chǎng)引導(dǎo)進(jìn)入質(zhì)量分析器。MALDI主要生成單電荷離子[M+H]+，簡(jiǎn)化了譜圖解析。它通常與飛行時(shí)間（TOF）質(zhì)量分析器配合使用，組成MALDI-TOF系統(tǒng)，已成為蛋白質(zhì)組學(xué)和多糖分析的標(biāo)準(zhǔn)工具。其它特殊離子源解吸電噴霧電離(DESI)DESI技術(shù)通過(guò)向樣品表面噴射帶電溶劑微滴，使樣品分子解吸并電離。這種環(huán)境離子化技術(shù)無(wú)需樣品前處理，可直接分析固體表面，廣泛應(yīng)用于組織切片成像、爆炸物檢測(cè)和藥物分析。大氣壓化學(xué)電離(APCI)APCI利用電暈放電針產(chǎn)生電子，在大氣壓下引發(fā)離子-分子反應(yīng)。它適用于中等極性分子(比ESI適用范圍更寬)，如類(lèi)固醇、農(nóng)藥等。APCI產(chǎn)生的主要是單電荷分子離子，結(jié)構(gòu)適中的化合物碎片化程度比ESI大。大氣壓光電離(APPI)APPI使用氪燈等紫外光源直接電離樣品分子。它對(duì)低極性和非極性化合物如多環(huán)芳烴有極高靈敏度，是LC-MS分析非極性化合物的理想選擇。通常需要使用多巴胺等光敏劑增強(qiáng)電離效率。納米電噴霧(Nano-ESI)納米電噴霧是ESI的微型化版本，使用更小噴嘴(1-10μm)和更低流速(nl/min)。它對(duì)樣品消耗極少，離子化效率高，鹽耐受性好，是分析生物樣品中微量組分的理想選擇，尤其適合蛋白質(zhì)組學(xué)研究。質(zhì)量分析器類(lèi)型磁場(chǎng)扇形最早的質(zhì)量分析器之一，利用磁場(chǎng)使離子軌道彎曲高分辨率體積大掃描速度慢四極桿使用交直流混合電場(chǎng)過(guò)濾離子穩(wěn)定性好價(jià)格合理掃描速度快飛行時(shí)間測(cè)量離子飛行時(shí)間差質(zhì)量范圍大高分辨率高采集速率離子阱三維空間捕獲離子體積小適合MSn離子容量有限四極桿質(zhì)量分析器（QMS）結(jié)構(gòu)組成四極桿質(zhì)量分析器由四根平行的金屬棒組成，對(duì)角排列的兩根棒連接在一起，形成兩對(duì)電極。將直流電壓(U)和振幅為V、頻率為ω的射頻交流電壓施加在兩對(duì)電極上，一對(duì)為+(U+Vcosωt)，另一對(duì)為-(U+Vcosωt)。工作原理離子在四極桿中的運(yùn)動(dòng)軌跡由Mathieu方程描述。在特定的U/V比值下，只有特定質(zhì)荷比(m/z)的離子能夠通過(guò)四極桿到達(dá)檢測(cè)器，而其他離子則會(huì)碰撞到電極上被中和。通過(guò)改變U和V的值(但保持比值不變)，可以按質(zhì)荷比逐一掃描各種離子。特點(diǎn)與應(yīng)用四極桿質(zhì)量分析器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格適中、穩(wěn)定性好、線性范圍寬等優(yōu)勢(shì)，是實(shí)驗(yàn)室最常見(jiàn)的質(zhì)量分析器類(lèi)型。它特別適合與氣相色譜、液相色譜聯(lián)用，可進(jìn)行選擇離子監(jiān)測(cè)(SIM)和多反應(yīng)監(jiān)測(cè)(MRM)等高靈敏度定量分析，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、藥物分析和臨床診斷。飛行時(shí)間質(zhì)譜儀（TOF）基本原理飛行時(shí)間質(zhì)譜(TOF)是基于不同質(zhì)荷比(m/z)的離子在相同動(dòng)能下飛行速度不同的原理。離子被加速電場(chǎng)加速后，獲得動(dòng)能E=zeV(z為電荷數(shù)，e為電子電荷，V為加速電壓)。由于動(dòng)能E=1/2mv2(m為質(zhì)量，v為速度)，較輕的離子飛行速度快于重的離子，通過(guò)測(cè)量離子從源到檢測(cè)器的飛行時(shí)間t，可計(jì)算其質(zhì)荷比：m/z∝t2。分辨率提升早期TOF分辨率受限于離子初始能量分布等因素。現(xiàn)代TOF質(zhì)譜儀采用反射式設(shè)計(jì)(Reflectron)，增加了離子鏡來(lái)補(bǔ)償初始能量差異，顯著提高分辨率。延遲脈沖提取技術(shù)也能減少離子初始空間分布造成的影響。當(dāng)前高端TOF可達(dá)40,000以上分辨率。應(yīng)用領(lǐng)域TOF質(zhì)譜具有理論上無(wú)限的質(zhì)量范圍、極高的靈敏度和采集速率，特別適合與MALDI和ESI等脈沖離子源配合。MALDI-TOF是蛋白質(zhì)鑒定和微生物分型的標(biāo)準(zhǔn)方法；TOF與四極桿組合的Q-TOF系統(tǒng)則廣泛用于精確質(zhì)量測(cè)定和結(jié)構(gòu)解析。最新的高分辨TOF也用于環(huán)境分析、食品安全等領(lǐng)域的非靶向篩查。磁場(chǎng)分析質(zhì)譜儀基本原理磁場(chǎng)分析質(zhì)譜儀利用磁場(chǎng)對(duì)移動(dòng)帶電粒子的偏轉(zhuǎn)效應(yīng)分離不同質(zhì)荷比(m/z)的離子。當(dāng)帶電離子以速度v穿過(guò)強(qiáng)度為B的均勻磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)受到垂直于運(yùn)動(dòng)方向的洛倫茲力作用，沿半徑r做圓周運(yùn)動(dòng)。根據(jù)力的平衡關(guān)系：Bqv=mv2/r，可得m/z=B2r2/2V，其中V為加速電壓。