质谱基本原理及常见技术

质谱基本原理及常见技术

质谱技术是现代化学和生物分析中不可或缺的重要工具，通过测量离子的质量-电荷比来分析样品成分。从基础的离子化、分离到检测，再到各种联用技术的应用，质谱技术在环境监测、食品安全、生物医学等多个领域发挥着关键作用。本文将为您详细介绍质谱的基本原理及其常见技术。

质谱的基本原理

质谱是一种通过测量离子的质量-电荷比（m/z，mass-to-charge ratio）来分析样品成分的技术。它的基本过程包括三个主要步骤：离子化、离子分离和离子检测。

1. 离子化

样品首先需要转化为带电离子，因为质谱技术是基于离子行为进行分析。常见的离子化方法包括：

• 电子轰击离子化（EI）：将样品分子与高能电子碰撞，使分子电离并产生碎片。这是质谱分析中经典的方法，适用于小分子。
• 电喷雾离子化（ESI）：通过喷射液体样品并在电场下使其带电，适用于生物分子（如蛋白质、核酸）的分析。
• 化学电离（CI）：通过引入气体分子与样品分子反应产生离子。与电子轰击相比，化学电离产生的离子较少碎裂。

2. 离子分离

在离子化后，生成的带电粒子被送入质谱分析器。质谱分析器的作用是根据离子的质量-电荷比（m/z）将不同的离子分开。常见的质谱分析器有：

• 四极杆质谱：通过四极电场控制离子的稳定性，实现对特定m/z值的选择性过滤。
• 飞行时间质谱：通过测量离子飞行的时间来确定其m/z。较小的离子较快到达检测器，较大的离子较慢。
• 离子阱质谱：通过捕捉离子并逐步释放它们进行分析，能够进行多级质谱分析。

3. 离子检测

分离后的离子会被送到检测器，常见的检测方法是电子倍增器，它通过产生多个电子放大离子的信号。之后，质谱仪将生成质谱图，该图记录了每种离子的强度和其对应的m/z值。

常见的质谱技术

1. GC-MS（气相色谱-质谱联用）

• 原理：气相色谱（GC）用于将复杂样品分离，分离后的组分进入质谱仪进行分析。适用于分析挥发性和半挥发性的有机化合物。
• 应用：环境监测、食品安全等领域。

2. LC-MS（液相色谱-质谱联用）

• 原理：液相色谱（LC）用于分离样品，分离后的组分进入质谱分析。液相色谱不要求样品须是挥发性的，因此能够处理更广泛的化合物。
• 应用：生物分析、代谢组学、蛋白质组学、代谢研究等。

3. ICP-MS（电感耦合等离子体质谱）

• 原理：ICP源通过将样品引入高温等离子体，使其电离。然后，生成的离子通过质谱分析器进行分析，适用于痕量元素的分析。
• 应用：环境监测、地质样品分析、食品安全等。