质谱仪是一种终极的检测手段，下游应用广泛。

质谱仪是一种终极的检测仪器：质谱仪是用来测定物体质量的仪器，主要用来分离和检测不同同 位素。原理是将分析样品电离为带电离子，根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质原 子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测。在《产业关键共性技术发展指南中》，质谱分 析检测技术被明确列为具有应用基础性、关联性、系统性、开放性等特点的产业关键共性技术。 质谱仪具备高分辨率，高通量，高灵敏性与高准确度的特性，在复杂背景下检测低浓度的化合物 能力优于其他仪器，拥有优秀的定性与定量的能力，被称为是“终极的检测手段”。

离子源和质量分析器是质谱仪中最重要的部件：质谱仪通常包含进样口、离子源、质量分析器、 检测器、数据监测系统等五大部分，其中最重要的是离子源与质量分析器两部分。从不同部件功 能来看：1、进样口：被检测样品通过直接进样或者间接进样通过进样口导入质谱仪；2、离子源 是使试样分子在高真空条件下离子化的装置。电离后的分子因接受了过多的能量会进一步碎裂成 较小质量的多种碎片离子和中性粒子。它们在加速电场作用下获取具有相同能量的平均动能而进 入质量分析器。3、质量分析器是将同时进入其中的不同质量的离子，按质荷比 m/e 大小分离的 装置。4、离子检测器与数据监测系统：离子在分离后依次进入检测器中，检测器负责采集放大 离子信号，经计算机内的数据监测系统处理，绘制成质谱图。

离子源：离子源的种类影响质谱仪检测物质类型的丰富度，在有机物化合物分析方向由最早 1918 年发明的电子电离（EI），发展到适用于大分子样品的基质辅助激光电离解析（MALDI）及在常 压下可以直接将液态样品离子化的大气压电离（API），而在无机物方向，电感耦合等离子体应 用逐步广泛。在一百余年的发展时间中针对不同的应用领域开发出了适用的离子化方法。目前能 否研发出各类离子源来适配不同的应用场景是企业的核心竞争力体现之一。

电子电离（EI）：通过加热灯丝放出电子，电子通过电场加速获得高能量，被分析物获得电 子能量而离子化。被分析物吸收能量后应为化学结构不同，裂解为独立的碎片离子，常用于 有机分子的鉴定。缺点是电子携带的能量太大，离子化过于剧烈，常常得到大量的碎片离子， 无法获得被分析物的分子量信息。且只能离子化气体分子，主要用在挥发性较高，热稳定性 高，沸点低的有机物。

化学电离（CI）：利用加热灯丝产生高能电子进行离子化，不同之处在于化学电离将试剂气 体通入离子源中，先以电子电离的方式产生试剂离子，再与被分析物发生离子反应，比EI减 少了被分析物碎裂的机会。能够得到完整的分子信息。适用于分析沸点低的被分析物，可以 观测带分子离子峰，这个技术被认为是电子电离法互补的技术。

快速原子轰击（FAB）：由电子电离源改造而来，将氙气导入后通过类似于电子电离源的设 计，将灯丝加热后产生的热电子经电压加速到正极电离形成氙气原子，之后再撞击被分析物 是被分析物离子化。可用于无机物与有机物的分析，最大的缺点在于基质易电离产生干扰信 号。

激光电离解析（LDI）：EI 与 CI 都需要将被分析物汽化，不适用于低挥发性，热不稳定及凝 聚态的被分析物。由此出现解析电离技术（DI），并在此基础上发展出激光解析电离技术 （LDI），利用激光将被分析物从样本表面解吸附，同时形成气相离子。与分析元素，无机 盐，染料或者具有高吸光特性的分子。但是挥发性极低的生物大分子仅靠激光产生的热量不 足以使分子挥发，如果使用高激光能量照射，会使被分析物分子裂解成碎片，无法获得完整 的离子信息。

基质辅助激光电离解析（MALDI）：由激光电离解析改进而来，使用基质（大部分为有机 酸）作为化学反应的媒介与被分析物混合共结晶产生的固态样品，使得离子化过程比激光电 离解析更温和，可以产生质子化或者去质子化的完整被分析物。该方法适用于非挥发性的固 态或业态被分析物的分析，尤其是对离子态或极性被分析物的电离效果最好，广泛地应用在 生物大分子的质谱分析。缺点在于基质的选择与比例会影响分析效果，并且由于激光剥蚀被 分析物结晶表面，重现性较差。

大气压化学电离（APCI）/大气压光致电离（APPI）：大气压化学电离是将化学电离方法扩 展至大气压下进行，借助电晕放电产生试剂离子，解决传统化学电离加热灯丝在大气压下会 产生强烈氧化反应燃烧灯丝的问题。大气压光致电离是利用光能激发气态被分析物分子，使 其离子化为自由基离子或进一步将被分析物质子化生成离子。