通過(guò)掃描磁場(chǎng)強(qiáng)度B或加速電壓V，可使不同m/z的離子依次通過(guò)固定位置的出口縫隙到達(dá)檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量分析。磁場(chǎng)質(zhì)譜儀的主要優(yōu)勢(shì)是高分辨率和高穩(wěn)定性。雙聚焦磁場(chǎng)儀器結(jié)合靜電場(chǎng)和磁場(chǎng)，可實(shí)現(xiàn)超過(guò)100,000的分辨率，是同位素比值測(cè)定和精確質(zhì)量測(cè)量的經(jīng)典工具。其主要應(yīng)用包括精確同位素分析、有機(jī)物精確質(zhì)量測(cè)定、地質(zhì)年代測(cè)定等。離子阱質(zhì)譜離子阱質(zhì)譜儀利用特定構(gòu)型的電場(chǎng)在有限空間捕獲離子。三維四極離子阱(QIT)由一個(gè)環(huán)形電極和兩個(gè)端蓋電極構(gòu)成，施加合適的射頻電壓形成三維四極場(chǎng)。離子在這種場(chǎng)中做復(fù)雜的軌道運(yùn)動(dòng)，被約束在阱中心區(qū)域。通過(guò)改變射頻電壓的振幅，可以按質(zhì)荷比順序使離子變得不穩(wěn)定并從阱中射出，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量分析。線性離子阱(LIT)則是四極桿質(zhì)量分析器的延伸，在四極桿兩端施加電勢(shì)，形成軸向約束。離子阱質(zhì)譜儀最顯著的優(yōu)勢(shì)是能進(jìn)行多級(jí)質(zhì)譜(MSn)分析：選擇性地保留特定m/z的離子，誘導(dǎo)它們碰撞解離，然后對(duì)產(chǎn)生的碎片進(jìn)行分析，再選擇其中一個(gè)碎片重復(fù)此過(guò)程。這種能力使離子阱成為結(jié)構(gòu)解析的強(qiáng)大工具，特別適合中藥成分、代謝物等復(fù)雜樣品的分析。質(zhì)譜多級(jí)聯(lián)用（MS/MS）前體離子選擇(MS1)篩選特定m/z的離子碰撞誘導(dǎo)解離(CID)使前體離子與氣體碰撞碎片離子分析(MS2)測(cè)量產(chǎn)生的碎片離子質(zhì)譜多級(jí)聯(lián)用(MS/MS或MSn)是一種強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)解析技術(shù)，能夠提供比單級(jí)質(zhì)譜更詳細(xì)的分子結(jié)構(gòu)信息。其基本流程包括：首先篩選出特定m/z的前體離子；然后通過(guò)碰撞誘導(dǎo)解離(CID)等方式使其碎裂；最后分析產(chǎn)生的碎片離子譜圖。MS/MS大大增加了分析的特異性和信息量。MS/MS可通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)：一是串聯(lián)質(zhì)譜儀(如三重四極桿)，將多個(gè)質(zhì)量分析器物理連接；二是在離子阱中進(jìn)行時(shí)間序列的離子操作。MS/MS的主要應(yīng)用包括結(jié)構(gòu)確證、復(fù)雜混合物中目標(biāo)物檢測(cè)、痕量分析等。典型的應(yīng)用場(chǎng)景有代謝組學(xué)中的代謝物鑒定、藥物代謝產(chǎn)物研究、蛋白質(zhì)序列分析和環(huán)境污染物檢測(cè)等。高分辨質(zhì)譜儀（HRMS）1,000,000+FT-ICR分辨率傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜的極限分辨率240,000Orbitrap分辨率常規(guī)Orbitrap在m/z200處的分辨率<1ppm質(zhì)量準(zhǔn)確度現(xiàn)代高分辨質(zhì)譜儀的質(zhì)量測(cè)量誤差0.0005Da質(zhì)量差別可區(qū)分CH4與O的質(zhì)量差異高分辨質(zhì)譜儀(HRMS)能夠精確區(qū)分質(zhì)量非常接近的離子，為分子式確定和復(fù)雜混合物分析提供強(qiáng)大工具?，F(xiàn)代HRMS主要包括三類(lèi)：傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜(FT-ICR)、靜電場(chǎng)軌道阱(Orbitrap)和高性能飛行時(shí)間質(zhì)譜(TOF)。FT-ICR利用強(qiáng)磁場(chǎng)中離子的回旋運(yùn)動(dòng)頻率測(cè)量質(zhì)荷比，理論分辨率最高，但價(jià)格昂貴、體積龐大。Orbitrap是近年發(fā)展起來(lái)的新型分析器，基于離子圍繞中心電極做諧振運(yùn)動(dòng)，分辨率高且無(wú)需超導(dǎo)磁體。高分辨質(zhì)譜在代謝組學(xué)、環(huán)境非靶向篩查、精確分子式確定等領(lǐng)域有著不可替代的作用。與色譜聯(lián)用的高分辨系統(tǒng)已成為復(fù)雜樣品分析的終極工具。檢測(cè)器主要類(lèi)型電子倍增器最常用的質(zhì)譜檢測(cè)器，利用次級(jí)電子發(fā)射原理。當(dāng)高速離子撞擊第一打拿極時(shí)，會(huì)釋放出次級(jí)電子。這些電子被加速到下一打拿極，每次碰撞產(chǎn)生更多電子，形成級(jí)聯(lián)效應(yīng)?，F(xiàn)代連續(xù)打拿極電子倍增器可提供106-108倍的信號(hào)放大，具有響應(yīng)快、噪音低的特點(diǎn)。微通道板微通道板(MCP)由數(shù)百萬(wàn)個(gè)直徑約10μm的平行通道組成，每個(gè)通道相當(dāng)于一個(gè)微型電子倍增器。