質(zhì)譜的開發(fā)歷史要追溯到20世紀(jì)初，最初的質(zhì)譜儀主要用來測定元素或同位素的原子量，隨著離子光學(xué)理論的發(fā)展，質(zhì)譜儀不斷改進，其應(yīng)用范圍也在不斷擴大，到20世紀(jì)50年代后期已廣泛地應(yīng)用于無機化合物和有機化合物的測定。
　　
　　進入80年代后，材料學(xué)、精密機械、電真空和計算機等新興學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展，促進了高性能質(zhì)譜儀器制造業(yè)的進步。現(xiàn)今，質(zhì)譜分析技術(shù)已經(jīng)大量應(yīng)用到化學(xué)分析測試中。
　　
　　質(zhì)譜分析技術(shù)基礎(chǔ)理論
　　
　�。ㄒ唬┵|(zhì)譜分析法原理
　　
　　質(zhì)譜分析法是通過應(yīng)用質(zhì)譜儀將被測物質(zhì)離子化，按離子的質(zhì)荷比分離，測量各種離子譜峰的強度而實現(xiàn)分析目的的一種分析方法。質(zhì)量是物質(zhì)的固有特征之一，不同的物質(zhì)有不同的質(zhì)量譜，即質(zhì)譜，利用這一性質(zhì)，可以進行定性分析（包括分子質(zhì)量和相關(guān)結(jié)構(gòu)信息）；而應(yīng)用譜峰強度與它代表的化合物含量關(guān)系可進行定量分析。
　　
　�。ǘ�）質(zhì)譜儀的組成
　　
　　質(zhì)譜儀一般由真空系統(tǒng)、進樣系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器、檢測器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)六部分組成。
　　
　　1 質(zhì)譜儀的性能指標(biāo)
　　
　　衡量一臺質(zhì)譜儀性能好壞的指標(biāo)很多。這些指標(biāo)包括分辨率、質(zhì)量范圍、靈敏度、質(zhì)量穩(wěn)定性、質(zhì)量精度等。質(zhì)譜儀的種類很多，其性能指標(biāo)的表示方法也不完全相同，現(xiàn)將主要的指標(biāo)說明如下。
　　
　　1.1 分辨率
　　
　　質(zhì)譜儀的分辨率表示質(zhì)譜儀把相鄰兩個質(zhì)量分開的能力。常用R表示。其定義是，如果某質(zhì)譜儀在質(zhì)量M處剛剛能分開M和M+?M兩個質(zhì)量的離子，則該質(zhì)譜儀的分辨率為R=M/?M。
　　
　　1.2 質(zhì)量范圍
　　
　　質(zhì)量范圍是質(zhì)譜儀所能測定的離子質(zhì)荷比的范圍。對于多數(shù)離子源，電離得到的離子為單電荷離子。這樣，質(zhì)量范圍實際上就是可以測定的分子量范圍；對于電噴霧源，由于形成的離子帶有多電荷，盡管質(zhì)量范圍只有幾千，但可以測定的分子量可達10萬以上。質(zhì)量范圍的大小取決于質(zhì)量分析器。四極桿分析器的質(zhì)量范圍上限一般在1000左右，也有的可達3000，而飛行時間質(zhì)量分析器可達幾十萬。由于質(zhì)量分離的原理不同，不同的分析器有不同的質(zhì)量范圍。彼此間比較沒有任何意義。同類型分析器則在一定程度上反映質(zhì)譜儀的性能。
　　
　　1.3 靈敏度
　　
　　靈敏度表示一定的樣品，在一定的分辨率下，產(chǎn)生一定信噪比的分子離子峰所需的樣品量。
　　
　　1.4 質(zhì)量穩(wěn)定性
　　
　　質(zhì)量穩(wěn)定性主要是指儀器在工作時質(zhì)量穩(wěn)定的情況，通常用一定時間內(nèi)質(zhì)量漂移的質(zhì)量單位來表示。例如某儀器的質(zhì)量穩(wěn)定性為：0.1amu/12hr，意思是該儀器在12小時之內(nèi)，質(zhì)量漂移不超過0.1 amu。
　　
　　1.5 質(zhì)量精度
　　
　　質(zhì)量精度是指質(zhì)量測定的精確程度。常用相對百分比表示。質(zhì)量精度是高分辨質(zhì)譜儀的一項重要指標(biāo)，對低分辨質(zhì)譜儀沒有太大意義。
