质谱，其最基本的形式，是一种测量离子质荷比（m/z）的分析技术。当从导入系统的分子中产生一个带单电荷离子时，其m/z等同于其质量。这种测量对识别引入质谱仪的化合物很有用。用这些设备可以进行定量测量，因为产生的离子电流与导入仪器的样品量成正比，或者可以使之成正比。

分析物的定量通常是通过测量相对于内标的反应来完成。后者是一种与分析物同时引入的固定数量已知分子。尽管质谱仪有许多类型和设计，但它们之间有着共同特点：

➤   所有的质谱仪都会电离（充电）分子，尽管电离机制有明显的不同。因此，电离的过程效率和放在分子上的电荷数量、分布和/或类型因电离方法的不同而不同。

➤   每个质谱仪都有一个机制，根据其质量（m）和存在的电荷数（z）分离气相离子。仪器的这一部分最常被称为质量分析器（或者，严格来说，是m/z分析器），可以有各种设计和配置。

➤   所有的质谱仪都有一个装置（检测器），可以检测通过分析器后到达它的离子。检测器给出一个可变反应，与检测到离子的数量成正比。

➤   除了这三个主要部分，所有的质谱仪都必须有一个导入样品的手段。

➤   所有的子系统都与计算机相连，并有一个操作软件来控制各种仪器参数，获取信号，并处理数据。

样品导入系统可能是也可能不是电离过程的一部分，这取决于仪器设计。图1说明了MS系统的组成部分。

根据离子的质量和电荷（m/z）进行分离和检测，可以通过许多方式完成。关于质谱仪设计、能力和操作的广泛细节不在本手册的范围之内；但是，我们对一些普遍采用的仪器配置，包括MS/MS，进行了详细讨论。重要的具体操作参数包括质量标尺校准和分辨率。

图1 | 质谱系统的基本组成部分

作为仪器「螺母和螺栓」的组件以绿色表示。另外两个系统是所有系统的数据管理和计算机控制。圆框表示每种方法或MS系统的可能选择。

在本手册中，仪器按质量分析器的类型分类。每种情况下都有几种不同的电离选择和样品导入装置。

这种质谱仪仍然是临床实验室中最常用的，大多数GC-MS系统结合了四级杆分析器进行质量分离。四级杆分析器有四个极（电极），成对通电（呈方形阵列），每个极都有射频（RF）和直流（DC）电压。射频电压彼此相差180°，而直流电压的极性相反（见图2）。

图2 | 四极杆质量过滤器的图示

离子路径方向用阴影方块或圆表示。射频和直流适用于所有杆，两对相位相差180°。

离子将与电场相互作用，并遵循复杂的轨迹，因此在一组给定的电压下，只有一个m/z范围可以通过这个装置。这一功能特点导致这些分析仪被称为「质量过滤器」，因为它们「过滤」掉了大多数质量，只允许一个特定的离子通过任何定义的参数集（这有点类似于光学过滤器）。为了允许不同m/z值的离子通过，电压被连续或逐步地改变（即扫描）。

有两种常见的离子阱类型：离子回旋共振质谱仪，以及四极杆离子阱质谱仪。四极杆离子阱可进一步分为两类：三维离子阱和线性离子阱。离子阱在临床实验室中的应用并不常见，但在毒理学和治疗性药物监测中已经出现了一些。

所有的四极杆离子阱的工作原理与四极杆质量过滤器相同，但不是一次性通过分析仪，而是将离子捕获并在一个小区域内保持一段时间。一旦被捕获，就可以对储存的离子进行额外操作。

最基本的操作是根据离子的m/z值将其喷射到检测器中，通过这种方式，可以生成质谱。在某些情况下，规定的m/z值（或m/z范围）的离子被弹出而不被检测。这样做是因为离子阱的容量有限，而且经常会有「垃圾」离子填满阱，这会限制检测特别感兴趣离子的能力。

另一个重要的操作模式是，除了选定的m/z范围，其他的都不检测，直接排出。剩余的离子受到激发场和碰撞过程的影响，使其产生碎片。然后根据其m/z扫描出子离子。这就是串联质谱的一种形式。离子阱质谱仪是非常通用的设备，本节只描述了可用的扫描模式的一部分。

离子阱质谱仪的主要弱点是在定量分析方面。由于其容纳大量离子的能力有限，这些设备的动态范围是有限的。动态范围可以通过调整捕集器的填充时间来改善，当单一分析物的浓度在不同样品之间变化很大时，这种方法效果很好。

