质谱仪

质谱仪（英语：mass spectrograph;mass spectrometer；^[9]mass spectrometry，^[10]缩写：MS）^[10]是利用运动离子在电场和磁场中偏转原理设计的检测并记录物质离子质量-电荷比(质荷比，m/z)的分析仪器。^[11][12][8]离子在磁场中的运动轨迹与质荷比有关，质荷比越大，轨迹的曲率半径就越大。利用这个特点就可将混合物分离，按质荷比的大小排列，以此作为分析的依据。^[13]这些不同离子具有不同的质量，通过在磁场中的作用，质量不同的离子到达检测器的时间不同，从而形成质谱图。^[14]这种分析方法可以实现对物质的分离和检测，是一种广泛应用的分析方法。质谱仪的发展始于20世纪初，由哥德斯坦（Goldstein）、汤姆孙（Thomson）和阿斯顿（Aston）等人的开创性工作推动了技术的进步。^[15]

质谱仪种类很多，按应用范围可以分为同位素质谱仪、无机质谱仪、有机质谱仪和生物质谱仪；^[16]按照分辨率大小分类有高分辨质谱（R≥50000）、中分辨质谱（R=10000～50000）和低分辨质谱（R≤10000）。^[17]按照离子源类型分类有电子轰击质谱、电喷雾质谱、快原子轰击质谱和基质辅助激光诱导解析电离质谱等；按照质量分析器分类有磁质谱、离子阱质谱和飞行时间质谱等。^[18]

质谱法具有灵敏度高、分析速度快、信息量大、应用范围广等特点，^[8]在化学领域，被广泛应用于物质成分分析、原子量和分子量测量；^[5][6]在物理领域，质谱仪用于同位素分离和测量，^[5][6]还可用于制作原子探针；^[7]在医学领域，质谱仪可用于微生物鉴定、临床监测呼吸气体等；^[2][4]在生物领域，质谱仪可以为蛋白质、DNA等生物分子的测定提供技术支持；^[2][19][20]在太空探秘领域，“好奇号”火星车上装载的气相色谱-质谱仪（GC-MS），分析出火星上曾经有广泛的微生物的活动。^[3]

1886年德国物理学家哥德斯坦在低压放电管中发现了阳极射线。1898年英国物理学家汤姆孙证明了阳极射线是带正电的离子流。为了继续研究阳极射线的性质，1910年他提出了测定带正电粒子的抛物线方法，并制成了一台测定带正电粒子质荷比的仪器，这就是人类设计的第一台质谱仪器。汤姆孙的学生，英国化学家、物理学家阿斯顿将这台质谱仪器做了改进，得到了质谱学史上第一张分子质谱图。他们还用这台仪器发现了氯是由两种质量的粒子20Ne和22Ne组成的。这一发现首次证明自然界中存在着稳定同位素。^[15]1919年FrancisAston研制成新式质谱仪，并用其发现了多种元素都有同位素，研究了53个放射性元素，发现了天然存在的287种核素中的217种，并第一次证明原子质量亏损。因此他荣获了1922年的诺贝尔化学奖。^[10]1920年，阿斯顿正式给出了“质谱仪”（mass spectrometer）的名词。^[15]

早期的质谱仪主要是用来进行同位素测定和无机元素分析，到了20世纪20年代，质谱逐渐成为一种分析手段，并被化学家采用；20世纪30年代，离子光学理论的快速发展有力地促进了质谱学的发展，开始出现了如采用双聚焦质谱分析器的灵敏度、高分辨率的仪器。从20世纪40年代开始，质谱广泛用于有机物质分析。20世纪50年代出现了第一台用于石油分析的商品化质谱仪，进入20世纪60年代质谱分析出现了气相色谱－质谱联用仪，使质谱仪的应用领域大大扩展，开始成为有机物分析的重要仪器。后来计算机的应用又使质谱分析法发生了飞跃变化，使质谱技术更加成熟，使用更加方便。20世纪80年代以后又相继出现了如快原子轰击电离子源、基质辅助激光解吸电离源、电喷雾电源、大气压化学电离源等新的质谱技术，以及随之而来的比较成熟的液相色谱－质谱联用感应耦合等离子体质谱仪、傅里叶变换质谱仪等。这些新的电离技术和新的质谱仪使质谱分析又取得了长足进展。自20世纪90年代初，随着新的离子化技术的出现，生物质谱得到了飞速发展，主要用于测定如多肽、蛋白质、核酸、多糖等生物大分子的结构以及多肽和蛋白中氨基酸序列的测定。^[10]