电喷雾电离（ESI）：通过金属制的毛细管喷针喷出含有被分析物的水溶液样品，并在高压 电源的作用下由电场牵引喷雾形成有电荷的微液滴，通过去溶剂化的过程形成气态离子进入 质量分析器内。该方法不仅适用于蛋白质大分子的分析，同时也适用于分析极性小分子。

电感耦合等离子质谱（ICP-MS）：主要用于元素分析，利用 ICP 优异的离子化能力，搭配 高灵敏度的质谱仪，除了对大多数元素有极低的检测点之外，同时具备多元素检测特性和同 位素分析能力，被广泛地用于环境，食品科学及法医鉴定等领域。

与质谱连用的色谱（LC/GC）：色谱与质谱联用可以大幅度降低样品基质带来的影响，提高 质谱定性，定量的能力。一般使用气相色谱（GC）与质谱仪联用时，最常选用 EI 或 CI 的离 子化方法，主要由于 GC 流出的分子为气态且这两种离子化方法也需要将样品先汽化才能进 行电离。液相色谱（LC）是对于分离含有高极性或高沸点的被分析物样品最常用的分离技 术。ESI 由于可在大气压下将溶解的被分析物直接转化为气象分子离子，目前成为 LC 与质 谱在线联用中主要的离子化方法。

串联质谱分析仪：通常指两个以上的质谱分析器借由空间或者时间上联结在一起所组成的分析方 式，常由英文缩写 MS/MS 表示。在常见的串联质谱技术中，第一个质量分析器的功能通常为选 择与分离前体离子，而分离出的前体离子以自发性或通过某些激发方式进行碎裂产生离子群，在 串联的第二个质量分析器中被扫描检测后可以获得串联质谱图。目前串联质谱有两大应用，其一 是对于蛋白质组学中以自下而上的方式对酶水解后的多肽进行氨基酸的序列分析，另一主要应用 在对特定化合物进行定量分析。

空间串联质谱：借由两个实体上不同的质量分析器串接组成，以达到串联质谱分析的目的。 目前三重四级杆是使用最广泛的空间串联质谱仪，其中第一与第三重四级杆质量分析器具有 质量分析功能，以组合射频与直流电位的方式达到质量选择的目的，第二段四级杆为碰撞室， 仅以射频电位方式操作。由于三重四级杆的碰撞室中气体压力远高于磁场分析器的碰撞室的 气体压力，因此在三重四级杆中离子束与中性气体分子具有较高的碰撞次数，用于定量分析 有较高的灵敏度。另一种常用的是飞行时间串联质谱仪，具有高能量碰撞解离的优点。

时间串联质谱：通过在具有离子储存功能的质量分析器上进行，在不同时间点可以分别进行 前体离子选择后储存，离子活化，产物离子分离，扫描后排出等模式。前体离子在进入质量 分析器后可先被选择并储存在分析器中，之后由离子活化解离后的产物离子可直接进行质量 扫描，并且可以反复进行离子选择、储存与解离的步骤，可以在此类具有离子储存功能的串 联质谱仪上得到不同阶段的结果。目前该仪器以傅里叶变换离子回旋共振分析器与离子阱为 主。

杂合质谱仪：在串联质谱仪中，如果不同种类的质量分析器串联则称为杂合质谱仪。主要目 的是结合各式不同质量分析器的特点，经组合后可获得更好的串联质谱分析结果。 四级杆飞行时间质谱仪（Q-TOF）是主流形式，第一段四级杆借由组合射频与直流电位变化 达到前体离子的筛选，第二段四级杆以固定射频点位方式操作，可引导离子并作为碰撞裂解 室用。前体离子在第二段四极杆中经由离子活化裂解后产生的产物离子，进入飞行时间质量 分析器中完成 MS/MS 的串联质谱分析。因为结合了四级杆分析器中具有较高的碰撞裂解效 率的特点及飞行时间飞行器具有高质荷比分辨率，非扫描式及高灵敏等优势，被广泛应用于 蛋白质组定性分析。

分辨率：是指质谱仪区分两个质量相近的离子的能力。分辨率越高同一物质采集的分子量的 峰的精细程度越大，准确率越高。但是分辨率设置越高，扫描需要的时间越长，一般在操作 中要同时兼顾分辨率和扫描速度。一般小于 1000 的分辨率叫为低分辨率，高于 10000 的分 辨率叫为高分辨率，

