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，再利用電場和磁場使發(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)譜儀開始主要是作為一種研究儀器使用的，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，不能通過密度測量來精確測定，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，可測分子量范圍越來越高，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器的高性能磁質(zhì)譜配合使用，可測分子量可達(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）。
④電噴霧（electro spray，electrostatic spray，ion spray）把分析樣品通過常壓電離源，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，通過對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。
(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，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)，可測的分子量上限大約為8000amn，缺點(diǎn)是流速需要0.12ml/min，對于質(zhì)譜分析來說仍嫌太大。
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）通過它與質(zhì)譜連接起來。最近藉此把毛細(xì)管區(qū)帶電泳與質(zhì)譜連接起來也取得了成功，實(shí)現(xiàn)了高靈敏度（10～15mol），高分離效力（25萬理論塔板數(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，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，而且由于把電離過程和斷裂過程分離開來，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，從而大大提高檢測極限。
串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)對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)，可使分子離子通過與反應(yīng)氣體的碰撞來產(chǎn)生斷裂，因此能提供更多的結(jié)構(gòu)信息。
近年來把質(zhì)譜分析過程中的電離和碰撞斷裂過程分離開來的二維測定方法發(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中回旋共振，通過傅里葉變換得到這些離子的質(zhì)量譜，這種譜儀過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，性能不能過關(guān)。近年來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)5萬左右，分辨力也可達(dá)1萬。
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)間和空間上分離開來，分別用二個(gè)激光器進(jìn)行解吸和電離。使用紅外激光器來實(shí)現(xiàn)整分子氣化，使用可調(diào)諧的紫外激光器對電離過程實(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。