　　
　　2 串聯(lián)質(zhì)譜及聯(lián)用技術(shù)
　　
　　2.1 串聯(lián)質(zhì)譜
　　
　　兩個或更match多的質(zhì)譜連接在一起，稱為串聯(lián)質(zhì)譜。最簡單的串聯(lián)質(zhì)譜（MS/MS）由兩個質(zhì)譜串聯(lián)而成，其中第一個質(zhì)量分析器（MS1）將離子預(yù)分離或加能量修飾，由第二級質(zhì)量分析器（MS2）分析結(jié)果。MS/MS最基本的功能包括能說明MS1中的母離子和MS2中的子離子間的聯(lián)系。
　　
　　MS/MS在混合物分析中有很多優(yōu)勢。在質(zhì)譜與氣相色譜或液相色譜聯(lián)用時，即使色譜未能將物質(zhì)完全分離，也可以進行鑒定。MS/MS可從樣品中選擇母離子進行分析，而不受其他物質(zhì)干擾。
　　
　　2.2 聯(lián)用技術(shù)
　　
　　色譜可作為質(zhì)譜的樣品導(dǎo)入裝置，并對樣品進行初步分離純化，因此色譜/質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)可對復(fù)雜體系進行分離分析。因為色譜可得到化合物的保留時間，質(zhì)譜可給出化合物的分子量和結(jié)構(gòu)信息，故對復(fù)雜體系或混合物中化合物的鑒別和測定非常有效。
　　
　　在化學(xué)分析中的應(yīng)用
　　
　　（一）質(zhì)譜定性分析
　　
　　一張化合物的質(zhì)譜包含著有關(guān)化合物的很豐富的信息。在很多情況下，僅依靠質(zhì)譜就可以確定化合物的分子量、分子式和分子結(jié)構(gòu)。而且，質(zhì)譜分析的樣品用量極微，因此，質(zhì)譜法是進行有機物鑒定的有力工具。當(dāng)然，對于復(fù)雜的有機化合物的定性，還要借助于紅外光譜、紫外光譜、核磁共振等分析方法。
　　
　　1 相對分子質(zhì)量的測定
　　
　　分子離子的質(zhì)荷比就是化合物的分子量。因此，在解釋質(zhì)譜時首先要確定分子離子峰，在判斷分子離子峰時要綜合考慮樣品來源、性質(zhì)等其他因素。如果經(jīng)判斷沒有分子離子峰或分子離子峰不能確定，則需要采取其它方法得到分子離子峰。
　　
　　2 化學(xué)式的確定
　　
　　利用一般的EI質(zhì)譜很難確定分子式。在早期，曾經(jīng)有人利用分子離子峰的同位素峰來確定分子組成式。有機化合物分子都是由C、H、O、N等元素組成的，這些元素大多具有同位素，由于同位素的貢獻，質(zhì)譜中除了有質(zhì)量為M的分子離子峰外，還有質(zhì)量為M+1、M+2的同位素峰。由于不同分子的元素組成不同，不同化合物的同位素豐度也不同，貝農(nóng)（Beynon）將各種化合物（包括C、H、O、N的各種組合）的M、M+1、M+2的強度值編成質(zhì)量與豐度表，如果知道了化合物的分子量和M、M+1、M+2的強度比，即可查表確定分子式。
　　
　　例如，某化合物分子量為M=150（豐度100%）。M+1的豐度為9.9%，M+2的豐度為0.88%，求化合物的分子式。根據(jù)Beynon表可知，M=150化合物有29個，其中與所給數(shù)據(jù)相符的為C9H10O2 。這種確定分子式的方法要求同位素峰的測定十分準(zhǔn)確。而且只適用于分子量較小，分子離子峰較強的化合物，如果是這樣的質(zhì)譜圖，利用計算機進行庫檢索得到的結(jié)果一般都比較好，不需再計算同位素峰和查表。因此，這種查表的方法已經(jīng)不再使用。
　　
　　利用高分辨質(zhì)譜儀可以提供分子組成式。因為碳、氫、氧、氮的原子量分別為12.000000，10.07825，15.994914，14.003074，如果能精確測定化合物的分子量，可以由計算機輕而易舉的計算出所含不同元素的個數(shù)。目前傅里葉變換質(zhì)譜儀、雙聚焦質(zhì)譜儀、飛行時間質(zhì)譜儀等都能給出化合物的元素組成。
　　
　　3 結(jié)構(gòu)鑒定
　　
