一、概述
質(zhì)譜法（Mass Spectrometry,MS)是利用電場和磁場將運動的離子按其質(zhì)荷比分離后檢測的方法，這里所指的離子包括帶電荷的原子、分子或分子碎片，有分子離子、同位素離子、碎片離子、重排離子、多電荷離子、亞穩(wěn)離子、負(fù)離子和離子一分子相互作用產(chǎn)生的離子。測出離子準(zhǔn)確質(zhì)量即可確定離子的化合物組成，這是由于核素的準(zhǔn)確質(zhì)量是一多位小數(shù)，決不會有兩個核素的質(zhì)量完全一樣，且決不會有一種核素的質(zhì)量恰好是另一核素質(zhì)量的整數(shù)倍。分析這些離子可獲得化合物的分子量、化學(xué)結(jié)構(gòu)、裂解規(guī)律和由單分子分解形成的某些離子間存在的相互關(guān)系等信息。
1898年德國物理學(xué)家維恩（Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien,1864-1928）用電場和磁場使正離子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，發(fā)現(xiàn)電荷相同時質(zhì)量小的離子偏轉(zhuǎn)得多，質(zhì)量大的離子偏轉(zhuǎn)得少。1913年英國物理學(xué)家、電子的發(fā)現(xiàn)者湯姆孫（Jospeh John Thomson,1857一1940）及其助手英國實驗化學(xué)家和物理學(xué)家阿斯頓（Francis William Aston,1877一1945）用磁偏轉(zhuǎn)儀證實氖有兩種同位素20Ne和22Ne。阿斯頓于1919年制成一臺能分辨一百分之一質(zhì)量單位的質(zhì)譜計，用來測定同位素的相對豐度，鑒定了許多同位素。但是，1940年以前質(zhì)譜計還只用于氣體分析和測定化學(xué)元素的穩(wěn)定同位素。后來質(zhì)譜法被用于對石油餾分中的復(fù)雜烴類混合物進(jìn)行分析，并證實了復(fù)雜分子能產(chǎn)生確定的能夠重復(fù)的質(zhì)譜之后，才將質(zhì)譜法用于有機化合物的結(jié)構(gòu)測定。
質(zhì)譜分類為：電子轟擊質(zhì)譜（El一MS)，場解吸附質(zhì)譜（FD一MS)，快原子轟擊質(zhì)譜(FAB一MS)，基質(zhì)輔助激光解吸附飛行時間質(zhì)譜（MALDI一TOFMS)，電子噴霧質(zhì)譜(ESI一MS)等。能測大分子量的是基質(zhì)輔助激光解吸附飛行時間質(zhì)譜和電子噴霧質(zhì)譜，其中基質(zhì)輔助激光解吸附飛行時間質(zhì)譜可以測量的分子量達(dá)1000000使試樣中各組分電離生成不同荷質(zhì)比的離子，經(jīng)加速電場作用形成離子束后進(jìn)入質(zhì)量分析器，利用電場和磁場使發(fā)生相反的速度色散—離子束中速度較慢的離子通過電場后偏轉(zhuǎn)大，速度快的偏轉(zhuǎn)??；在磁場中離子發(fā)生角速度矢量相反的偏轉(zhuǎn)，即速度慢的離子依然偏轉(zhuǎn)大，速度快的偏轉(zhuǎn)小。當(dāng)兩個場的偏轉(zhuǎn)作用彼此補償時，它們的軌道便相交于一點。與此同時，在磁場中還能發(fā)生質(zhì)量的分離，如此使得具有同一質(zhì)荷比而速度不同的離子聚焦在同一點上，不同質(zhì)荷比的離子聚焦在不同的點上，將它們分別聚焦而得到質(zhì)譜圖，從而確定其質(zhì)量。
質(zhì)譜圖的解析大致步驟如下：
(1)確認(rèn)分子離子峰，由其求得相對分子質(zhì)量和分子式；計算不飽和度。
(2）找出主要的離子峰（一般指相對強度較大的離子峰），記錄這些離子峰的質(zhì)荷比（m/z值）和相對強度。
(3）對質(zhì)譜中分子離子峰或其他碎片離子峰丟失的中型碎片分析。
(4)用MS一MS找出母離子和子離子，或用亞穩(wěn)掃描技術(shù)找出亞穩(wěn)離子，把這些離子的質(zhì)荷比讀到小數(shù)點后一位。
