化学检验员掌握质谱分析 (Mass Spectrometry, MS) 技术，是其迈向高端分析领域、进行痕量物质检测、结构解析和确证分析的关键能力。质谱法通过测量离子的质荷比 (m/z) 和相对丰度，提供物质的分子量、元素组成和结构信息，具有灵敏度高、选择性好、定性能力强等显著优势。

一、 基本原理

质谱分析的基本过程可概括为“离子化-分离-检测”：

进样 (Introduction)：

样品以气态或通过接口（如色谱）引入离子源。

离子化 (Ionization)：

电子轰击电离 (EI)：高能电子（70 eV）轰击气态分子，使其失去一个电子形成分子离子 (M⁺•) 和碎片离子。优点：重现性好，有标准谱库（如NIST）可查；缺点：能量高，分子离子峰可能很弱或不出现（尤其对热不稳定化合物）。主要用于GC-MS。

电喷雾电离 (ESI)：溶液中的样品在高压电场下形成带电液滴，溶剂挥发后产生多电荷离子（如 [M+nH]ⁿ⁺, [M-nH]ⁿ⁻）。优点：软电离，适合大分子（蛋白质、多肽、核酸）、热不稳定化合物；可产生多电荷峰，扩展质谱仪的质量范围。主要用于LC-MS。

大气压化学电离 (APCI)：通过电晕放电产生试剂离子，与样品分子发生离子-分子反应（如质子转移）形成离子。优点：比ESI更耐受高流速和高浓度盐，适合中等极性、小分子化合物。主要用于LC-MS。

电感耦合等离子体电离 (ICP)：样品在~7000°C的氩等离子体中被完全原子化并电离，形成单电荷正离子。主要用于元素分析（ICP-MS）。

样品分子在离子源中失去或获得电子/离子，形成带电的离子。

这是质谱的核心步骤，不同离子化方式适用于不同类型的样品。

化学检验员需重点掌握：

质量分析 (Mass Analysis)：

四极杆 (Quadrupole)：常用、成本低、可做串联质谱（QqQ）。

离子阱 (Ion Trap)：可进行多级质谱（MSⁿ），适合结构解析。

飞行时间 (TOF)：高分辨率、高质量精度、高扫描速度。

轨道阱 (Orbitrap)：超高分辨率、高质量精度。

扇形磁场 (Magnetic Sector)：高分辨率、高精度，传统高端仪器。

将离子按质荷比 (m/z) 分离。

常见类型：

检测 (Detection)：

分离后的离子被检测器（如电子倍增器、法拉第杯）接收，转换为电信号。

信号经放大处理，得到质谱图 (Mass Spectrum)：横坐标为质荷比 (m/z)，纵坐标为相对丰度 (Relative Abundance)。

数据处理：

软件记录和分析质谱图，提供分子量、元素组成、碎片信息。

二、 主要应用模式（化学检验员实操重点）

质谱常与其他技术联用，形成强大的分析平台：

1. 气相色谱-质谱联用 (GC-MS)

原理：GC分离挥发性、半挥发性化合物 → MS进行定性定量。

离子源：主要用 EI。

应用：

环境中有机污染物（VOCs, SVOCs, PAHs, PCBs, 农药残留）。

食品中风味物质、香精香料、添加剂。

石油化工产品。

法医毒物分析。

化学检验员重点：

理解总离子流图 (TIC)、选择离子监测 (SIM)、选择反应监测 (SRM)。

能利用NIST标准谱库进行未知物检索和鉴定。

会解析EI谱图，根据碎片离子推断结构（如麦氏重排、α-断裂）。

2. 液相色谱-质谱联用 (LC-MS / LC-MS/MS)

原理：LC分离极性大、热不稳定、难挥发的化合物 → MS进行检测。

离子源：主要用 ESI 或 APCI。

应用：

药物及其代谢物分析（药代动力学、生物分析）。

生物大分子（蛋白质、多肽）分析。

食品中兽药残留、真菌毒素、非法添加物。

代谢组学、蛋白质组学。

化学检验员重点：

掌握多电荷离子的识别和去卷积。

理解准分子离子峰（[M+H]⁺, [M-H]⁻）。

掌握串联质谱 (MS/MS 或 MSⁿ) 技术：选择一个母离子，使其碎裂，分析子离子，获得结构信息。用于确证和定量（如SRM/MRM模式）。

了解基质效应及其消除方法（如基质匹配标准曲线、同位素内标）。

3. 电感耦合等离子体质谱 (ICP-MS)