质谱仪是采用多种离子化技术将处于气态的样品分子离子化后经加速进入磁场中，在高压电场作用下，质量为m的正离子在磁感应强度H的磁场作用下作垂直于磁场方向的圆周运动，其动能与加速电压（V）和电荷（z）有关，公式为：^[8]

式中，z为离子的电荷数；m为离子的质量；v为离子被加速后运动的速率。具有速率v的带电粒子进入质量分析器的电场中，根据所选择的分离方式实现各种离子按照质荷比（m/z）大小进行分离。^[8]

质谱仪种类多样，但基本结构相同，主要包括进样系统、离子源、质量分析器、检测器以及真空系统这五个部分，其中离子源和质量分析器是质谱仪的核心部分。^[21]

质谱仪工作的一般流程是：组分构成简单的样品直接通过进样系统进入质谱仪；当样品为较复杂的混合物时，则先利用分离技术（如气相色谱或液相色谱）对样品组分进行分离，再由进样系统导入质谱仪。当样品进入质谱仪后，会在离子源的作用下被电离，转化为气相的带正电阳电离子或带负电阴离子。生成的离子经适当加速后进入质量分析器，由于其不同的质荷比发生分离，随后依次到达检测器。检测器会将检测到的离子流转化放大为电信号记录下来，并转换为以质荷比为横坐标、相对强度为纵坐标的质谱图。^[21]

为了适应不同形态样品的分析要求，人们利用气体放电、粒子轰击、场致电离，离子-分子反应等机理，发展了数十种离子源，使样品中的原子（分子）电离成为离子（正离子、负离子、分子离子、碎片离子、带电荷离子、多电荷离子），并将离子加速，聚焦成为离子体，以便送进质量分析器。^[22]常见的离子源有以下几种：^[20]

电子轰击：电子轰击是首先将样品在真空中加热到气相，然后用电子流轰击样品分子，使样品电离。EI源（一般是70eV）结构简单，温度控制简便，电离效率高，灵敏度高，所产生的离子种类十分丰富，包含了分子结构的大量信息，且电离稳定性和谱图重现性好，因此，常被用作标准质谱图的离子化方法。由于EI源需要在气相中轰击分子，因此EI源不适用于热不稳定或难挥发的化合物。^[20]

化学电离：化学电离是通过离子与分子的反应而使样品离子化的。由于采用CI源离子化而得到的分子离子上的过剩能量要小于EI源，所以CI源离子化产生的分子离子较稳定，碎片离子则较少。采用CI离子化方法的前提是样品必须处于气态，因此主要用于气相色谱-质谱联用仪，适用于易气化的有机物样品分析，热不稳定和难挥发的样品不能采用CI源离子化。^[20]

快原子轰击：快原子轰击（FAB）是由电场中的高速电子轰击性气体（如氟气或氩气），使其电离并加速成快速离子，电离过程不必加热气化，适合于分析大分子量、难气化、热稳定性差的样品。一般氙xiān原子的能量范围是6~9keV（580~870kJ/mol）。轰击后使能量从氙原子（或氩yà原子）转移到基质（如丙三醇、硫代甘油、硝基苯醇或三乙醇胺），导致分子间键的裂解、样品解吸附到气相中。FAB与EI源得到的质谱图区别很大，其一是它的分子量信息不是分子离子峰M，而是[M+1]+（又为[M+H]+）或[M+Na]+等准分子离子峰；其二是碎片离子峰比EI谱少。^[20]