(5)配合元素分析、UV、IR、NMR和樣品理化性質(zhì)提出試樣的結(jié)構(gòu)式。最后將所推定的結(jié)構(gòu)式按相應(yīng)化合物裂解的規(guī)律，檢查各碎片離子是否符合。若沒有矛盾，就可確定可能的結(jié)構(gòu)式。
(6)己知化合物可用標(biāo)準(zhǔn)圖譜對照來確定結(jié)構(gòu)是否正確，這步工作可由計算機自動完成。新化合物結(jié)構(gòu)的最終結(jié)論要用合成此化合物并做波譜分析的方法確證。
二、質(zhì)譜儀器
利用運動離子在電場和磁場中偏轉(zhuǎn)原理設(shè)計的儀器稱為質(zhì)譜計或質(zhì)譜儀。前者指用電子學(xué)方法檢測離子，而后者指離子被聚焦在照相底板上進(jìn)行檢測。質(zhì)譜法的儀器種類較多，根據(jù)使用范圍，可分為無機質(zhì)譜儀和有機質(zhì)譜計。常用的有機質(zhì)譜計有單聚焦質(zhì)譜計、雙聚焦質(zhì)譜計和四極矩質(zhì)譜計。目前后兩種用得較多，而且多與氣相色譜儀和電子計算機聯(lián)用。質(zhì)譜儀器由以下系統(tǒng)組成。
(1)高真空系統(tǒng)：質(zhì)譜計必須在高真空下才能工作。
(2)樣品注入系統(tǒng)：可分直接注入、氣相色譜、液相色譜、氣體擴散四種方法。固體樣品通過直接進(jìn)樣桿將樣品注入，加熱使固體樣品轉(zhuǎn)為氣體分子。對不純的樣品可經(jīng)氣相或液相色譜預(yù)先分離后，通過接口引入。液相色譜一質(zhì)譜接口有傳動帶接口、直接液體接口和熱噴霧接口。熱噴霧接口是一種軟電離方法，適用于高極性反相溶劑和低揮發(fā)性樣品。樣品由極性緩沖溶液以1一2mL/min流速通過一毛細(xì)管。控制毛細(xì)管溫度，使溶液接近出口處時蒸發(fā)成細(xì)小的射流噴出。微小液滴還保留有殘余的正負(fù)電荷，并與待測物形成帶有電解質(zhì)或溶劑特征的加合離子而進(jìn)入質(zhì)譜儀。
(3)離子源：使樣品電離產(chǎn)生帶電粒子（離子）束的裝置。應(yīng)用最廣的電離方法是電子轟擊法，其他還有化學(xué)電離、光致電離、場致電離、激光電離、火花電離、表面電離、X射線電離、場解吸電離和快原子轟擊電離等。其中場解吸和快原子轟擊特別適合測定揮發(fā)性小和對熱不穩(wěn)定的化合物。
(4）質(zhì)量分析器：將離子束按質(zhì)荷比進(jìn)行分離的裝置。它的結(jié)構(gòu)有單聚焦、雙聚焦、四極矩、飛行時間和擺線等。質(zhì)量分析器的作用是將離子源中形成的離子按質(zhì)荷比的大小不同分開，質(zhì)量分析器可分為靜態(tài)分析器和動態(tài)分析器兩類。
(5）收集器：經(jīng)過分析器分離的同質(zhì)量離子可用照相底板、法拉第筒或電子倍增器收集檢測。隨著質(zhì)譜儀的分辨率和靈敏度等性能的大大提高，只需要微克級甚至納克級的樣品，就能得到一張較滿意的質(zhì)譜圖，因此對于微量不純的化合物，可以利用氣相色譜或液相色譜（對極性大的化合物）將化合物分離成單一組分，導(dǎo)入質(zhì)譜計，錄下質(zhì)譜圖，此時質(zhì)譜計的作用如同一個檢測器。
三、技術(shù)與應(yīng)用
質(zhì)譜儀種類繁多，不同儀器應(yīng)用特點不同，一般而言，在300℃左右能汽化的樣品，可以優(yōu)先考慮用GC一MS進(jìn)行分析，因為GC一MS使用EI源，得到的質(zhì)譜信息多，可以進(jìn)行庫檢索。毛細(xì)管柱的分離效果也好。如果在300℃左右不能汽化，則需要用LC一MS分析，此時主要得分子量信息，如果是串聯(lián)質(zhì)譜，還可以得一些結(jié)構(gòu)信息。如果是生物大分子，主要利用LC一MS和MALDI－TOF分析，主要得分子量信息。對于蛋白質(zhì)樣品，還可以測定氨基酸序列。質(zhì)譜儀的分辨率是一項重要技術(shù)指標(biāo)，高分辨質(zhì)譜儀可以提供化合物組成式，這對于結(jié)構(gòu)測定是非常重要的。雙聚焦質(zhì)譜儀，傅立葉變換質(zhì)譜儀，帶反射器的飛行時間質(zhì)譜儀等都具有高分辨功能。
