以离子的质荷比（m/z）为序排列的图谱称为质谱（mass spectrum），或质谱图。将分析物形成离子后按质荷比分开进行成分和结构分析的方法称为质谱法（mass spectrometry,MS）或称质谱技术，通常也简称质谱。实现质谱技术的仪器即为质谱仪（mass spectrometer），又称质谱仪。

1.1 质谱仪的工作原理

质谱仪离子源中的样品，在极高的真空状态下，在电子、电场、光、热和激发态原子等能量源作用下，将物质气化并电离成正离子束，经电压加速和聚焦导入质量分析器中，利用离子在电场、磁场中运动的性质，由质量分析器分离后按离子质荷比的大小顺序进行收集和记录，得到质谱图。

质谱图纵坐标一般为离子相对强度，即以离子强度最强峰为100，其他的峰则以此为标准，确定其相对强度，又称相对丰度、丰度，或为离子强度（离子流强度）；横坐标为质荷比（m/z），也可以按质荷比（m/z）-相对强度或离子强度列表，得到质谱表。

另外，特别注意质谱是物质带电粒子的质量谱，而不是波谱，与电磁波的波长无关，更不是光谱。质谱仪不属于波谱仪器。

1.2 质谱仪的基本结构

质谱仪主要由真空系统、进样系统、离子源、加速器、质量分析器、检测器及计算机系统等组成，以离子源和质量分析器为核心。

 

                                            质谱仪的基本结构示意图

（一）真空系统

为了降低背景和减少离子间或离子与分子间碰撞所产生的干扰（如散射、离子飞行偏离、质谱图变宽等）及延长灯丝寿命（残余空气中的氧会烧坏离子源的灯丝），在质谱仪中凡是有样品分子和离子存在的区域都必须处于真空状态。质谱仪的真空度一般保持在1.0x10-4~1.0×10-7Pa，特别是质量分析器要求高真空度。

 

（二）进样系统

进样系统将样品（一般为处理后的样品）引入到离子源中并且不可造成真空度的降低。根据是否需要接口装置，进样系统一般分为直接进样和通过接口进样两种方式。

1.直接进样 ①气态、高沸点液态样品：通过可调喷口装置导入离子源；②吸附在固体上或溶解在液体中的挥发性样品：通过顶空分析器富集样品上方的气体，利用吸附柱捕集，再采用程序升温的方式使之解吸附，经毛细管导入质谱仪；③固体样品：常用固体直接进样杆（盘）导人。

2.通过接口进样 将气相色谱（GC）的载气或液相色谱（LC）的溶剂去除使分析物导入质谱。主要包括各种喷雾接口（电喷雾、离子喷雾和热喷雾等）、粒子束接口和粒子诱导解吸附接口等。

 

（三）离子源

使气化样品中的原子、分子或分子碎片电离成离子的装置称为离子源（ion source），也称为电离源。离子源是质谱仪中最重要的组成部件之一，它的性能直接反应质谱仪的性能。常见的离子源电离方式主要有以下几种：

1.电子电离（electronic ionizaton, EI） 能量一般为70eV（电子伏特，LeV =96.48kJ/mol）的电子束，远大于大多数有机化合物的电离能（7~15eV），可以使样品充分离子化，产生广义上的各种碎片离子。电子电离的优点是结构简单、稳定，电离效率高，最常用于挥发性样品小分子；质谱图再现性好，便于与计算机数据库中标准质谱图比较；碎片离子种类多，可提供较多的分子结构信息。缺点是只适用于易气化的有机物样品分析；当样品分子稳定性不高时，分子离子峰的强度低，甚至不存在。

2.化学电离（chemical ionization,CI）在EI基础上加人一种反应气体，通过气体离子-样品分子反应使样品离子化。反应气体有甲烷、异丁烷、氨等。优点是准分子离子峰强度高，便于推算相对分子质量；色谱-质谱联用时，载气不必除去，可作为反应气体；反映异构体的差别较EI谱好。缺点是碎片离子峰少、强度低，结构信息就少；质谱图不标准，不能进行库检索。

3.场电离（field ionization,FI）样品蒸气邻近或接触带高正电位的金属针时，在很强的电位梯度下被电离。场电离的优点是电离快速，适合于气质联用（GC-MS）。缺点是灵敏度低，因而应用逐渐减少

4.场解吸（field desorption ionization,FD）样品被沉积在电极上，在电场作用下（或再辅以温和加热），样品不经气化而直接电离得到准分子离子。适用于难气化的、热不稳定样品，如肽类、低聚糖、天然抗生素、有机金属络合物等。FD的准分子离子峰比F的强，碎片离子也很少。但是碎片少，结构信息就少。

5.快原子轰击（fast atomic bombardment,FAB）样品多调匀于含基质（如甘油、硫代甘油、3-硝基苄醇和三乙醇胺等）的靶（载体）上，靶材为铜，被高能快原子流Ar（或Xe）轰击产生样品离子。快原子轰击的优点是适用于质量大（可达7kDa）、难气化、热稳定性差的样品分析；有较强的准分子离子峰，碎片少；快速；分辦率高。其缺点是灵敏度较低，特别是质量数高时灵敏度下降严重；碎片少，结构信息就少；样品必须能溶于基质，但基质多峰，干扰结果分析；非极性物质难以离子化。