基质辅助激光解析电离：MALDI在原理上与FAB相似，是一种结构简单、灵敏度高的电离源。其原理是利用一定波长的脉冲式激光光束照射样品，基质分子能够有效地吸收激光的能量，使基质分子和样品投射到气相并得到电离。基质的主要作用是作为能量传递的中间体，通常基质与样品的质量比为10000:1，超过量的基质能有效分散样品，减小样品分子间的相互作用。MALDI法适用于一些生物大分子（分子量在10万这个级别），一般仅作为飞行时间分析器的离子源使用。^[20]

场致电离法：FI是气态分子在强电场作用下发生的电离，在高能电场的作用下，将样品分子中的电子吸到阳极上去，这样形成的分子离子的过剩能量较少，没有过多的剩余热力学能，减少了分子离子进一步裂解的概率，增加了准分子离子峰的强度，碎片离子峰相对减少。^[20]

场解吸法：FD检测过程不需要气化，而是将样品吸附在阳极表面沉积成膜，然后将其放入场离子化源中，电子将从样品分子中移向阳极，同时又由于同性相斥，分子离子便从阳极解吸下来而进入加速室。FD适宜于不挥发且热稳定性差的固体样品，如肽类化合物、糖、高聚有机酸盐、有机金属化合物等。^[20]

大气压电离：API主要是应用于高效液相色谱（HPLC）和质谱联机时的电离方法，试样的离子化在处于大气压下的离子化室中进行。它包括电喷雾电离和大气压化学电离。APCI主要用来分析中等极性化合物。有些待测物由于结构和极性影响，通过ESI不能产生足够强的离子，采用APCI的方式能够增加离子产率，作为ESI的补充。APCI电离产生的多为单电荷离子，要求待测物的分子质量一般小于1000u。^[20]

大气压光电离源：20世纪末出现的API家族新成员，由于独特的原理及应用优势，日渐成为研究热点，那些通过ESI、APCI不易电离的弱、非极性有机物，受光子激发后可能发生电离，APPI正是利用了这一性质，在APCI基础上，以紫外光源代替放电针。在低流速（100～200μL/min）下，光源发射的光子与目标分子相互作用导致光电离。^[23]

电喷雾：ESI是试样溶液从具有雾化气套管的毛细管端流出，并在雾化气（一般为氮气）的作用下分散成微滴。微滴在增大的过程中表面电荷密度逐渐增大，当增大到某个临界值时，离子就可以从表面蒸发出来。由于在电喷雾中使用的混合溶剂也常作为反相液相色谱的溶剂，因此电喷雾常与液相色谱结合形成液质联用（LC-MS）。ESI是一种软电离方式，即使分子质量大、稳定性差的化合物在电离过程中也不会发生分解，适合于分析极性强的大分子有机化合物，如蛋白质、肽、糖等。ESI的最大特点是容易形成多电荷离子，可以检测分子质量在300000u以上的蛋白质。^[20]

电喷雾解吸电离源：DESI前期同ESI，但是将样品放置在聚四氟fú乙烯的固相表面上，ESI生成的呈喷雾状的带电小液滴被喷射到样品表面，液滴中含有的溶剂立即对待测物进行萃取，溶解后，液滴从表面反弹形成更加细小的液滴，导致溶剂快速蒸发，而电荷残留在待测物分子中，使其气相离子化。电喷雾与以上各种方式有明显区别，无须进行样品预处理，常压下在相对开放的空间内能对固体表面的痕量物质进行快速质谱分析，是原位、实时、在线、非破坏、高通量、低耗损、无污染的质谱学方法。^[23]

质量分析器的作用是将离子源产生的离子按照质荷比的大小分开。理想的质量分析器应该能分开质荷比相差很小的离子，使质谱仪具有较高的分辨率，而且能产生强的离子流使质谱仪具有较高的灵敏度。^[22]质量分析器的种类繁多，常用的有磁式质量分析器、四极杆分析器、飞行时间质量分析器、傅立叶变换离子回旋共振分析器四种。^[20]