質(zhì)譜法特別是它與色譜儀及計算機聯(lián)用的方法，已廣泛應(yīng)用在有機化學(xué)、生化、藥物代謝、臨床、毒物學(xué)、農(nóng)藥測定、環(huán)境保護(hù)、石油化學(xué)、地球化學(xué)、食品化學(xué)、植物化學(xué)、宇宙化學(xué)和國防化學(xué)等領(lǐng)域。用質(zhì)譜計作多離子檢測，可用于定性分析。
質(zhì)譜分析法對樣品有一定的要求。進(jìn)行GC一MS分析的樣品應(yīng)是有機溶液，水溶液中的有機物一般不能測定，須進(jìn)行萃取分離變?yōu)橛袡C溶液，或采用頂空進(jìn)樣技術(shù)。有些化合物極性太強，在加熱過程中易分解，例如有機酸類化合物，此時可以進(jìn)行醋化處理，將酸變?yōu)榇自龠M(jìn)行GC一MS分析，由分析結(jié)果可以推測酸的結(jié)構(gòu)。如果樣品不能汽化也不能酯化，那就只能進(jìn)行LC一MS分析了。進(jìn)行LC一MS分析的樣品最好是水溶液或甲醇溶液，LC流動相中不應(yīng)含不揮發(fā)鹽。對于極性樣品，一般采用ESI源，對于非極性樣品，采用APCI源。
質(zhì)譜法與其他技術(shù)的聯(lián)合運用，可極大地提高聯(lián)用儀器各自的性能，也擴大使用范圍。以下是一些技術(shù)聯(lián)用的報道。
采用高效液相色譜一串聯(lián)質(zhì)譜法（HPLC/MS)定量定性分析食品中非法添加堿性橙、堿性嫩黃、酸性橙I、酸性橙II和酸性黃36等5種黃色工業(yè)染料；衍生化氣相色譜一質(zhì)譜法測定玩具和食品接觸材料中雙酚A;固相萃取一氣相色譜一質(zhì)譜法測定食品中23種鄰苯二甲酸酯；氣相色譜質(zhì)譜法測定食品中反式脂肪酸；氣相色譜一質(zhì)譜法測定食品中的甲醛固相萃取一液相色譜一串聯(lián)質(zhì)譜法檢測食品中的三聚氰胺；電噴霧解析電離質(zhì)譜法對食品中蘇丹紅染料的快速檢測；液相色譜一串聯(lián)質(zhì)譜法快速測定食品中4種黃色工業(yè)染料；離子色譜和液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法測定食品中的添加劑；超高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法檢測食品中蠟樣芽孢桿菌嘔吐毒素；高效液相色譜離子阱串聯(lián)質(zhì)譜法檢測保健食品中非法摻入8種鎮(zhèn)咳違禁成分的檢測。高效液相色譜離子阱串聯(lián)質(zhì)譜法檢測保健食品中非法摻入11種降糖類違禁成分；氣相色譜一質(zhì)譜法測定PVC食品保鮮膜中DEHA等己二酸酯類增塑劑；采用超高效液相色譜一串聯(lián)質(zhì)譜法可實現(xiàn)動物源食品中獸藥的快速檢測；高效液相色譜一串聯(lián)質(zhì)譜法檢測動物源性食品中β一受體激動劑；用液相色譜一質(zhì)譜法（LC一MS）快速測定食品中的經(jīng)甲基糠醛；氣相色譜一質(zhì)譜法測定食品中的甲醛；氣相色譜一串聯(lián)質(zhì)譜法測定不同酒類食品中17種鄰苯二甲酸酯；氣相色譜一質(zhì)譜法、高效液相色譜紫外法（HPLC一UV）和電化學(xué)檢測法（HPLC一ECD）以及兩種檢測器串聯(lián)、氣質(zhì)聯(lián)機方法（GC一MS)、液質(zhì)聯(lián)機方法（LC一MS)、毛細(xì)管電泳一紫外檢測法（CE一UV)、微分脈沖伏安法測定動物性食品及生物材料中的克倫特羅定量檢測方法；氣相色譜法一質(zhì)譜法測定食品中的鄰苯二甲酸酯(DEHP)；氣相色譜一質(zhì)譜法測定食品中乙草胺殘留；氣相色譜一串聯(lián)質(zhì)譜法測定塑料食品接觸材料鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)及鄰苯二甲酸二（2一乙基己基）酯(DEHP)；氣相色譜一質(zhì)譜法測定食品基質(zhì)中四聚乙醛殘留量；氣相色譜一質(zhì)譜法測定食品中的甲醛；解吸附電暈束電離質(zhì)譜法快速檢測保健食品和中成藥中違禁添加的β2一受體激動劑；電感藕合等離子體質(zhì)譜法(ICP一MS)測定運動員食品中鉛、砷、鎘、銅等。