當(dāng)離子進(jìn)入通道并撞擊內(nèi)壁時(shí)，產(chǎn)生電子雪崩效應(yīng)。MCP具有極高的時(shí)間分辨率(亞納秒級(jí))和二維空間分辨能力，特別適合飛行時(shí)間質(zhì)譜和質(zhì)譜成像應(yīng)用。法拉第杯法拉第杯是一種簡(jiǎn)單但高準(zhǔn)確度的檢測(cè)器。離子撞擊金屬杯內(nèi)壁時(shí)，通過(guò)中和作用產(chǎn)生電流，該電流與離子數(shù)量成正比。法拉第杯測(cè)量離子電流而非次級(jí)電子，因此具有很高的線性范圍和準(zhǔn)確度，常用于同位素比值精確測(cè)量，但靈敏度較低。真空系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集真空系統(tǒng)質(zhì)譜儀需要高真空環(huán)境以確保離子的自由飛行路徑足夠長(zhǎng)，避免與空氣分子碰撞導(dǎo)致散射或中和?，F(xiàn)代質(zhì)譜儀通常采用多級(jí)真空系統(tǒng)，從離子源區(qū)的低真空(約10-3托)到分析器區(qū)的高真空(10-5-10-8托)。常用的真空泵包括：機(jī)械泵（初級(jí)真空）、渦輪分子泵（產(chǎn)生高真空）和離子泵（維持超高真空）。大型儀器可能還使用擴(kuò)散泵和低溫泵。差分泵送技術(shù)允許離子源在較高壓力下工作，同時(shí)保持分析器區(qū)的高真空。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)現(xiàn)代質(zhì)譜數(shù)據(jù)系統(tǒng)由前置放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。離子信號(hào)首先被檢測(cè)器轉(zhuǎn)換為電流，經(jīng)前置放大器放大，然后通過(guò)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化。采集軟件記錄每個(gè)質(zhì)荷比的離子強(qiáng)度，生成質(zhì)譜圖。數(shù)據(jù)系統(tǒng)通常具備多種采集模式：全掃描模式記錄整個(gè)質(zhì)量范圍，選擇離子監(jiān)測(cè)（SIM）和多反應(yīng)監(jiān)測(cè)（MRM）則選擇性地記錄特定離子以提高靈敏度?，F(xiàn)代質(zhì)譜儀可實(shí)現(xiàn)極高的數(shù)據(jù)采集速率，每秒可采集數(shù)千個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量巨大，需要強(qiáng)大的軟件處理。樣品引入方式LC-MSGC-MS直接進(jìn)樣MALDI靶板其他聯(lián)用技術(shù)樣品引入是質(zhì)譜分析的首要步驟，根據(jù)樣品性質(zhì)和分析需求，可采用不同方式。直接進(jìn)樣是最簡(jiǎn)單的引入方式，適用于純樣品分析，可通過(guò)探針、自動(dòng)進(jìn)樣器或連續(xù)流注系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于復(fù)雜混合物，通常需要與分離技術(shù)聯(lián)用。色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)是目前最常用的樣品引入方式。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)適用于揮發(fā)性有機(jī)物分析，接口簡(jiǎn)單，通常與EI離子源配合。液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS)則適用于非揮發(fā)性、極性化合物分析，通常與ESI、APCI等大氣壓離子源配合。其他聯(lián)用技術(shù)還包括毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜聯(lián)用(CE-MS)、超臨界流體色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(SFC-MS)等。這些聯(lián)用技術(shù)結(jié)合了色譜的分離能力和質(zhì)譜的鑒定能力，大大拓展了質(zhì)譜分析的應(yīng)用范圍。離子化能與碎片規(guī)律分子結(jié)構(gòu)鑒定通過(guò)碎片模式推斷分子結(jié)構(gòu)特征碎片化路徑不同官能團(tuán)的典型斷裂模式化學(xué)鍵斷裂規(guī)律基于鍵能和穩(wěn)定性的斷裂離子化能(IE)分子失去電子所需的最小能量離子化能(IE)是使中性分子失去一個(gè)電子形成分子離子所需的最小能量。不同化合物的IE通常在7-15eV之間，而標(biāo)準(zhǔn)電子轟擊(EI)源提供的能量為70eV，遠(yuǎn)高于大多數(shù)有機(jī)分子的IE。這種過(guò)量能量使分子離子獲得足夠的內(nèi)能，導(dǎo)致特征性的碎片化。有機(jī)分子在EI條件下的碎片化遵循一定規(guī)律，主要包括：α-斷裂(鍵斷裂發(fā)生在雜原子相鄰的碳原子上)、消除小分子(如H2O、CO、CO2)、重排反應(yīng)(如McLafferty重排)等。了解這些碎片化規(guī)律有助于從質(zhì)譜圖推斷分子結(jié)構(gòu)。例如，醇類(lèi)特征性地丟失水分子；酮類(lèi)在羰基α位斷裂；芳香族化合物分子離子峰通常很強(qiáng)；烷烴則容易在C-C鍵處斷裂。