磁式质量分析器：利用洛伦兹现象进行质量分离的。磁式质量分析器有单聚焦质量分析器和双聚焦质量分析器两种，离子进入分析器后，由于磁场的作用，其运动轨道发生偏转，改做圆周运动。单聚焦分析器结构简单、操作方便但分辨率很低，不能满足有机物分析要求。双聚焦质量分析器是在扇形磁场前加一扇形电场，质量相同而能量不同的离子经过静电场后会彼此分开。而质量相同的离子，经过电场和磁场后可以会聚在一起。另外质量的离子会聚在另一点。改变离子加速电压可以实现质量扫描。双聚焦分析器的优点是分辨率高，缺点是扫描速度慢，操作、调整比较困难，而且仪器造价也比较昂贵。^[20]

四极杆分析器：四极杆分析器由4根平行的棒状电极组成，其不用磁场便将从离子源出来的离子流引入由四极杆组成的四极场。电极材料是镀金陶瓷或钼mù合金，在电极上加一个直流电压和一个射频电压。离子从顶端通过圆孔进入高频电场，离子束在与棒状电极平行的轴上聚焦，相对2根电极间加有电压，另外2根电极间加有负电压，对于给定的直流和射频电压，特定质荷比的离子在轴向稳定运动，其他质荷比的离子则与电极碰撞湮灭。四极杆分析器对选择离子分析具有较高的灵敏度，其极限分辨率可达2000u，主要优点是传输效率较高、快速进行全扫描，并且制作工艺简单，常用于需要快速扫描的GC-MS联用及空间卫星上进行分析。^[20]

飞行时间质量分析器：飞行时间质量分析器既不用电场也不用磁场，核心部分是一个离子漂移管。经电离的离子流从离子源引入离子漂移管，其原理是用一个脉冲将离子源中的离子瞬间引出，离子在加速电压V的作用下得到相同动能而进入漂移管。质荷比最小的离子因具有最快的速度而首先到达检测器，质荷比最大的离子则最后到达检测器。飞行时间质量分析器的主要特点是质量范围宽、扫描速度快、仪器体积小，但分辨率、重现性、质量鉴定方面不及其他质量分析器。^[20]

傅立叶变换离子回旋共振分析器：傅立叶变换离子回旋共振分析器的分析室是一个置于均匀超导磁场中的立方空腔，采用线性调频脉冲来激发离子，离子会从射频吸收能量，在一定强度的磁场中做圆周运动。离子运行轨道受共振变换电场限制，运动速度不同的离子将以同一频率而不同的半径运动。当变换电场频率和回旋频率相同时，离子稳定加速，运动轨道半径越来越大，动能也越来越大，变成螺旋运动。当电场消失时，沿轨道飞行的离子在电极上产生交变电流。经过一段时间的相互作用后，所有离子都做相干运动，产生可被检出的信号。其主要优点为分辨率极高、分析灵敏度高、多级质谱功能，其测量精度能达到10-3u，对分析元素组成非常重要。^[20]

质谱的样品导入系统有直接进样、色谱联用导入、储气器导入和微流芯片进样四种进样类型。^[20][24]

直接进样：直接进样系统是直接用进样杆的尖端装上少许样品进入离子源。进样杆（也称探针杆）是一直径为6mm、长为25cm的不锈钢杆，一端装有手柄，另一端装有盛放样品的石英坩gān埚、黄金坩埚或铂坩埚。对于易挥发的样品，可采用加热进样法进样。对于难挥发但可采用加热及抽真空的方法使其气化的样品，或者对于难挥发但可通过化学处理制成易挥发的衍生物的样品，也可以采用加热进样法进样。加热进样法需样品量约为1mg。对于不易挥发，且热稳定性差的样品，为了得到较完整的质谱信息，往往采用直接进样法，以便于与相应的离子化方法配合。^[20]

色谱联用导入：有机质谱仪能与色谱仪连接组成气相色谱-质谱、高效液相色谱-质谱联用系统。色谱仪作为分离工具及质谱仪的进样系统，由色谱柱流出的样品，除去流动相后进入质谱仪，而质谱仪则成为色谱仪的检测器。色谱联用导入样品适用于对多组分分离提纯后的组分分析，一般采用小分离柱色谱，如气相色谱-质谱中常用毛细管色谱。^[20]

