質(zhì)譜分析本是一種物理方法，其基本原理是使試樣中各組分在離子源中發(fā)生電離，生成不同荷質(zhì)比的帶正電荷的離子，經(jīng)加速電場(chǎng)的作用，形成離子束，進(jìn)入質(zhì)量分析器。在質(zhì)量分析器中，再利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)使發(fā)生相反的速度色散，將它們分別聚焦而得到質(zhì)譜圖，從而確定其質(zhì)量。第一臺(tái)質(zhì)譜儀是英國(guó)科學(xué)家阿斯頓（F.W.Aston，1877～1945）于1919年制成的。出手不凡，阿斯頓用這臺(tái)裝置發(fā)現(xiàn)了多種元素同位素，研究了53個(gè)非放射性元素，發(fā)現(xiàn)了天然存在的287種核素中的212種，第一次證明原子質(zhì)量虧損。他為此榮獲1922年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
質(zhì)譜儀開(kāi)始主要是作為一種研究?jī)x器使用的，這樣用了20年后才被真正當(dāng)作一種分析工具。它最初作為高度靈敏的儀器用于實(shí)驗(yàn)中，供設(shè)計(jì)者找尋十分可靠的結(jié)果。早期的研究者們忙著測(cè)定精確的原子量和同位素分布，不能積極地去探索這種儀器的新用途。
由于同位素示蹤物研究的出現(xiàn)，質(zhì)譜儀對(duì)分析工作的用處就越發(fā)變得明顯了。氮在植物中發(fā)生代謝作用的生物化學(xué)研究要求用15N作為一種示蹤物。但它是一種穩(wěn)定的同位素，不能通過(guò)密度測(cè)量來(lái)精確測(cè)定，所以質(zhì)譜儀就成了必要的分析儀器。這種儀器在使用穩(wěn)定的13C示蹤物的研究中以及在基于穩(wěn)定同位素鑒定的工作中也是很有用的。標(biāo)準(zhǔn)型的質(zhì)譜儀到現(xiàn)在已經(jīng)使用了大約45年。
40年代期間，石油工業(yè)在烴混合物的分析中開(kāi)始采用質(zhì)譜儀。盡管這種質(zhì)譜圖在定量解釋時(shí)存在著難以克服的計(jì)算麻煩，但在有了高速計(jì)算機(jī)后，這種儀器就能在工業(yè)方面獲得重大的成功。
(1)近20年來(lái)質(zhì)譜技術(shù)隨著新穎電離技術(shù)，質(zhì)量分析技術(shù)，與各種分離手段的聯(lián)用技術(shù)以及二維分析方法的發(fā)展，質(zhì)譜已發(fā)展成為最廣泛應(yīng)用的分析手段之一。其最突出的技術(shù)進(jìn)步有以下幾個(gè)方面：
新的解吸電離技術(shù)不斷涌現(xiàn)，日趨成熟，可測(cè)分子量范圍越來(lái)越高，并逐步適用于難揮發(fā)、熱敏感物質(zhì)的分析，例如海洋天然產(chǎn)物、微生物代謝產(chǎn)物，動(dòng)植物二次代謝產(chǎn)物以及生物大分子的結(jié)構(gòu)研究。最有發(fā)展前景的電離方法有：
①等離子解吸采用252Cf的裂介碎片作為離子源，使多肽和蛋白質(zhì)等生物大分子不必衍生化而直接電離進(jìn)行質(zhì)量分析。它與飛行時(shí)間質(zhì)譜相配合，已成功地用于許多合成多肽的質(zhì)譜分析，并已在一些實(shí)驗(yàn)室中作為常規(guī)分析方法來(lái)鑒定多肽和蛋白質(zhì)。目前它的可分析的質(zhì)量極限大約是50000D。