不同化合物類(lèi)別具有特征性的碎片模式，是結(jié)構(gòu)解析的重要依據(jù)。質(zhì)譜譜圖的識(shí)讀譜圖坐標(biāo)系質(zhì)譜譜圖通常以質(zhì)荷比(m/z)為橫坐標(biāo)，相對(duì)豐度為縱坐標(biāo)。m/z表示離子質(zhì)量與電荷數(shù)的比值，單位為Da/e或u/e。相對(duì)豐度通常以譜圖中最強(qiáng)峰(基峰)的強(qiáng)度為100%，其他峰按比例表示。譜圖可用線圖或棒圖表示，后者在解析復(fù)雜譜圖時(shí)更為清晰。主要峰識(shí)別質(zhì)譜譜圖中最重要的是分子離子峰(M+)，它代表整個(gè)分子失去一個(gè)電子形成的離子，提供分子量信息。在EI譜圖中，分子離子峰通常不是最強(qiáng)峰，有時(shí)甚至觀察不到?；迨菑?qiáng)度最高的峰，代表最穩(wěn)定的碎片離子。此外還需注意同位素峰、丟失常見(jiàn)基團(tuán)的峰(M-15，M-18等)和特征碎片峰。同位素模式同位素峰模式是識(shí)別特定元素的重要依據(jù)。含氯化合物有特征性的M+2峰，強(qiáng)度約為M峰的1/3(一個(gè)氯原子)；含溴化合物的M+2峰幾乎與M峰等高；含多個(gè)氮原子的化合物可能有奇數(shù)質(zhì)量的分子離子峰；高分辨質(zhì)譜則可通過(guò)精確質(zhì)量直接確定分子式。掌握這些規(guī)律有助于快速判斷化合物的元素組成。有機(jī)小分子分析藥物分析質(zhì)譜在藥物開(kāi)發(fā)全過(guò)程中發(fā)揮重要作用，從先導(dǎo)化合物篩選到藥代動(dòng)力學(xué)研究。LC-MS/MS方法可在生物樣品中實(shí)現(xiàn)藥物及其代謝產(chǎn)物的靈敏檢測(cè)，定量下限可達(dá)pg/mL級(jí)別。高分辨質(zhì)譜則可鑒定未知代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，為藥物安全性評(píng)價(jià)提供支持。毒品檢測(cè)質(zhì)譜分析是毒品檢測(cè)的金標(biāo)準(zhǔn)方法。GC-MS適用于大麻、可卡因等傳統(tǒng)毒品分析；LC-MS/MS則更適合芬太尼類(lèi)、合成大麻素等新精神活性物質(zhì)(NPS)檢測(cè)。毒品篩查通常采用靶向MRM方法，能在復(fù)雜基質(zhì)中特異性地檢測(cè)極微量目標(biāo)物，同時(shí)高分辨質(zhì)譜非靶向篩查能發(fā)現(xiàn)未知新型毒品。環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)譜技術(shù)廣泛應(yīng)用于環(huán)境樣品中持久性有機(jī)污染物(POPs)、藥物殘留、農(nóng)藥等分析。美國(guó)EPA和中國(guó)環(huán)保部門(mén)制定了多種基于GC-MS和LC-MS的標(biāo)準(zhǔn)方法。近年來(lái)，高分辨質(zhì)譜非靶向篩查為發(fā)現(xiàn)"新興污染物"提供了有力工具，能檢測(cè)數(shù)千種潛在污染物并評(píng)估其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。生物大分子分析質(zhì)譜技術(shù)已成為生物大分子研究的核心工具，尤其在蛋白質(zhì)組學(xué)領(lǐng)域。蛋白質(zhì)鑒定的經(jīng)典流程包括：蛋白質(zhì)酶解成肽段，LC-MS/MS分離和測(cè)序這些肽段，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)搜索鑒定原始蛋白。MALDI-TOF質(zhì)譜則可直接測(cè)量完整蛋白質(zhì)分子量，適用于微生物快速鑒定。最新的自下而上蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)能在單次實(shí)驗(yàn)中鑒定數(shù)千種蛋白質(zhì)，實(shí)現(xiàn)全細(xì)胞蛋白質(zhì)組定量分析。代謝組學(xué)是質(zhì)譜的另一重要應(yīng)用領(lǐng)域，研究生物體內(nèi)小分子代謝物的整體變化。通過(guò)LC-MS或GC-MS采集代謝譜，結(jié)合多變量統(tǒng)計(jì)分析，可發(fā)現(xiàn)疾病生物標(biāo)志物、藥物作用機(jī)制等。多肽和核酸分析也頻繁使用質(zhì)譜技術(shù)：肽質(zhì)譜能精確測(cè)定修飾位點(diǎn)；核酸質(zhì)譜能精確驗(yàn)證寡核苷酸序列和修飾。質(zhì)譜的高通量特性使其成為系統(tǒng)生物學(xué)研究的理想工具。無(wú)機(jī)元素與同位素分析電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)ICP-MS是無(wú)機(jī)元素分析的最強(qiáng)大工具，結(jié)合高溫電感耦合等離子體(約8000K)和質(zhì)譜技術(shù)。樣品在等離子體中完全電離成單原子離子后進(jìn)入質(zhì)譜分析。ICP-MS能同時(shí)檢測(cè)幾乎所有元素，檢出限可低至ppt級(jí)(10-12)，線性范圍跨越8-9個(gè)數(shù)量級(jí)，是環(huán)境、地質(zhì)、材料等領(lǐng)域重金屬超痕量分析的首選方法。同位素比值分析質(zhì)譜是測(cè)量同位素比值最精確的方法。多接收器ICP-MS(MC-ICP-MS)能同時(shí)檢測(cè)同一元素的多個(gè)同位素，精度可達(dá)0.001%。