储气器导入：主要包括储气器、加热器、接口及真空连接系统。通过可拆卸式样品管将少量样品引入样品储气器中，样品被加热汽化，通过分子漏孔，以分子流形式渗入高真空的离子源中。该法可在较长时间给离子源提供较稳定的样品源干仪器质量标定用标准样品的进样。^[24]

微流控芯片进样：微流控芯片又称微全分析系统或芯片实验室，是新型的、可以在微小尺寸芯片上集成化学和生物等领域所涉及的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元，以微通道形成网络，贯穿整个系统，用以取代常规化学或生物实验室的各种功能的一种技术平台。微流控芯片可以实现小体积样品的电泳分析、拉曼光谱分析等，通过对微流控芯片前端出样口的处理，使出样口大小满足电喷雾要求后，将样品置于高压电场中，完成样品的电喷雾电离，实现了微流控和质谱仪联用。^[24]

质谱仪的检测器主要使用电子倍增器，也有的使用光电倍增器。由分析器来的离子打到电子倍增器产生电信号，信号增益与倍增器电压有关，提高倍增器电压可以提高仪器灵敏度，但同时会降低倍增器的寿命，因此，应该在保证仪器灵敏度的情况下采用尽量低的倍增器电压。由倍增器出来的电信号被送入计算机储存,这些信号经计算机处理后可以得到总离子色谱图、质谱图和其他各种信息。^[25]

质谱仪的离子源、质量分析器和检测器等均需在真空状态下工作（离子源真空度应达1.3×10-4~1.3×10-5Pa，质量分析器和检测器真空度应达1.3×10-6Pa）。若真空度过低，则会造成离子散射和残余气体分子碰撞而引起能量变化，本底增高和记忆效应，副反应过多，从而使谱图复杂化。^[8]因此，质谱仪都必须有真空系统。一般真空系统包括机械真空泵、扩散泵和涡轮分子泵。由于扩散泵启动慢，并且有时有油本底干扰，因此，涡轮分子泵使用比较普遍。^[25]

质谱仪有几个典型的性能指标。^[26]

质量测量范围：质量测量范围反映了质谱仪的适用范围。由于质谱仪自身测量原理和设计结构的限制，各类质谱仪都有特定的测量范围。^[26]

信号噪声比：信号噪声比反映了测量仪器的本底水平。质谱仪或质谱测量系统的稳定性越高，由此产生的电子学噪声就会越低。影响质谱仪的信号噪声比的因素比较多，如方法学的限制、测量环境的影响、仪器机械性能的稳定性、供电系统的稳定性、信号收集的响应效率等。^[26]

灵敏度：灵敏度通常用原子/离子的转换效率来定义，即用接收器接收到的离子数除以进入离子源的样品原子总数所得的百分数。灵敏度取决于离子源的电离效率，以及离子在离子源、分析器的传输效率和接收器的接收效率。^[26]

丰度灵敏度：丰度灵敏度是指质量数为M的离子峰AM与它在质量数M+1或M-1位置的离子拖尾峰AM+1或AM-1之比的倒数，即或。丰度灵敏度反映了仪器的聚焦性能和分辨率，也与测量时的真空度相关。^[26]

分辨率：分辨率指的是质谱仪区分测量某核素与其他不同质量核素的能力参数。有两种常用方法来定义。^[26]

（1）10%峰谷定义：若两个等高质谱峰M及在质谱图中分离，其峰谷（两峰相连的谷的高度）为峰高的10%，则分辨率，式中，M为第一个峰的值（或者两个峰的平均值）；为两个峰值的差。这里m代表被测离子的质量数，Z代表被测离子的电荷态数。^[26]

（2）半峰宽定义：分辨率表示同10%峰谷定义，即，但M代表峰的值，为半峰宽的的差值。^[26]

