化学检验员掌握质谱分析 (Mass Spectrometry, MS) 的基本原理，是其理解和应用这一强大分析技术的基础。质谱法不是基于光的吸收或发射，而是通过测量离子在电磁场中的运动行为来确定其质荷比 (m/z)，从而获得物质的分子量、元素组成和结构信息。

其基本原理可以清晰地分为四个核心步骤：进样 → 离子化 → 质量分析 → 检测。

一、 1. 进样 (Sample Introduction)

目的：将待分析的样品以合适的状态引入质谱仪的离子源。

方式：

气相色谱-质谱 (GC-MS)：GC分离后的气态组分直接进入MS离子源。

液相色谱-质谱 (LC-MS)：LC流出的液相组分通过接口（如电喷雾）进入MS离子源。

其他：毛细管电泳-MS (CE-MS) 等。

直接进样：适用于挥发性、热稳定性好的样品（如气体、液体）。

与分离技术联用：这是最常见的方式，样品先经分离后再进入质谱。

二、 2. 离子化 (Ionization) - 关键步骤

目的：将样品分子（或原子）转化为带电的离子，因为只有带电粒子才能在电磁场中被操控和检测。

过程：在离子源中，通过特定的能量输入方式，使中性分子失去或获得电子/离子，形成离子。

化学检验员需掌握的主要离子化方式：

(1) 电子轰击电离 (Electron Ionization, EI)

原理：高能电子束（通常70 eV）轰击气态样品分子 (M)，使其失去一个电子，形成分子离子 (M⁺•)。

M + e⁻ (高能) → M⁺• + 2e⁻

特点：

“硬电离”：能量高，分子离子常进一步碎裂，产生丰富的碎片离子。

重现性好：标准条件下（70 eV）产生的谱图高度一致。

有标准谱库：如NIST库，可用于未知物检索和鉴定。

局限性：对热不稳定或难挥发的分子，分子离子峰可能很弱或不出现。

主要应用：GC-MS，分析挥发性、半挥发性有机物。

(2) 电喷雾电离 (Electrospray Ionization, ESI)

原理：将样品溶液通过金属毛细管，在高电压（几千伏）作用下形成带电液滴。溶剂挥发后，液滴表面电荷密度增大，最终产生气相离子。

特点：

“软电离”：能量低，主要产生准分子离子，如质子化的 [M+H]⁺ 或去质子化的 [M-H]⁻。

多电荷离子：特别适合大分子（如蛋白质、多肽），可产生带多个电荷的离子（[M+nH]ⁿ⁺），使大分子的 m/z 落在质谱仪的检测范围内。

耐受性好：可与液相色谱直接联用。

主要应用：LC-MS，分析极性大、热不稳定、生物大分子等。

(3) 大气压化学电离 (Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI)

原理：在大气压下，通过电晕放电产生试剂离子（如 H₃O⁺, O₂⁻），这些试剂离子与样品分子 (M) 发生离子-分子反应（如质子转移），形成离子。

H₃O⁺ + M → [M+H]⁺ + H₂O

特点：

“软电离”：主要产生 [M+H]⁺ 或 [M-H]⁻。

比ESI更耐受：对高流速、高浓度盐、缓冲液的耐受性优于ESI。

适合中等极性小分子。

主要应用：LC-MS，分析小分子药物、代谢物等。

(4) 电感耦合等离子体电离 (Inductively Coupled Plasma Ionization, ICP)

原理：样品溶液被雾化成气溶胶，进入约7000°C的氩等离子体炬中。高温使样品完全原子化，并将原子电离成单电荷正离子 (M⁺)。

特点：

“完全电离”：几乎将所有元素转化为M⁺。

元素分析：用于测定样品中各种元素的含量和同位素比值。

灵敏度极高：可达ppt (ng/L) 甚至 ppq (pg/L) 级。

主要应用：ICP-MS，进行痕量/超痕量元素分析。

三、 3. 质量分析 (Mass Analysis)

目的：将离子源产生的各种离子，按照它们的质荷比 (m/z) 进行分离。

原理：利用电场和/或磁场对带电离子的偏转作用，不同 m/z 的离子在电磁场中遵循不同的运动轨迹，从而实现空间或时间上的分离。

常见类型：

四极杆 (Quadrupole)：利用交变射频电场，只有特定 m/z 的离子能稳定通过四根平行电极，其他离子被滤除。可做质量选择。

飞行时间 (Time-of-Flight, TOF)：离子在相同电场中获得相同动能，轻的离子飞行速度快，先到达检测器；重的离子飞行速度慢，后到达。通过测量飞行时间确定 m/z。

离子阱 (Ion Trap)：利用电场将离子捕获在特定空间内，然后按 m/z 顺序逐个推出进行检测。可进行多级质谱 (MSⁿ)。

轨道阱 (Orbitrap)：离子在静电场中围绕中心电极做轨道运动，其振荡频率与 m/z 相关，通过检测频率确定 m/z。具有超高分辨率和质量精度。

四、 4. 检测 (Detection)

目的：检测经过分离的离子，并将其信号转换为电信号进行记录。

过程：

分离后的离子按 m/z 顺序或同时到达检测器（如电子倍增器、法拉第杯）。

检测器将离子流放大并转换为电信号（电流或电压）。

信号经过放大和处理，由计算机记录。

五、 数据输出：质谱图 (Mass Spectrum)

最终结果以质谱图的形式呈现：

横坐标 (X轴)：质荷比 (m/z)。

纵坐标 (Y轴)：相对丰度 (Relative Abundance)，表示该离子信号的强度，通常将最强的峰设为100%。

信息解读：

分子量：通过分子离子峰（如 M⁺•, [M+H]⁺）的 m/z 确定。

元素组成：结合高分辨率质谱 (HRMS) 测得的精确质量，可推算元素组成。

结构信息：通过碎片离子峰的 m/z 和相对丰度，推断分子结构（尤其在EI和MS/MS中）。

定量分析：离子的丰度（峰面积或峰高）与样品中该物质的含量成正比。

六、 总结

质谱分析的基本原理是：将样品分子转化为离子，根据其质荷比 (m/z) 进行分离和检测，从而获得物质的分子量、元素组成和结构信息。

对于化学检验员而言，理解这一原理至关重要：

离子化方式决定了你能分析什么类型的样品（挥发性/非挥发性、小分子/大分子）以及能得到什么样的信息（分子离子/碎片离子）。

质量分析器决定了仪器的分辨率、灵敏度和扫描速度。

质谱图是解读分析结果的“地图”。

掌握这些基本原理，化学检验员才能正确选择分析方法、优化仪器参数、准确解读数据，并有效解决实际工作中的复杂分析问题。