同位素比值分析廣泛應(yīng)用于地質(zhì)年代測(cè)定(如鉛、鍶同位素)、古氣候研究(氧同位素)、法醫(yī)學(xué)溯源(鍶、鉛同位素)以及核材料監(jiān)控等領(lǐng)域。元素形態(tài)分析形態(tài)分析研究元素的不同化學(xué)形態(tài)，如汞可以有無(wú)機(jī)汞、甲基汞等形態(tài)，毒性差異巨大。通過(guò)將色譜與ICP-MS聯(lián)用(如HPLC-ICP-MS)，可分離并定量不同形態(tài)的目標(biāo)元素。這種方法已成為理解元素在環(huán)境中行為、評(píng)估食品安全和研究生物毒理學(xué)的重要手段。法醫(yī)學(xué)與食品安全應(yīng)用<1pg/mL檢測(cè)限LC-MS/MS在人體樣品中痕量藥物檢測(cè)能力<2min分析時(shí)間快速法醫(yī)毒物篩查所需時(shí)間5000+篩查物質(zhì)現(xiàn)代高分辨質(zhì)譜法醫(yī)數(shù)據(jù)庫(kù)包含的化合物數(shù)0.1%誤報(bào)率MS/MS確證分析的典型假陽(yáng)性率質(zhì)譜在法醫(yī)毒理學(xué)中應(yīng)用廣泛，是藥物、毒物檢測(cè)的金標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)代法醫(yī)實(shí)驗(yàn)室通常使用LC-MS/MS進(jìn)行靶向分析，可在血液、尿液中同時(shí)篩查數(shù)百種藥物和毒物。高分辨質(zhì)譜則用于未知毒物鑒定，尤其對(duì)新型設(shè)計(jì)藥物的檢出至關(guān)重要。前處理方法如QuEChERS技術(shù)簡(jiǎn)化了樣品處理流程，提高了實(shí)驗(yàn)室效率。食品安全監(jiān)測(cè)同樣依賴(lài)質(zhì)譜技術(shù)。GC-MS和LC-MS方法可檢測(cè)食品中的農(nóng)藥殘留、獸藥殘留、霉菌毒素和食品添加劑等。與傳統(tǒng)免疫分析法相比，質(zhì)譜分析特異性高、假陽(yáng)性率低、一次可檢測(cè)多種目標(biāo)物。新型環(huán)境質(zhì)譜技術(shù)如DART-MS允許食品表面的快速無(wú)損檢測(cè)，為市場(chǎng)監(jiān)管提供了高效工具。隨著便攜式質(zhì)譜技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)也成為可能。臨床診斷應(yīng)用MS使用占比(%)傳統(tǒng)方法占比(%)質(zhì)譜技術(shù)正迅速改變臨床實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)領(lǐng)域。LC-MS/MS已成為甾體激素、維生素D、免疫抑制劑和抗精神病藥物治療藥物監(jiān)測(cè)(TDM)的主流方法。與傳統(tǒng)免疫分析相比，質(zhì)譜法特異性更高，可區(qū)分結(jié)構(gòu)相似的代謝物，避免交叉反應(yīng)。新生兒篩查是質(zhì)譜最成功的臨床應(yīng)用，通過(guò)串聯(lián)質(zhì)譜法(MS/MS)可在一次分析中檢測(cè)30多種先天性代謝病。MALDI-TOF已成為細(xì)菌快速鑒定的革命性工具，在數(shù)分鐘內(nèi)完成傳統(tǒng)方法需要數(shù)天的工作。蛋白質(zhì)組學(xué)也為新型生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)提供了平臺(tái)，如腫瘤特異性蛋白和修飾肽。新興的質(zhì)譜成像技術(shù)允許直接在組織切片上觀察分子分布，為精準(zhǔn)醫(yī)療提供空間代謝信息。雖然儀器成本和操作復(fù)雜性仍是挑戰(zhàn)，但質(zhì)譜在臨床應(yīng)用的趨勢(shì)已不可逆轉(zhuǎn)。環(huán)境分析與溯源揮發(fā)性有機(jī)物監(jiān)測(cè)GC-MS是環(huán)境中揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)分析的標(biāo)準(zhǔn)方法。VOCs包括苯系物、鹵代烴等，對(duì)空氣質(zhì)量和人體健康有重要影響。環(huán)境空氣樣品通常通過(guò)吸附管、罐采樣或固相微萃取(SPME)收集，借助熱解吸或溶劑萃取導(dǎo)入GC-MS系統(tǒng)。美國(guó)EPA的TO-15等標(biāo)準(zhǔn)方法能同時(shí)檢測(cè)數(shù)十種揮發(fā)性有機(jī)污染物，檢出限低至ppt級(jí)別。新興污染物檢測(cè)LC-MS技術(shù)適用于極性、熱不穩(wěn)定污染物分析，如藥物殘留、個(gè)人護(hù)理品、全氟化合物(PFAS)等新興污染物。這些物質(zhì)在傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中往往被忽略，但可能具有內(nèi)分泌干擾、生物累積等潛在風(fēng)險(xiǎn)。高分辨質(zhì)譜非靶向篩查可發(fā)現(xiàn)環(huán)境中未知污染物，是環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)早期預(yù)警的重要工具。污染源溯源質(zhì)譜同位素和指紋圖譜技術(shù)可用于污染源識(shí)別與溯源。例如，碳、氮同位素比值可區(qū)分不同來(lái)源的硝酸鹽污染；多環(huán)芳烴的特征分布模式可指示污染是源自燃煤、石油還是生物質(zhì)燃燒；專(zhuān)屬性生物標(biāo)志物如糞甾醇可區(qū)分人源與動(dòng)物源污染。