6. 电喷雾电离（electrospray ionization, ESI）溶解在溶剂中的样品通过喷嘴喷出，在大气压下、在喷口高电压作用下被喷嘴外层大流量的喷射气体（如N2）分散形成带电荷的液消，最后变成蒸汽，使样品离子化，致使分析物带单电荷或多电荷。

电喷雾电离的优点：没有施加直接的外界能量，因此分子结构较完整，十分有利于分析生物大分子；小分子通常能得到带单电荷的准分子离子，而大分子则得到多种多电荷离子，通过计算平均值能得到更准确的质量数，达70KDa；灵敏度高达飞摩尔（fmol.,10-15）级。

缺点；样品需先气化；不能分析混合物及未经纯化的样品，比如在含有缓冲液和盐时，能与待测物形成加合物，产生杂峰甚至无测定峰。

7.大气压化学电离（atmospheric- pressure chemical fonization, APCI）在ESI后增加一个放电电极，使溶剂分子也被电离，通过气体离子-样品分子反应使样品化学电离。APCI是ESI的补充，主要产生单电荷离子，特别适合分析中等极性的小分子化合物。很少有碎片离子，主要是准分子离子。ESI 与APCI 统称为大气压电离（API）。

8.基质辅助激光解吸电离（matrix-assisted laser desorption ionization, MALDI）将样品溶液和基质混匀，于燥成为晶体或半晶体，在激光（如337nm紫外氮激光）照射下，基质吸收能量后瞬间由固态转化为气态，将质子转移给样品分子使其离子化。

常用的基质如α-氰基-4-羟基肉桂酸（α-CHC）、3,5-二甲氧基-4-羟基肉桂酸（SA）、龙胆酸（2,5-二羟基苯甲酸，DHB），分别适用于多肽、蛋白质、聚合物的电离。

优点：可使一些难电离的样品电离，特别是生物大分子，质量数可达 300kDa；准分子离子峰很强，碎片离子峰很少；MALDI 产生的离子特别适合用飞行时间质谱（time of flight mass spectrometry, TOF-MS）来检测，以准确高效地分析生物大分子。

缺点：分辨率低；有1kDa 以下的基质峰干扰；激光解吸离子化时有可能使样品光降解；如没有反射飞行装置，不能分析多肽修饰。

9.电喷雾解吸电离（desorpion electrosprey ionization, DESI） 前期同 DESI，但不含样品。样品放置在聚四氟乙烯的固相表面上，ESI 生成的呈喷雾状的带电小液滴被喷射到样品表面，液滴中含有的溶剂（如甲醇、水等）立即对待测物进行萃取、溶解后，液滴从表面反弹形成更加细小的液滴，导致溶剂快速蒸发，而电荷残留在待测物分子中，使其气相离子化。电喷雾与以上各种方式有明显区别：无需进行样品预处理，在常压下在相对开放的空间内能对固体表面的痕量物质进行快速质谱分析，是原位、实时、在线、非破坏、高通量（大量样品的快速筛选）、低耗损、无污染的质谱学方法，开发潜力巨大。

 

（四）加速器

在离子源中产生的各种不同动能的正离子，在加速器的高频电场中加速，增加能量后，因其轨迹半径不同而初步分开。加速器包括回旋加速器、直线加速器等。

 

（五）质量分析器

一般在电磁场的作用下将离子源产生的离子按照质荷比的大小分离聚焦的装置称为质量分析器。很多时候是根据所使用的分析器类型来划分质谱仪，其种类很多，常见的质量分析器主要有以下几种:

1.单聚焦分析器

2.双聚焦分析器

3.四极杆分析器

4.离子阱分析器

5.飞行时间分析器 离子在加速电压V作用下获得电势能（zV）转化力动能。

质荷比最小的离子最先到达检测器，最大的则最后到达，从而产生质谱图。适当增加漂移管的长度可以增加分辨率。飞行时间分析器可用质量范围宽，扫描速度快，既不需要电场也不需要磁场。但是由于进入漂移管之前离子产生的时间先后、空间前后和初始动能大小不同，即使质量相同，到达检测器的时间也不相同，因而分辨率较低。目前，通过采取MALDI 方式、离子延迟引出技术和离子反射技术等与两次飞行时间分析器联用可以解决上述问题，使分析器的分辨率达到20000以上，最高可检质量超过300kDa，并且具有很高的灵敏度。

                              飞行时间质谱仪结构示意图

6.傅里叶变换离子回旋分析器

 

（六）检测器

检测器用来接收和检测分离后的离子，常用的有以下几种：

1.电子倍增器 电子倍增器（管）是最常用的检测器。由质量分析器出来的离子，具有一定的能量，打到电子倍增器的第一个阴极产生电子，电子再依次撞击电子倍增器的倍增极，电子数目呈几何倍数放大，最后在阳极上可以检测到放大后的电流。其特点是快速、灵敏、稳定。

2.光电倍增管 离子发射撞击荧光屏，荧光屏发射光电子由电子放大器检测。电子放大器密封在容器中，光电子可穿透密封玻璃，能避免表面污染。

3. 电荷耦合器件（charge coupled device, CCD） 利用离子在感光板上的感光来观察质量谱线的位置和强度。在光谱学中广泛使用的半导体图像传感器在质谱仪器中的应用日益增多，能检测出用一般电检测法难以检测到的极小量的样品和寿命短的离子。

 

（七）计算机系统

质谱仪中计算机系统的功能是运用工作站软件控制样品测定程序，采集数据与计算结果、分析与判断结果、显示与输出质谱图（表）、数据储存与调用等。