原理：样品在ICP中离子化 → 质量分析器分离不同元素的单电荷离子 → 检测。

特点：

极高的灵敏度（可达ppt级，甚至ppq级）。

可同时测定多种元素（除H, He, C, N, O, F外）。

可进行同位素比值测定。

应用：

痕量/超痕量金属元素分析（环境、食品、生物样品）。

高纯材料、半导体中杂质检测。

地质样品、同位素示踪。

化学检验员重点：

熟悉样品前处理（消解、稀释）。

理解质谱干扰（如多原子离子、同量异位素）及消除方法（如碰撞/反应池技术KED/CRC）。

掌握内标法校正信号漂移和基体效应。

会使用标准物质进行校准和质量控制。

三、 标准分析流程（化学检验员实操步骤）

样品前处理：

目标：提取、净化、浓缩待测物，消除基体干扰。

方法：溶剂萃取、固相萃取 (SPE)、液液萃取 (LLE)、QuEChERS（农药残留）、微波消解（ICP-MS）、过滤、稀释等。

仪器准备与调谐：

开机，启动真空系统。

预热离子源（如GC-MS的EI源）。

进行调谐 (Tuning)：使用标准物质（如PFTBA for GC-MS, ESI-T for LC-MS）优化离子源参数、质量轴校准、分辨率设置等，确保仪器性能最佳。

方法开发与优化（高级技能）：

（GC-MS）优化GC条件（柱温、载气流速）、MS采集模式（Scan, SIM）。

（LC-MS）优化LC条件（流动相、梯度）、MS参数（离子源温度、气体流速、碰撞能量）。

（ICP-MS）优化RF功率、采样深度、气体流速。

校准曲线建立：

配制系列浓度的标准溶液（对于LC-MS/MS和ICP-MS，常加入同位素内标）。

进样分析，记录响应值（峰面积）。

绘制校准曲线（响应值 vs. 浓度），评估线性（R²）。

样品分析：

空白：试剂空白、方法空白。

平行样：评估精密度。

加标回收：评估准确度和基体效应。

质控样 (QC Sample)：已知浓度的样品，监控分析过程。

标准物质 (CRM)：验证整体方法准确性。

系统适用性：定期分析标准品，确认仪器状态。

进样待测样品。

质量控制 (QC)：

数据处理与报告：

软件根据校准曲线计算样品浓度。

（GC-MS/LC-MS）进行谱库检索、峰识别、结构确证。

结合QC结果评估数据可靠性。

出具检测报告。

四、 化学检验员注意事项

安全第一：

高压气体：GC载气（He, H₂）、LC气体（N₂）、ICP的Ar气，注意气瓶安全。

高电压：质谱仪内部有高电压，禁止打开机箱。

有毒溶剂：LC-MS常用甲醇、乙腈等，通风橱内操作。

放射性：ICP-MS的ICP本身是强辐射源，禁止直视炬箱。

防止污染：

使用高纯试剂（色谱纯、优级纯）、超纯水。

器皿彻底清洗（酸泡、溶剂冲洗）。

ICP-MS尤其要注意记忆效应（高浓度样品后需充分冲洗）。

仪器维护：

GC-MS：定期更换进样垫、衬管、清洗离子源、更换真空泵油。

LC-MS：定期清洗离子源、更换溶剂过滤器、维护LC系统（泵、自动进样器）。

ICP-MS：定期清洗采样锥、截取锥、炬管、雾化器；更换泵油。

记录详细的维护日志。

数据解读：

理解不同离子化方式产生的离子类型（M⁺•, [M+H]⁺, [M-H]⁻, 多电荷离子）。

能识别同位素峰（如M+1, M+2）并用于元素组成推断。

对于确证分析，遵循相关法规要求（如欧盟SANTE指南要求4个识别点）。

五、 总结

质谱分析是化学检验员从“常规分析”迈向“精准分析”和“结构确证”的里程碑。其核心优势在于无与伦比的定性能力和极高的灵敏度。

化学检验员成功应用质谱的关键在于：

深刻理解离子化原理和质量分析器特性。

熟练掌握GC-MS、LC-MS/MS、ICP-MS等主流联用技术的操作和应用。

精通样品前处理和质量控制。

具备强大的数据解读能力（谱库检索、碎片解析、同位素分析）。

严格遵守安全规程和仪器维护规范。

通过掌握质谱技术，化学检验员能够解决最复杂的分析难题，为食品安全、药物研发、环境监测、司法鉴定等领域提供最权威、最可靠的数据支持，是现代分析实验室的核心技术力量。