這些技術(shù)為環(huán)境管理和污染責(zé)任認(rèn)定提供了科學(xué)依據(jù)。新材料與納米分析納米顆粒表征質(zhì)譜技術(shù)能提供納米材料的詳細(xì)化學(xué)組成和表面信息。單顆粒ICP-MS(spICP-MS)可測(cè)量納米顆粒的粒徑分布和數(shù)濃度，檢測(cè)限可達(dá)10nm。飛秒激光燒蝕ICP-MS(fs-LA-ICP-MS)則能實(shí)現(xiàn)納米尺度的元素分布成像，分辨率達(dá)200nm，為納米復(fù)合材料的表征提供了強(qiáng)大工具。功能材料分析MALDI-TOF和LDI-TOF質(zhì)譜適用于碳納米管、石墨烯等碳材料的表征，可檢測(cè)其官能團(tuán)修飾和雜質(zhì)水平。對(duì)于導(dǎo)電聚合物、有機(jī)光電材料等，質(zhì)譜可提供分子量分布和結(jié)構(gòu)信息，幫助理解性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜(TOF-SIMS)則能實(shí)現(xiàn)材料表面的高靈敏度元素和分子成像。催化劑研究質(zhì)譜在納米催化劑研發(fā)中發(fā)揮重要作用。脈沖場(chǎng)解吸質(zhì)譜和熱解析質(zhì)譜可研究催化劑表面吸附物種，理解催化機(jī)理。同時(shí)在線質(zhì)譜可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)催化反應(yīng)產(chǎn)物，評(píng)估催化效率。質(zhì)譜成像技術(shù)能夠可視化催化劑表面活性位點(diǎn)分布，為設(shè)計(jì)高效催化材料提供指導(dǎo)。質(zhì)譜在材料科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用正隨著新型質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展而不斷深入。大型分子結(jié)構(gòu)解析一級(jí)結(jié)構(gòu)分析酶解和串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)可確定氨基酸序列、翻譯后修飾和化學(xué)交聯(lián)位點(diǎn)，精確鑒定蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)。二級(jí)結(jié)構(gòu)研究氫氘交換質(zhì)譜(HDX-MS)通過(guò)跟蹤蛋白質(zhì)中可交換氫原子的氘代速率，提供蛋白質(zhì)折疊和二級(jí)結(jié)構(gòu)信息。高級(jí)結(jié)構(gòu)分析離子遷移質(zhì)譜學(xué)(IMS-MS)測(cè)量離子在氣相中的碰撞截面，反映蛋白質(zhì)的三維構(gòu)象?；瘜W(xué)交聯(lián)質(zhì)譜則可揭示蛋白質(zhì)內(nèi)部和蛋白質(zhì)間的空間距離約束。復(fù)合物解析原生質(zhì)譜(NativeMS)在接近生理?xiàng)l件下分析完整的蛋白質(zhì)復(fù)合物，保留非共價(jià)相互作用，揭示蛋白質(zhì)復(fù)合物的組成、化學(xué)計(jì)量比和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)。聯(lián)用技術(shù)介紹氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)GC-MS將氣相色譜的高效分離與質(zhì)譜的精確鑒定結(jié)合，適用于揮發(fā)性、熱穩(wěn)定化合物分析。電子轟擊(EI)離子源產(chǎn)生高度碎裂的特征譜圖，有利于化合物鑒定。廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全和法醫(yī)毒理學(xué)領(lǐng)域。液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)LC-MS適用于非揮發(fā)性、熱不穩(wěn)定和高分子量化合物分析。ESI和APCI是常用的接口技術(shù)，將液相流出物轉(zhuǎn)化為氣相離子。LC-MS已成為藥物代謝、蛋白質(zhì)組學(xué)和環(huán)境分析的核心技術(shù)。串聯(lián)質(zhì)譜(LC-MS/MS)可提供更高的特異性和靈敏度。毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜(CE-MS)CE-MS結(jié)合毛細(xì)管電泳的高分離效率和質(zhì)譜的高靈敏度，特別適合帶電分析物和微量樣品分析。接口通常采用鞘液輔助電噴霧技術(shù)。CE-MS在代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和手性化合物分析中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可分離極性相似但結(jié)構(gòu)不同的異構(gòu)體。多維聯(lián)用技術(shù)復(fù)雜樣品分析常需要多維分離，如二維氣相色譜(GC×GC-MS)可將分離峰容量提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。綜合二維液相色譜(LC×LC-MS)結(jié)合不同選擇性的分離機(jī)制，是蛋白質(zhì)組和代謝組分析的強(qiáng)力工具。離子遷移-質(zhì)譜(IMS-MS)則在質(zhì)譜前增加氣相分離維度。