②快原子轟擊，把樣品分子放入低揮發(fā)性液體中，用高速中性原子來(lái)進(jìn)行轟擊，可使低揮發(fā)性的，熱敏感的分子電離，得到質(zhì)子化或堿金屬離子化的分子離子。由于很容易在磁質(zhì)譜或四極桿質(zhì)譜上安裝使用，因此得到廣泛應(yīng)用，分子量很容易達(dá)到3000—4000。如果與帶有后加速的多次反射陣列檢測(cè)器的高性能磁質(zhì)譜配合使用，可測(cè)分子量可達(dá)到10000amn以上，最高記錄可達(dá)25000amn。
③激光解吸，利用CO2激光（10.6μm），Nd/YAG激光（1.06μm）的快速加熱作用使難揮發(fā)的分子解吸電離，與飛行時(shí)間質(zhì)譜或離子回旋共振質(zhì)譜相配合成功地分析了一系列蛋白質(zhì)和酶的復(fù)合物，并創(chuàng)造了蛋白質(zhì)分子質(zhì)量分析的最高記錄（Jack Bean Urease Mr～27萬(wàn)）。
④電噴霧（electro spray，electrostatic spray，ion spray）把分析樣品通過(guò)常壓電離源，使分子多重質(zhì)子化而電離。由于生成多重質(zhì)子化的分子離子可縮小質(zhì)荷比，因此一個(gè)分子量為數(shù)萬(wàn)的生物大分子，如果帶上幾十個(gè)，上百個(gè)質(zhì)子，質(zhì)荷比可降低到2000以下，可以用普通的四極桿質(zhì)譜儀分析，其次由于得到一組質(zhì)荷比連續(xù)變化的分子離子峰，通過(guò)對(duì)這些多電荷分子離子峰的質(zhì)量計(jì)算可以得到高度準(zhǔn)確的平均分子量。第三是這種多重質(zhì)子化的分子離子峰可進(jìn)一步誘導(dǎo)碰撞活化，進(jìn)行串聯(lián)質(zhì)譜分析。第四是這種電離技術(shù)的樣品制備要求極低，溶于生物體液的樣品分子或HPLC，CZE的流出液都可直接引入常壓電離源進(jìn)行聯(lián)機(jī)檢測(cè)。
(2)各種聯(lián)用技術(shù)。色譜、電泳等分離方法與質(zhì)譜分析相結(jié)合為復(fù)雜混合物的在線分離分析提供了有力的手段，GC-MS聯(lián)用技術(shù)的應(yīng)用已得到充分的證明。近年來(lái)把液相色譜、毛細(xì)管電泳等高效分離手段與質(zhì)譜連接已在分析強(qiáng)極性、低揮發(fā)性樣品的混合物方面也取得了進(jìn)步。主要的接口技術(shù)有：
①粒子束（particle beam），它能把液相色譜與質(zhì)譜連接起來(lái)，其優(yōu)點(diǎn)是得到的質(zhì)譜與普通的EIMS譜十分接近，因此可以用標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)的數(shù)據(jù)去檢索。缺點(diǎn)是要耗用大量的氦氣，并且只能分析中等極性和中等分子量（2000以下）的分子。
②熱噴霧（thermospray），是目前與HPLC連接最廣泛使用的接口技術(shù)。它是一種軟電離技術(shù)，可測(cè)的分子量上限大約為8000amn，缺點(diǎn)是流速需要0.12ml/min，對(duì)于質(zhì)譜分析來(lái)說(shuō)仍嫌太大。
③連續(xù)流快原子轟擊（CF-FAB），利用適當(dāng)孔徑的石英毛細(xì)管把液相色譜的流出液直接引入FAB電離源，進(jìn)行連續(xù)的FAB-MS分析。由于它的流速小于5μl/min，與質(zhì)譜儀更為匹配，因此具有更大的應(yīng)用潛力。
