质谱仪行业研究

一

1. 质谱与质谱仪

质谱仪是一类物质分析仪器，它将分析样品转化成带电离子并根据质荷比实现分离，检测质荷比相对强度后生成质谱图进行分析。

由于检测质荷比的特性，质谱仪可以确定化合物的质量进而确定化合物的分子式。并且，根据中间产物的性质，质谱仪甚至可以唯一地确定某些化合物的结构式，测出浓度，因而被广泛用于临床医学、工业检测、环境科学等多个领域中。

质谱及其相关技术发展较晚，相关市场在临床质谱检测应用方面仅有十年左右，类似基因测序的早期发展阶段。但是凭借其快速、准确、高通量的优势，质谱技术发展迅猛，并且获得了多个诺贝尔奖项。

根据Kalorama Information的统计和预测，临床应用质谱增速超过科研用质谱，未来有望持续保持 20%以上增长。近年来国际上相关公司加大了质谱技术研发力度，质谱技术专利申请数呈增长趋势，且多家知名公司于2018年推出数个新型质谱仪及其应用方案。相较于国外，国内质谱技术的生产应用还不够普及。近年来，质谱产业政策利好，市场政策趋于成熟，国内市场有很大的发展空间。

2. 质谱仪发源及发展

质谱仪产业呈现指数曲线形式的发展，近年来越来越快速地成长，已成为当今分析化学功能强大的设备。

20世纪20年代：1912年英国物理学家Joseph John Thomson成功研制出世界上第一台质谱仪。质谱仪早期主要应用于测量原子质量、同位素相对丰度。

20世纪40年代：高分辨率质谱仪出现，质谱技术开始应用于有机化合物分析。

20世纪60年代：气相色谱-质谱联用仪出现，成为有机混合物分离分析的重要仪器。质谱技术促进天然有机化合物结构分析的发展。

20世纪80年代：出现了一系列的质谱新技术。John Fenn博士发明了电喷雾技术，Koichi Tanaka博士发明了软激光解吸技术，两人因此获得了2002年的诺贝尔化学奖。同时期还出现了：大气压化学电离源、液相色谱-质谱联用仪、感应耦合等离子体质谱仪等。这一系列新技术的出现，使得质谱更适合用于分析生物大分子聚合物，由此开拓了质谱技术在生物医学领域的应用。

3. 质谱仪结构和原理

3.1 质谱仪结构及工作流程

质谱联用系统主要由进样系统、离子源、质量分析器、检测器及数据分析系统组成。其中离子源、质量分析器和检测器需要在高真空系统环境下工作，离子源和质量分析器的压力在10-4~10-5和10-5~10-6Pa，工作环境由分子涡轮泵保持。

若不能保持高真空环境，大量氧会烧坏离子源的灯丝。并且用作加速离子的几千伏高压会引起放电，造成离子运动轨道的偏离。非真空环境还会引发额外的离子-分子反应，改变裂解模式，使谱图复杂化。

根据不同进样系统、离子源和质量分析器的组合，质谱仪分为多个种类，但工作原理大体相同。样品由进样系统导入质谱仪，在离子源中电离成具有不同质量的分子离子和碎片离子。这些离子在加速电场中获得动能后形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中具有不同质荷比的离子会从时间或空间上分离。检测器可将离子转换为电信号储存在计算机中，再以各种方式形成质谱图。

质谱图的横坐标是离子的质核比，纵坐标通常是离子的相对强度，即以谱图中强度最大的离子为100%来计算其他离子的百分强度。在质谱图中分子离子和碎片离子的质量数可用于确定化合物的元素组成或同位素特征。这一特征可用于解析分子的化学结构。通过质谱分析，可以获得分析样品的相对分子质量、分子式、分子中同位素构成和分子结构等多方面的信息。

质谱仪也可以利用串联质谱技术（MS/MS）更有效地鉴定化合物的分子结构。当样品复杂度很高时，可在样品进样区前串联一液相色谱（LC）或气相色谱（GC）组成联用系统；帮助样品预分离以提高质谱分析效率。

3.2 进样系统

按照样品引入方式，进样方法可分为直接引入法和间接引入法，对应不同进样系统。

直接引入法是将低挥发性样品直接装在探针上，将探针送入真空腔内，然后给探针通大电流加热，使探针的温度急剧上升至数百度（一般不超过400℃），样品分子受热后挥发形成蒸气，该蒸气受真空腔内真空梯度的作用被直接引入到离子源中离子化。