數(shù)據(jù)處理與定量分析內(nèi)標(biāo)法內(nèi)標(biāo)法是質(zhì)譜定量分析最可靠的方法，通過(guò)向樣品中加入已知量的內(nèi)標(biāo)物，利用內(nèi)標(biāo)物與分析物的響應(yīng)比進(jìn)行定量。理想的內(nèi)標(biāo)應(yīng)與分析物理化性質(zhì)相似但容易區(qū)分，通常選用同位素標(biāo)記物(如13C、2H標(biāo)記)。內(nèi)標(biāo)法可補(bǔ)償樣品前處理?yè)p失和基質(zhì)效應(yīng)的影響，提高定量準(zhǔn)確度。外標(biāo)法外標(biāo)法通過(guò)測(cè)量一系列已知濃度標(biāo)準(zhǔn)品的響應(yīng)值建立校準(zhǔn)曲線。樣品中分析物濃度通過(guò)將其響應(yīng)值代入校準(zhǔn)曲線計(jì)算得出。外標(biāo)法操作簡(jiǎn)單，但不能補(bǔ)償樣品基質(zhì)差異和前處理?yè)p失，因此要求樣品基質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)品一致。為提高準(zhǔn)確度，常采用基質(zhì)匹配標(biāo)準(zhǔn)曲線或標(biāo)準(zhǔn)加入法。質(zhì)譜定量策略質(zhì)譜定量分析通常選擇特征m/z進(jìn)行監(jiān)測(cè)。GC-MS多采用選擇離子監(jiān)測(cè)(SIM)；LC-MS/MS則優(yōu)選多反應(yīng)監(jiān)測(cè)(MRM)，通過(guò)特定的前驅(qū)離子→產(chǎn)物離子躍遷提高特異性。蛋白質(zhì)定量常用穩(wěn)定同位素標(biāo)記方法如SILAC、iTRAQ等，或無(wú)標(biāo)記方法(LFQ)。定量分析必須考慮線性范圍、基質(zhì)效應(yīng)、精密度和準(zhǔn)確度等關(guān)鍵參數(shù)。質(zhì)譜譜圖庫(kù)與數(shù)據(jù)庫(kù)NIST/EPA/NIH質(zhì)譜庫(kù)最權(quán)威的EI質(zhì)譜譜圖庫(kù)，包含超過(guò)30萬(wàn)個(gè)化合物的標(biāo)準(zhǔn)譜圖，覆蓋有機(jī)化合物、藥物、代謝物等。每個(gè)譜圖經(jīng)過(guò)專(zhuān)家審核，提供參考保留指數(shù)和結(jié)構(gòu)信息，是GC-MS數(shù)據(jù)解析的金標(biāo)準(zhǔn)資源。NIST庫(kù)搜索軟件具備譜圖比對(duì)和結(jié)構(gòu)相似性搜索功能。生物學(xué)質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)蛋白質(zhì)組學(xué)依賴(lài)UniProt等序列數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行蛋白質(zhì)鑒定；代謝組學(xué)則使用HMDB、METLIN等代謝物數(shù)據(jù)庫(kù)。這些數(shù)據(jù)庫(kù)包含生物分子的質(zhì)譜數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)信息和生物學(xué)功能。生物信息學(xué)工具如MaxQuant、Skyline等可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理，大幅提高分析效率。公共數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)開(kāi)放獲取的質(zhì)譜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)如ProteomeXchange、MetaboLights促進(jìn)數(shù)據(jù)共享和重分析。研究人員可上傳原始數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)科學(xué)研究的可重復(fù)性。mzML等標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)格式保證不同平臺(tái)數(shù)據(jù)的互操作性。這些資源為質(zhì)譜學(xué)教育和方法開(kāi)發(fā)提供了寶貴素材。儀器維護(hù)與故障排查部件常見(jiàn)問(wèn)題維護(hù)頻率注意事項(xiàng)離子源污染導(dǎo)致靈敏度下降每周或需要時(shí)戴手套清潔，避免指紋真空系統(tǒng)漏氣，泵效率下降每6-12個(gè)月定期更換泵油，檢查密封四極桿/分析器帶電粒子污染每年或需要時(shí)需專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員操作檢測(cè)器靈敏度損失根據(jù)使用情況檢查高壓，避免過(guò)飽和色譜系統(tǒng)峰展寬，壓力異常每次使用后沖洗系統(tǒng)，更換過(guò)濾器質(zhì)譜儀維護(hù)對(duì)于確保分析結(jié)果可靠性至關(guān)重要。日常維護(hù)包括：檢查真空讀數(shù)，確保穩(wěn)定；清潔離子源組件，尤其ESI噴針和錐孔易堵塞；監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)物質(zhì)響應(yīng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)靈敏度下降；沖洗進(jìn)樣系統(tǒng)，防止交叉污染。