④電噴霧。由于采用常壓電離源，因此很容易把微細(xì)徑柱液相色譜，甚至普通液相色譜（只要有適當(dāng)?shù)姆至餮b置）通過(guò)它與質(zhì)譜連接起來(lái)。最近藉此把毛細(xì)管區(qū)帶電泳與質(zhì)譜連接起來(lái)也取得了成功，實(shí)現(xiàn)了高靈敏度（10～15mol），高分離效力（25萬(wàn)理論塔板數(shù)）的聯(lián)用分析。這是一種極有希望，并很有發(fā)展前途的聯(lián)用技術(shù)。
 (3)串聯(lián)質(zhì)譜等二維質(zhì)譜分析方法。如果把二臺(tái)質(zhì)譜儀串聯(lián)起來(lái)，把第一臺(tái)用作分離裝置，第二臺(tái)用作分析裝置，這樣不僅能把混合物的分離和分析集積在一個(gè)系統(tǒng)中完成，而且由于把電離過(guò)程和斷裂過(guò)程分離開(kāi)來(lái)，從而提供多種多樣的掃描方式發(fā)展二維質(zhì)譜分析方法來(lái)得到特定的結(jié)構(gòu)信息。
本法使樣品的預(yù)處理減少到最低限度，而且可以抑制干擾，特別化學(xué)噪音，從而大大提高檢測(cè)極限。
串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)對(duì)于利用上述各種解吸電離技術(shù)分析難揮發(fā)、熱敏感的生物分子也具有重要的意義。首先解吸電離技術(shù)一般都使用底物，因此造成強(qiáng)的化學(xué)噪音，用串聯(lián)質(zhì)譜可以避免底物分子產(chǎn)生的干擾，大大降低背景噪音，其次解吸電離技術(shù)一般都是軟電離技術(shù)，它們的質(zhì)譜主要顯示分子離子峰，缺少分子斷裂產(chǎn)生的碎片信息。如果采用串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)，可使分子離子通過(guò)與反應(yīng)氣體的碰撞來(lái)產(chǎn)生斷裂，因此能提供更多的結(jié)構(gòu)信息。
近年來(lái)把質(zhì)譜分析過(guò)程中的電離和碰撞斷裂過(guò)程分離開(kāi)來(lái)的二維測(cè)定方法發(fā)展很快，主要的儀器方法有以下幾種。
①串聯(lián)質(zhì)譜法（tandem MS），常見(jiàn)的形式有串聯(lián)（多級(jí)）四極桿質(zhì)譜，四極桿和磁質(zhì)譜混合式（hybride）串聯(lián)質(zhì)譜和采用多個(gè)扇形磁鐵的串聯(lián)磁質(zhì)譜。
②傅里葉變換質(zhì)譜（FT-MS），又叫離子回旋共振譜，它利用電離生成的離子在磁場(chǎng)中回旋共振，通過(guò)傅里葉變換得到這些離子的質(zhì)量譜，這種譜儀過(guò)去由于電離造成真空降低與回旋共振要求高真空條件相矛盾，性能不能過(guò)關(guān)。近年來(lái)由于分離電離源技術(shù)日趨成熟，這種分析方法得到較大發(fā)展，它的優(yōu)點(diǎn)是很容易做到多級(jí)串聯(lián)質(zhì)譜分析，目前可分析質(zhì)量范圍已達(dá)5萬(wàn)左右，分辨力也可達(dá)1萬(wàn)。
③整分子氣化和多光子電離技術(shù)（LEIM-MUPI），它是在微激光解吸電離技術(shù)的發(fā)展中最近出現(xiàn)的一種新方法。它把解吸和電離二個(gè)環(huán)節(jié)在時(shí)間和空間上分離開(kāi)來(lái)，分別用二個(gè)激光器進(jìn)行解吸和電離。使用紅外激光器來(lái)實(shí)現(xiàn)整分子氣化，使用可調(diào)諧的紫外激光器對(duì)電離過(guò)程實(shí)行寬范圍的能量控制，從而得到從電離（只顯示分子離子）到各種程度不同的硬電離質(zhì)譜，并成功地用于生物大分子的序列分析。