间接引入法又可细分为色谱引入、膜进样等。色谱法是质谱中应用最多的样品间接引入法，这种进样系统的研究热点之一就是质谱和色谱之间的接口技术。

复杂样品可利用柱色谱技术分离，而分析物在色谱分离中的峰面积与保留时间可分别作为定量与定性依据。若进一步搭配质谱仪，则可获得分析物分子量与该分析物碎片离子而得到灵敏与准确的定量与定性信息。因此色谱-质谱技术已成为复杂样品分析中的主要方法。常见的有液相色谱-质谱联用仪（LC-MS）以及气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）。其中气相色谱适用能气化、热稳定性好和沸点较低的样品；液相色谱仪适用可溶于液相的样品，不受样品挥发性和稳定性限制。

除上述进样方式之外，还存在毛细管电泳（Capillary Electrophoresis，CE）、离子淌度、膜进样等进样方式。

3.3 离子源

在分析样品的质量数之前必须在离子源中将其离子化，分析物的极性决定了离子源的选择。目前各种离子化方法在分析应用价值上各具独特之处，没有单一种类的离子化方法适用于所有的分析需求。下列出几种较为常用的离子源电离方法：

目前最常用的离子化方法包括电子电离、化学电离、电喷雾电离、大气压化学电离及大气压光致电离，以及激光解析电离与基质辅助激光解吸电离。上述几种离子化方法最常被使用的主要原因在于，这些方法除了有宽广的样品适用范围与高灵敏度之外，如样品基质太过复杂时还可以与色谱分离方法联用来降低样品基质干扰，完成样品的分析。

在选择离子化方法时，可以大略地根据想得到的信息及被分析物分子的物理、化学性质进行区分。离子化方法可根据以下要考虑的先后顺序进行选择：

样品的物理性质——所要得到的定性信息——待定分子的分子特性——与质谱联用的色谱。根据被分析物的分子量以及分子极性，上述电离源适用于不同的样品：

3.4 质量分析器

在进行了离子化和离子转移后，分析物将进入质量分析器。每种质量分析器都具有不同的特性与功能。下表列出了部分常用的质量分析器：

质量范围、分辨率是质量分析器的两个主要性能指标。质量范围指质谱仪所能测定的质荷比的范围；分辨率表示质谱仪分辨相邻的、质量差异很小的峰的能力。高分辨率的质量分析器能够将两个质荷比十分相近的被分析物离子信号区分开来。如CO及N2的精确相对质量分别为27.99493和28.01344，两者需要高分辨率的质量分析器区分。对于质量数小于200的分子，5ppm的准确度通常即足以唯一地测定其元素组成。

串联质谱（MS/MS或MSn）通常由两个及以上的质量分析器组成。上一级质量分析器筛选出前体离子，经离子活化方式裂解后进入下一级质量分析器分析。该技术主要应用于蛋白质组学分析与特定化合物定量分析。

3.5 检测器

检测器有两种工作方式，即全扫描检测方式和选择离子检测方式。全扫描检测方式是在规定的质量范围内，连续改变射频电压，使不同质荷比的离子依次产生峰强信号。为了更清楚表示不同离子的强度，通常用线的高低而不用质谱峰的面积来表示，故称质谱棒图，又叫峰强一质荷比图。全扫描质谐图包含了被测组分分子量、元素组成和分子结构的信息，是未知组分定性的依据。

选择离子检测方式是预先选定1种或2～3种特征离子进行扫描，得出这些质荷比的离子流强度随时间变化的图形——特征离子色谱图，又称质量碎片图。这种检测方式在进行痕量物质分析时，更显示出它们的优点。首先灵敏度高，其检测限可达5×10-14g，比全扫描检测方式提高2-3个置级。第二个优点是可对气相色谱不能分离（即台峰）的组分进行定量测定，这是任何检测器无法比拟的。

4. 质谱仪应用

质谱技术在生命科学、材料科学、食品安全、环境监测、医疗卫生等领域有不可替代的作用和举足轻重的地位，是现代化学分析、生物分析领域应用最广泛的测量技术手段。

4.1 食品安全分析

质谱技术凭借其分析速度、检测通量与检测灵敏度的优势，在食品中有毒物质分析与转基因食品检测方面占有重要地位。其中的常压敞开式离子化技术由于具备快速检测的优势，成为一个相当重要的分析利器。如DART技术可以检测葡萄、苹果及橙子表面的132种农药残留及小麦中的杀菌剂；TD-ESI/MS技术可以检测酱油、萝卜干中的防腐剂，牛奶中的三聚氰胺等物质。