精密度：精密度（或称精度）是指在规定条件下所获得独立测量结果之间的一致程度。单次进样测量结果的标准偏差称为内精度；重复进样测量结果的标准偏差称为外精度。内精度主要反映仪器性能，外精度由仪器性能和施加的测量条件决定。外精度通常大于内精度。^[26]

质谱仪按应用范围可以分为同位素质谱仪、无机质谱仪、有机质谱仪和生物质谱仪。^[27][16]

同位素质谱仪：主要是用来测定样品中（核素）同位素的相对丰度。几种典型的同位素质谱仪如下图所示。同位素质谱仪已经广泛地应用于科学研究、经济工业、国防安全等许多领域。^[27]

无机质谱仪：无机质谱仪检测的目标是微量的无机元素，如土壤中重金属元素污染的测定。主流的无机质谱仪常采用四极杆质量分析器，主要是以电感耦合高频放电（ICP）将待测物进行离子化。这样的ICP-MS的谱线简单易认，可以同时测量多种元素，灵敏度与精度均很高，广泛用于地质学、矿物学、重金属测定、核工业、环境监测等领域。按照不同的离子化方式，无机质谱仪还有火花源质谱仪、辉光放电质谱仪、离子探针质谱仪、激光探针质谱仪等。^[27]

有机质谱仪：有机质谱仪能够提供化合物的相对分子质量、官能团结构等信息，主要用于有机化合物的定性和定量测量。有机质谱仪与无机质谱仪的工作原理有所不同，区别在于离子化的方式不一样，质量分析器部分可能是相同的。有机质谱仪通常与气相色谱、液相色谱等技术联用，将复杂的有机混合物分离成纯组分再进入质谱仪，解决了质谱只能分析纯品的弊端，充分发挥了质谱仪的分析速度快、灵敏度高的特长。有机质谱仪广泛用于食品安全、环境监测、生命科学、药物代谢、医疗卫生、石油化工、新能源、新材料等前沿领域，以及空间技术和公安刑侦等特种分析领域。^[27]

生物质谱仪：由于生物样品极不稳定，致使电子轰击电离（EI）、化学电离（CI）等传统电离技术不能发挥作用。因此生物质谱仪应运而生，它是液相色谱-电喷雾-四极杆飞行时间串联质谱（LC-ESI一MS-MS）与带有串联质谱功能的MALDI-TOF质谱仪，前者是在传统的电喷雾质谱仪的基础上采用飞行时间质量分析器代替四极杆质量分析器，大大提高了仪器的分辨率、灵敏度和质量范围，其商品名有Q-TOF和Q-STAR等；后者是在质谱中加入了源后降解模式或碰撞诱导解离模式，从而使生物大分子的测序成为可能。^[19]

质谱仪按照分辨率大小分类有高分辨质谱（R≥50000）、中分辨质谱（R=10000～50000）和低分辨质谱（R≤10000）。^[16][17]利用高分辨质谱仪可得到离子的精确质量并确定相应的元素组成，而低分辨仪器只能给出离子质量的整数值。一般而言，双聚焦磁质谱仪的分辨力达到10000～100000，而傅里叶变换离子回旋共振质谱仪的分辨力可高达10000～1000000。高分辨质谱不仅能确定化合物的分子式，而且还能确定质谱测定过程中生成的碎片离子的分子组成，由此对分子结构的确定具有重要的作用。广泛应用于小分子及生物大分子等领域定性定量分析。^[28][17]

质谱仪按照离子源类型分类有电子轰击质谱、电喷雾质谱、快原子轰击质谱和基质辅助激光诱导解析电离质谱等；按照质量分析器分类有磁质谱、离子阱质谱和飞行时间质谱等。^[18]

质谱仪常应用在无机化学和核化学方面，如样品是挥发性低的物质，可采用高频火花由质谱法测定；如样品呈粉末状，可和镍niè粉混合压成电极。此法对合金、矿物、原子能和半导体等工艺中高纯物质的分析极有价值，可检测出含量为亿分之一的杂质。^[5]