每周應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)性能驗(yàn)證，至少每年進(jìn)行一次全面預(yù)防性維護(hù)。常見(jiàn)故障排查思路包括：儀器完全不工作時(shí)，檢查電源、通信和軟件；靈敏度下降時(shí)，先檢查樣品制備、進(jìn)樣系統(tǒng)然后是離子源；質(zhì)量準(zhǔn)確度偏移時(shí)，檢查校準(zhǔn)狀態(tài)；分辨率降低時(shí)，檢查掃描參數(shù)和真空狀態(tài)。操作日志和性能跟蹤圖是排查間歇性問(wèn)題的重要工具。建立標(biāo)準(zhǔn)樣品常規(guī)監(jiān)測(cè)制度有助于及早發(fā)現(xiàn)性能異常。操作規(guī)范與安全注意個(gè)人防護(hù)操作質(zhì)譜儀時(shí)應(yīng)佩戴實(shí)驗(yàn)手套、實(shí)驗(yàn)服和安全眼鏡。處理有機(jī)溶劑、標(biāo)準(zhǔn)品和生物樣品時(shí)，應(yīng)在通風(fēng)櫥內(nèi)操作。離子源區(qū)域可能存在高溫表面和高電壓，調(diào)整時(shí)需格外小心，必須在關(guān)閉高壓的情況下進(jìn)行。樣品處理安全質(zhì)譜分析常使用甲醇、乙腈等有機(jī)溶劑，應(yīng)注意其揮發(fā)性和易燃性。標(biāo)準(zhǔn)品尤其是毒品、農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品應(yīng)按危險(xiǎn)品管理。生物樣品可能含有病原體，必須按生物安全規(guī)定處理。所有廢液應(yīng)分類(lèi)收集，不得直接倒入下水道。儀器操作規(guī)范新用戶(hù)必須經(jīng)過(guò)正規(guī)培訓(xùn)才能獨(dú)立操作。嚴(yán)格遵循開(kāi)關(guān)機(jī)程序，尤其是真空系統(tǒng)的操作。定期校準(zhǔn)儀器，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。使用完畢后沖洗進(jìn)樣系統(tǒng)，防止污染。建立儀器使用日志，記錄使用情況、性能參數(shù)和異?，F(xiàn)象，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。特殊安全注意某些質(zhì)譜使用放射源如63Ni電子捕獲檢測(cè)器，需遵循放射性物質(zhì)管理規(guī)定。高壓真空系統(tǒng)可能存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)，必須定期檢查安全閥。激光解吸離子源需注意激光安全，避免眼睛直接暴露于激光束。氣體鋼瓶應(yīng)固定安裝，遠(yuǎn)離熱源。典型問(wèn)題實(shí)例解析基線噪聲異常增高問(wèn)題描述：LC-MS系統(tǒng)基線噪聲突然增高，信噪比明顯下降系統(tǒng)檢查檢查色譜柱狀態(tài)、流動(dòng)相純度和離子源污染情況故障排除發(fā)現(xiàn)流動(dòng)相中有微生物生長(zhǎng)，導(dǎo)致高背景信號(hào)問(wèn)題根源分析：新配制的流動(dòng)相未添加足量抑菌劑，且室溫較高，促進(jìn)了微生物生長(zhǎng)。微生物代謝產(chǎn)物產(chǎn)生了大量背景離子，干擾了目標(biāo)物檢測(cè)。此外，微生物碎片還可能堵塞色譜柱和離子源組件，造成系統(tǒng)性能下降。解決方案：立即更換所有流動(dòng)相，使用HPLC級(jí)試劑并添加適量抑菌劑；清洗整個(gè)液路系統(tǒng)，包括泵頭、管路和進(jìn)樣閥；拆卸并清潔離子源組件；更換色譜柱前保護(hù)柱；建立流動(dòng)相制備和存儲(chǔ)規(guī)范，包括定期過(guò)濾、避光保存和定期更換。措施實(shí)施后，系統(tǒng)基線恢復(fù)正常，信噪比提高約10倍。這個(gè)案例說(shuō)明看似簡(jiǎn)單的流動(dòng)相問(wèn)題可能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，凸顯了質(zhì)譜分析中"從源頭控制"的重要性。最新技術(shù)進(jìn)展質(zhì)譜成像技術(shù)質(zhì)譜成像(MSI)技術(shù)能夠直接在組織切片上分析分子分布，提供高空間分辨率的化學(xué)信息。MALDI-MSI可達(dá)5μm分辨率，適合大范圍組織成像；DESI-MSI則能在常壓下無(wú)損分析，便于臨床應(yīng)用。最新的納米SIMS可實(shí)現(xiàn)亞細(xì)胞級(jí)分辨率(<100nm)，單細(xì)胞質(zhì)譜則將分析推向單細(xì)胞水平，為精準(zhǔn)醫(yī)療和單細(xì)胞生物學(xué)提供新工具。環(huán)境質(zhì)譜技術(shù)環(huán)境質(zhì)譜技術(shù)如DART、DESI允許在常壓下直接分析樣品表面，無(wú)需樣品前處理。這極大簡(jiǎn)化了分析流程，使現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)成為可能。最新發(fā)展包括：紙噴霧電離(PSI)技術(shù)可使用濾紙直接采樣分析；大氣壓光電離(APPI)增強(qiáng)了非極性化合物檢測(cè)能力；低溫等離子體探針(LTP)則可用于熱敏感樣品的非破壞性分析。儀器性能提升新一代質(zhì)譜儀性能取得突破性進(jìn)展。最新的高場(chǎng)Orbitrap可達(dá)120萬(wàn)分辨率；超高速TOF采集速率達(dá)1000Hz，適合快速色譜分離；離子遷移與質(zhì)譜結(jié)合增加了氣相分離維度，提