　　純物質(zhì)結(jié)構(gòu)鑒定是質(zhì)譜最成功的應(yīng)用領(lǐng)域，通過對譜圖中各碎片離子、亞穩(wěn)離子、分子離子的化學(xué)式、m/z相對峰高等信息，根據(jù)各類化合物的分裂規(guī)律，找出各碎片離子產(chǎn)生的途徑，從而拼湊出整個分子結(jié)構(gòu)。根據(jù)質(zhì)譜圖拼出來的結(jié)構(gòu)，對照其他分析方法，得出可靠的結(jié)果。
　　
　　另一種方法就是與相同條件下獲得的已知物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)圖譜比較，來確認(rèn)樣品分子的結(jié)構(gòu)。
　　
　�。ǘ�）質(zhì)譜定量分析
　　
　　1 同位素測量
　　
　　分子的同位素標(biāo)記對有機化學(xué)和生命化學(xué)領(lǐng)域中化學(xué)機理和動力學(xué)研究十分重要，而進行這一研究前必須測定標(biāo)記同位素的量，質(zhì)譜法是常用的方法之一。如確定氘代苯C6D6 的純度，通�？捎肅6D6+與C6D5H+、C6D6H2+ 等分子離子峰的相對強度來進行。對其他涉及標(biāo)記同位素探針、同位素稀釋及同位素年代測定工作都可以用同位素離子峰來進行。
　　
　　2 無機痕量分析
　　
　　火花源的發(fā)展使質(zhì)譜法可應(yīng)用于無機固體分析，成為金屬合金、礦物等分析的重要方法，它能分析周期表中幾乎所有元素，靈敏度極高，可檢出或半定量測定10-9范圍內(nèi)濃度。由于其譜圖簡單且各元素譜線強度大致相當(dāng)，應(yīng)用十分方便。
　　
　　電感耦合等離子光源引入質(zhì)譜后（ICP-MS），有效地克服了火花源的不穩(wěn)定、重現(xiàn)性差、離子流隨時間變化等缺點，使其在無機痕量分析中得到了廣泛的應(yīng)用，ICP-MS是國際公認(rèn)的物質(zhì)量的準(zhǔn)確測量方法之一，尤其對于復(fù)雜基體樣品中痕量成分的準(zhǔn)確測量。
　　
　　與此同時，二次離子質(zhì)譜和同位素稀釋質(zhì)譜在研究和應(yīng)用過程中，采用了多種新技術(shù)和新工藝，方法的靈敏度、精密度有了顯著改善。這些新、老方法的結(jié)合，形成了比較完善的分析方法和測試體系。
　　
　　3 混合物的定量分析
　　
　　利用質(zhì)譜峰可進行各種混合物組分分析，在進行分析的過程中，保持通過質(zhì)譜儀的總離子流恒定，以使用于得到每張質(zhì)譜或標(biāo)樣的量為固定值，記錄樣品和樣品中所有組分的標(biāo)樣的質(zhì)譜圖，選擇混合物中每個組分的一個共有的峰，樣品的峰高假設(shè)為各組分這個特定m／z峰峰高之和，從各組分標(biāo)樣中測得這個組分的峰高，解數(shù)個聯(lián)立方程，以求得各組分濃度。
　　
　　用上述方法進行多組分分析時費時費力，且易引入計算及測量誤差，故現(xiàn)在一般采用將復(fù)雜組分分離后再引入質(zhì)譜儀中進行分析，常用的分離方法是色譜法。
　　
　　（1）氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）定量分析
　　
　　由GC-MS得到的總離子色譜圖或質(zhì)量色譜圖，其色譜峰面積與相應(yīng)組分的含量成正比，若對某一組分進行定量測定，可以采用色譜分析法中的歸一化法、外標(biāo)法、內(nèi)標(biāo)法等不同方法進行。這時，GC-MS法可以理解為將質(zhì)譜儀作為色譜儀的檢測器。其余均與色譜法相同。與色譜法定量不同的是，GC-MS法可以利用總離子色譜圖進行定量之外，還可以利用質(zhì)量色譜圖進行定量。這樣可以最大限度的去除其它組分干擾。
　　
　　為了提高檢測靈敏度和減少其它組分的干擾，在GC-MS定量分析中質(zhì)譜儀經(jīng)常采用選擇離子掃描方式。對于待測組分，可以選擇一個或幾個特征離子，而相鄰組分不存在這些離子。這樣得到的色譜圖，待測組分就不存在干擾，同時有很高的靈敏度。用選擇離子得到的色譜圖進行定量分析，具體分析方法與質(zhì)量色譜圖類似。但其靈敏度比利用質(zhì)量色譜圖會高一些，這是GC-MS定量分析中常采用的方法。