同位素分析：自然界中同一种元素的原子核内质子数总是相同的，所以核电荷数也相同；但中子数可以不同，因而原子的质量就可以不同。这些具有相同核电荷数不同质量数的原子叫做同位素。同一种元素的各种同位素的化学性质相同，所以用化学方法不可能识别它们。但是，由于它们的原子量不同却可以用物理的方法来识别它们，质谱仪就是一种用来分析同位素的有力工具。^[6]

原子探针：Muiller和Panitz在1967年设计了第一台原子探针，它是在场离子显微镜后附加一台质谱仪。这种仪器可以鉴别场离子像中单个原子的种类。原则上，可用任何类型的质谱仪，但实际上大部分选用飞行时间质谱，有时也选用磁偏转扇形型质谱。^[7]

由于生物大分子如蛋白质、酶、核酸和多糖等具有非挥发性、热不稳定性且相对分子质量大等特性，使传统的电离子轰击、化学离子源等电离技术的应用受到极大限制。20世纪80年代出现的软电离技术，使生物大分子转变成气相离子成为可能，从而开创了质谱分析研究生物大分子的新领域，使质谱更适合于分析生物大分子聚合物，如蛋白质、核酸和糖类。软电离技术大大拓展了质谱的测定范围，改善了测量的灵敏度，并在一定程度上解决了溶剂分子干扰等问题。软电离质谱主要包括电喷雾电离质谱、基质辅助激光解吸电离质谱、快离子袭击质谱、离子喷雾电离质谱、大气压电离质谱等。^[2]

微生物鉴定：快速准确鉴定细菌、真菌、病毒是临床微生物学、食品微生物学以及诊断微生物学领域中的基本要求。然而传统的细菌及真菌的鉴定仍然主要依赖于耗时、费力的微生物培养方法，鉴定通常要数小时至数十小时才能完成。质谱技术的出现为病原微生物的鉴定开创了一种新的方法，质谱分析技术的灵敏、快速、准确、可靠和高通量也推动了冰原微生物鉴定的发展。^[2]

肿瘤标志物分析：肿瘤标志物是指由肿瘤产生，存在于血液、细胞、组织或体液中，可反映肿瘤存在和生长的一类物质。由于在大多数情况下肿瘤标志物的含量非常低，因此对检测方法的要求较高，而生物质谱是一种快速、高效能、高灵敏度的多组分的分离方法，且具有灵敏度高、选择性强、准确性好等优点，其适用范围远远超过现有的常规检测方法。目前质谱技术已广泛应用在多种肿瘤疾病中生物标志物的寻找和筛选领域，如乳腺癌、肺癌、肝癌、结直肠癌等，通过质谱技术对不同肿瘤患者体液中的内源性物质进行分析检测，进而获得专属性诊断标志物的分析结果。^[2]

治疗药物浓度监测：液质联用技术在临床中可以用来进行治疗药物监测。对于一些治疗窗范围较窄的药物如免疫抑制剂、抗癫痫药、抗抑郁药、强心苷gān等，进行患者血药浓度监测，及时调整药物剂量，以达到最佳治疗效果，避免发生不良反应，实现个体化治疗目的。相较经典的免疫化学技术和HPLC分析，HPLC-MS技术的定性定量功能更为灵敏、准确、精密、可靠、快速；测量范围更为广泛，几乎可以用于所有临床药物的检测。^[2]

临床监测呼吸气体：质谱仪的问世，为临床提供了监测呼吸气体的自动体系，可以为多达12个病人的吸入和呼出气体浓度，进行实时和非侵入性测定，展示氧，二氧化碳和氮的分压，并按预定时间（每10～60分钟一次）记录。呼吸气体监测能比血液气体分析更早发现呼吸功能的改变。当终末潮气超逾预定限度时，即有听觉和视觉警报发出。^[4]

“好奇号”火星车上装有气相色谱-质谱仪（GC-MS），通过对火星富铁矿物中生物标志物（脂肪酸）的分析，表明火星上曾经有广泛的微生物的活动。^[3]