质量范围：质量范围是质谱仪所能测定离子质荷比的离子质量范围。不同用途质谱仪器的质 量范围相差很大，稳定同位素气体质谱仪的质量范围通常在 1～200 之间；固体质谱仪的质 量范围大都在 3～380 之间；有机质谱仪的质量范围从几千到几万不等，甚至更高。质量单 位为 1AUM 或 1Da，被定义为碳 12 原子质量的十二分之一。生物大分子的分子数量大于千 Da，用 KDa 为单位。

准确度：指离子测量的准确性。一般用真实值和测量值之间的误差来评价，单位 ppm （百 万分之一）。如果质谱检测极限在 1ppm，就表示能检测含量在百万分之一的物质，主要取 决于质量分析器的性能和分辨率的设置，对于高分辨率质谱通常要求仪器的质量测量准确度 小于１mmu（或 10 ppm），才能满足定性分析的需要。

灵敏度：是指检测器对一定样品量的信号响应值，即最少样品量的检出程度。灵敏度取决于 离子源的电离效率和离子在离子源、分析器的传输效率和接收器的接收效率。

质谱仪由于优秀的性能被广泛应用于生命科学和环境监测等产业：根据 SDI《2015-2020 全球分 析仪器市场》统计，2020 年全球质谱仪市场中，生命科学、食品/农业、环境监测和工业分别占 需求的 42%、26%、24%和 8%。质谱仪拥有高通量、高效率、低成本、高度专一性与灵敏性的 优点，在生物医药与临床检验方面有着明显优势，是未来主要的应用方向。2015 年-2020 年生命 科学和食品农业方面的 CAGR 均达到 8%。

医学：其一在临床医学方面，质谱检验具有高灵敏度，高通量，高速分析的优势，在新生儿 遗传病筛查中，出生三天后采集脚后跟血液置于滤纸上，可以查出二十种以上的新生儿罕见 先天代谢异常疾病。在微生物检测和激素检查等项目上可以直接利用MALDI-MS分析或者用 色谱法进行分离后再用串联质谱分析，能够实现对传统方式的替代升级。其中 ICP-MS 主要 应用在人体微量元素的检查，MALDI-TOF 主要用于微生物的检测。 其二在生物医药方面，液相色谱与质谱联用技术推进了下游应用，可以帮助进行药物的杂质 分析和中药的开发，在小分子检验中应用广泛，项目包含类固醇和生物胺等物质。原因在于 与气相色谱-质谱相比有简单的流程和较高的通量，并且试剂价格比免疫试剂低很多，以及 对于新目标检测设计分析流程简单很多。

蛋白组学：蛋白质组泛指一个生命体内所有的蛋白质，而蛋白质组学是指针对一个蛋白质组 做定性，定量及功能的分析。定性包括鉴定蛋白质序列，翻译后修饰及蛋白质-蛋白质相互 作用等，定量分析着重比较蛋白质组在不同状态下的表达量差异。最早方法分为自上而下和 自下而上，自下而上是以水解酶将蛋白质降解为多端多台，将这些多肽离子化并以串联质谱 分析，再组合所得多肽序列得到蛋白质身份信息。自上而下是直接离子化蛋白质并以串联质 谱直接裂解蛋白质分析得到序列信息。现在一般使用检索数据库测序。

食品农业：随着人们对于食品安全关注度不断提高，食品检测力度也在顺势升级，对于食品 以及农药残留的检测方式、速度和数量都在不断提升。质谱仪在营养成分分析，毒素检测， 掺假鉴别、转基因检测和农药残留检验等场景都发挥着不可替代的作用。目前高分辨质谱法 被广泛运用，主要的使用仪器有三重四级杆与四级杆飞行时间质谱仪。

环境监测：为了响应国家日益严峻的环保要求，质谱仪依托自身检测速度快，精度高，抗干 扰能力强，可同时检测多种物质的特点，已经逐渐渗透到大气以及水质监测领域，对传统的 光谱仪和各类传感器形成了替代作用。 GC-MS、LC-MS 可以分离微量有机污染物，利用色谱保留时间与质谱仪中数个特征离子的 相对强度进行确认对比以达到定性的目的。也可以由校准曲线达到定量的目的，多数采用内 标法。ICP-MS 有高灵敏度与检测极限，具有简单的质谱背景，可在单一操作条件下获得极 佳的分析效能，还可以进行同位素的分析。在新型污染物方面，液相色谱串联质谱有良好的 灵敏度，以三重四级杆最为普遍。而针对 VOCs-挥发性有机化合物，主要检测方式是 GCMS。

工业过程：随着新能源和半导体行业的不断发展，质谱仪在工业制造过程中的价值也不断凸 显。在新能源领域主要的运用是氦质谱检漏仪，可以在锂电池生产过程中的注液前后分别进 行检漏。ICP-MS 则可用于半导体产业链中硅片、光刻胶、芯片、试剂等无机检测，也可用 于对各类无机污染元素进行分析。