然而，当目标是同时分析宽动态范围内出现的多种离子时，这就不是最佳选择。因此，虽然离子阱可以用于定量，但它们更适合于发现、定性分析和结构表征。

图3 | 四极杆「三维」离子阱装置的图解

离子进入端盖和环形电极之间的单元并被捕获；当特定的离子从捕获器中喷出时，信号被记录。

在线性离子阱质谱仪中，离子被捕获在一组四极杆内。这是通过对四极杆的入口和出口施加透镜电压来实现的，同时施加射频电压在其周围形成一个径向屏障。离子被捕获在四极杆内，并可有选择地被喷射出来进行检测。

当线性离子阱是串联质谱仪的一部分时，它提供了离子阱质谱仪的优势（例如，全扫描灵敏度），MS碎片，和更高的分辨率。同时，它保留了串联质谱仪的特性，具有较宽的MS/MS质量范围，可以进行新的扫描，如选择反应监测（SRM）、真正的中性丢失和母离子扫描。由于线性离子阱的离子容量明显高于三维离子阱，因此也可以获得更好的灵敏度。

这种质量分析器在设计和概念上是最简单的，它在临床和生物医学研究实验室的应用正在迅速增长。这种技术在临床领域的应用主要集中在蛋白质生物标志物方面。

飞行时间（TOF）质量分离，如其名称所示，是基于对离子飞行或穿越特定路径长度所需时间的测量。TOF分析仪对所有离子施加相同的力。分离是基于质量（严格来说是其动能、质量和电荷），因为较轻的离子比较重的离子更早到达检测器。

许多TOF仪器现在加入了被称为「反射子」的装置，有时被称为「离子镜」。这有两个目的，首先，它们延长了离子的飞行路径，从而提高了分辨率。此外，反射镜对离子的飞行时间进行微调（聚焦），使其对每个m/z值离子的能量依赖性降低；这也提高了质量分辨率。

打个比方，考虑由两个保龄球手掷出的保龄球，一个快，另一个慢。反射器就像一个斜坡，位于球所经过的路径的末端。速度快的球在这个斜坡上走得更远，在上面花费的时间也更多；速度慢的球没有在斜坡上爬得那么远，在上面花费的时间也更少。慢球比快球走的距离更短；因此，最终到达目标的总时间与球是由强壮的还是弱小的保龄球手掷出无关。在坡道上花费的时间差弥补了慢球需要更长的时间来穿越平坦区域的事实。

在TOF质量分析器中，离子的动能是可变的，这导致了分辨率的损失。反射器的设计补偿了这种可变性，从而使得分辨率的提高。这对高质量的化合物，如蛋白质，特别重要。现代TOF质谱仪有几个优点，包括：

1)   几乎无限制的m/z范围；

2)   中高的分辨率；

3)   全质谱的高灵敏度；以及

4)   非常高的m/z精密度。

根据设计的细节，一个特定的仪器可能实现一个、几个或所有这些优势。一个潜在的缺点是动态范围有限，因为探测器在高离子电流下会出现饱和。

图4 | TOF MS的离子路径和用于聚焦离子束的反射器的说明

目前，这种类型质谱仪在临床实验室中的使用还很少，部分原因是体积、费用和使用的复杂性。然而，这种仪器的功能不应低估。一些在毒理学方面的应用已经被报道。

在这里，离子的分离是基于它们在磁性环境中的运动，这导致它们以不同的频率（回旋加速器频率）运行，取决于它们的m/z。获得一个时域信号，然后应用信号的傅里叶变换将时域波形转换成频谱。第二个数学运算将频谱转换为质量谱。

这些仪器用途广泛，展现了离子阱的所有功能，但提供了更高的分辨率（即在某些情况下 > 10^6）和质量精密度（约1百万分之一[ppm]）。（1 ppm的质量测量精密度相当于测量161公里的距离，误差为为16厘米）。

四级杆串联质谱仪是空间串联设备，因为质量分离发生在仪器内的一个物理距离上。离子阱也可以进行MS/MS实验（例如，子离子扫描），都是在同一台分析仪内进行。因为这些可以发生在同一空间，但在不同的时间，这些设备被称为「时间串联」。

图5 | 一个FTICR MS仪器的简化图

离子以不同的频率进入一个圆形路径。这些旋转的频率被检测出来，并通过数学方法转化为质量值。