质谱：微观世界的一杆秤

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在现代科学中，质量作为一个基本的物理量，对我们理解世界的运行机制至关重要。在日常生活中，我们采用秤进行质量称量；在科学实验中，我们使用天平进行更准确的质量称量，但是这些工具并不适用于微观尺度下的研究。

质谱就像是微观世界的一杆秤，可以帮助科学家去“称量”分子、原子的质量。

经过一个多世纪的发展，质谱已经被广泛用于物理学、化学和生命科学，甚至医疗诊断的研究。在历史上，质谱也对人类文明起到了举足轻重的作用，比如它曾被用于发现同位素和制备原子弹。本文将对质谱的“前生今世”进行简单介绍，希望可以让读者了解质谱的基本原理和应用场景。

乔亮

复旦大学化学系教授、博士生导师

微观世界的质量

在日常生活中，质量是一个非常常见的概念。我们通常使用的质量单位包括斤、两、千克（公斤）和克。千克和克是国际单位制中的标准质量单位，而斤和两在国内更为常见。这样的度量使我们能够轻松理解和比较物品的质量。例如，一个小西瓜大约是3斤，一本语文课本大约重300克。

然而，质量在微观世界中的定义却有所不同。宏观的质量单位在描述微观世界的原子和分子时显得过于庞大且不切实际。想象一下，如果我们用千克来描述一个原子的质量，那么这个数值会极其微小，甚至不值一提。为了描述微观世界的质量，科学家引入了道尔顿这一单位。

道尔顿以英国著名化学家约翰·道尔顿（John Dalton）的姓氏命名，用来表示原子或分子的质量。为了定义道尔顿这一单位，科学家选择了碳-12原子的质量作为基准，即碳-12原子质量的十二分之一定义为1道尔顿。碳-12原子是一种常见的碳同位素，含有6个质子、6个中子和6个电子。

在道尔顿单位体系下，其他元素或分子的质量通过与碳-12原子质量的比例关系来计算。如果我们将道尔顿与常用的千克对比，会发现它们之间的差异极大。例如，一个碳-12原子的质量大约为2×10-26千克。

碳-12原子结构示意图

质谱的基本概念和技术发展

微观世界中的质量测量依赖于质谱（MS）。质谱是一种通过测量物质的质荷比（m/z）来分析和鉴定物质成分的分析方法。质谱仪依赖于将样品电离并使其成为带电粒子，然后通过电场和磁场控制这些粒子，在测量其运动轨迹的过程中获取相关的质荷比信息。

质谱在物理、化学、生物和医学等多个领域有着广泛应用，尤其在分子分析、同位素研究和结构解析方面显示出其强大的优势。

质谱的起源可以追溯到20世纪初。1912年，英国物理学家约瑟夫·汤姆孙（Joseph Thomson）在研究阳极射线的过程中首次提出了质谱的基本原理。他通过施加一个电场，成功地使不同质量的离子发生了不同程度的偏转，进而实现了离子的分离，并为一系列同位素的发现提供了实验依据。汤姆孙为质谱的诞生奠定了基础。

随后，质谱开始用于研究元素和同位素。在接下来的几十年里，质谱逐渐成熟，成为化学和物理学领域中用于分析元素组成的重要工具。

1922年，汤姆孙的同事兼助手弗朗西斯·阿斯顿（Francis Aston）因使用质谱仪发现多个元素的稳定同位素而获得诺贝尔物理学奖。到20世纪40年代，质谱被应用于核物理和核能领域。尤其在“曼哈顿计划”中，质谱被用来分离铀同位素，为原子弹的制造提供了关键的技术支持。这个时期的质谱仪设计和技术发展为后来的应用打下了坚实的基础。

进入20世纪后期，随着科技的不断进步，质谱的应用逐步扩展到了生命科学和医学领域。20世纪80年代，随着大分子软电离技术和高分辨率质谱仪的问世，质谱开始广泛应用于蛋白质组学、代谢组学等领域，成为了解生命体内复杂生物分子组成的强大工具。

汤姆孙在1912年使用的阳极射线分析装置

质谱的工作原理

质谱的工作原理可以通过三个主要步骤来描述：离子化、离子分离和离子检测。

首先，样品中的分子或原子需要通过离子化过程转化为带电粒子。离子化是质谱检测的第一步，科学家通过不同的离子化方法，如碰撞电离、化学电离、电喷雾电离和基质辅助激光解吸电离等，来获得带正电或负电的离子。这些离子化过程的目的在于让分子或原子能够在电场或磁场中运动，从而使它们的质量可以被准确测量。