　　
　　（2）液相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用（LC/MS）分析方法
　　
　　LC-MS分析得到的質(zhì)譜過于簡單，結(jié)構(gòu)信息少，進行定性分析比較困難，主要依靠標(biāo)準(zhǔn)樣品定性，對于多數(shù)樣品，保留時間相同，子離子譜也相同，即可定性，少數(shù)同分異構(gòu)體例外。
　　
　　用LC-MS進行定量分析，其基本方法與普通液相色譜法相同。即通過色譜峰面積和校正因子（或標(biāo)樣）進行定量。但由于色譜分離方面的問題，一個色譜峰可能包含幾種不同的組分，給定量分析造成誤差。因此，對于LC-MS定量分析，不采用總離子色譜圖，而是采用與待測組分相對應(yīng)的特征離子得到的質(zhì)量色譜圖或多離子監(jiān)測色譜圖，此時，不相關(guān)的組分將不出峰，這樣可以減少組分間的互相干擾，LC-MS所分析的經(jīng)常是體系十分復(fù)雜的樣品，樣品中有大量的保留時間相同、分子量也相同的干擾組分存在。為了消除其干擾，LC-MS定量的最好辦法是采用串聯(lián)質(zhì)譜的多反應(yīng)監(jiān)測（MRM）技術(shù)。即，對質(zhì)量為m1 的待測組分做子離子譜，從子離子譜中選擇一個特征離子m2 。正式分析樣品時，第一級質(zhì)譜選定m1 ，經(jīng)碰撞活化后，第二級質(zhì)譜選定m2 。只有同時具有m1 和m2 特征質(zhì)量的離子才被記錄。這樣得到的色譜圖就進行了三次選擇：LC選擇了組分的保留時間，第一級MS選擇了m1 ，第二級MS選擇了m2 ，這樣得到的色譜峰可以認(rèn)為不再有任何干擾。然后，根據(jù)色譜峰面積，采用外標(biāo)法或內(nèi)標(biāo)法進行定量分析。此方法適用于待測組分含量低，體系組分復(fù)雜且干擾嚴(yán)重的樣品分析。
　　
　　（三）質(zhì)譜圖解析
　　
　　1 質(zhì)譜圖和質(zhì)譜表
　　
　　質(zhì)譜圖是指化合物分子被離子化后，由離子的質(zhì)荷比與其相對豐度構(gòu)成的譜圖，習(xí)慣上稱為棒圖（bargraph）。一般質(zhì)譜圖的橫坐標(biāo)表示離子的質(zhì)荷比（m/z），縱坐標(biāo)表示離子的相對豐度。豐度最大的離子峰稱基峰；在質(zhì)譜分析中，規(guī)定基峰的豐度為100，其他離子峰的豐度為其與基峰豐度的比值。
　　
　　質(zhì)譜圖表達質(zhì)譜的信息簡潔、直觀，但質(zhì)荷比、豐度的表達不夠細(xì)致、準(zhǔn)確，進行譜圖解析時就顯出不足。
　　
　　2 質(zhì)譜圖解析流程
　　
　�。�1）解析分子離子區(qū)
　　
　　a）標(biāo)出各峰的質(zhì)荷比數(shù)，尤其注意高質(zhì)荷比區(qū)的峰。
　　
　　b）識別分子離子峰。
　　
　　c）分析同位素峰簇的相對強度比及峰與峰間的Dm值，判斷化合物是否含有Cl、Br、S、Si等元素及F、P、I等無同位素的元素。
　　
　　d）推導(dǎo)分子式，計算不飽和度。由高分辨質(zhì)譜儀測得的精確分子量或由同位素峰簇的相對強度計算分子式。
　　
　　e）由分子離子峰的相對強度了解分子結(jié)構(gòu)的信息。分子離子峰的相對強度由分子的結(jié)構(gòu)所決定，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性大，相對強度就大。
　　
　　（2）解析碎片離子
　　
　　a）由特征離子峰及丟失的中性碎片了解可能的結(jié)構(gòu)信息。
　　
　　b）綜合分析以上得到的全部信息，結(jié)合分子式及不飽和度，提出化合物的可能結(jié)構(gòu)。
　　
　　c）分析所推導(dǎo)的可能結(jié)構(gòu)的裂解激勵，看其是否與質(zhì)譜圖相符，確定其結(jié)構(gòu)，并進一步解釋質(zhì)譜，或與標(biāo)準(zhǔn)譜圖比較，或與其他分析光譜配合，確證結(jié)構(gòu)。