20世纪80年代末发展的大分子软电离技术包括电喷雾电离和基质辅助激光解吸电离，使得蛋白质等生物大分子可以形成稳定的分子离子，从而用于质谱分析，推动了蛋白质组学等生命分析学科的发展，日本科学家田中耕一（Koichi Tanaka）和美国科学家约翰·芬恩（John Fenn）也因此获得了2002年诺贝尔化学奖。

电喷雾电离示意图

反射式飞行时间质谱原理示意图

一旦分子转化为带电粒子，它们便进入到质量分析器（质谱仪的核心部件）中进行检测。当前常用的质量分析器主要包括四级杆质量分析器、飞行时间质量分析器、静电轨道阱质量分析器、傅里叶变换离子回旋共振质量分析器和磁质量分析器等。

以常用的飞行时间质谱为例，分子在电离之后进入质谱仪的加速电场中，加速电场使离子获得动能，带电离子在电场的作用下加速并被送到一个无场飞行区。在相同的加速电场下，质荷比大的离子飞行速度慢，而质荷比小的离子飞行速度快，通过测量飞行时间可以得到飞行速度，进而可以对离子的质荷比进行测量。

质谱仪的最后一步是检测。离子在经过质量分析器分离后，会到达质谱仪的检测器。检测器能够捕捉不同离子的信号，并将其转化为可以分析的数据。在静电轨道阱和傅里叶变换离子回旋共振质谱中，科学家通过测量感应电流对离子进行测量并得到数据。这些数据反映了离子的质荷比、相对丰度，科学家根据这些数据进一步解析样品的分子结构和成分。

质谱在生命科学和现代医学中的应用

质谱的精确性和高分辨率使其成为分析微小物质的强大工具。在很多科学研究领域，尤其对于大分子、生物样本和复杂化合物的分析，质谱已成为不可或缺的分析工具。

我国的质谱学发展相比于欧美国家较晚，但在很多前辈科学家的推动下，我们目前也已经逐步掌握各种质谱核心技术，并生产出了性能优异的四级杆质谱、飞行时间质谱和离子阱质谱。作为前沿高端分析仪器，质谱仪的发展对于推动我国在多学科领域的进展至关重要。

近年来，质谱在生命科学中的应用尤其重要。生物体内有着数以百万计的分子，这些分子不仅决定了生命的结构和功能，也在体内的各个生理过程中发挥着关键作用。质谱通过对蛋白质、核酸、代谢物等生物分子进行分析，帮助科学家深入理解生命的基本机制。

例如，在蛋白质组学中，质谱发挥着不可替代的作用。蛋白质组学是研究生物体内所有蛋白质的表达、结构、功能和相互作用的学科。利用质谱，研究人员能够快速对样本中的大量蛋白质进行定性、定量研究，揭示其在生物体内的功能。质谱使得蛋白质的分析更加高效、全面，这对生物学研究及其临床应用具有巨大的推动作用。

质谱在医学诊断中的应用也越来越广泛。例如，在癌症的早期诊断中，质谱能够通过血液或组织样本分析，快速检测到与癌症相关的生物标志物。此外，质谱还广泛应用于新生儿代谢缺陷筛查、药物代谢动力学研究和病原微生物检测等，为医学提供了强大的诊断工具。

结语

随着科技的不断进步，质谱的前景广阔。未来，质谱仪将朝着智能化和自动化的方向发展。结合人工智能和大数据分析，未来的质谱仪不仅能够快速地处理和分析样品，还能够在几分钟内生成准确的分析结果，并通过智能算法进行数据分析。

质谱在个性化医疗方面也有望发挥重要作用，定制个性化的治疗方案。质谱不仅能够辅助诊断疾病，还能预测疾病的发生和发展，甚至在疾病尚未表现出症状之前就实现早期预警。

我们有理由相信，随着质谱的不断发展，它将在生命科学、临床医学、环境保护等领域发挥越来越重要的作用，成为未来科学研究的核心技术之一。

-本文刊载于《世界科学》杂志2026年第8期“大家·科技前沿”栏目；文章根据笔者在上海市科学技术普及志愿者协会主办的“海上科普讲坛”上的报告撰写而成-

文章转载自"世界科学"公众号