摘要
质谱定量分析通过测定目标化合物的离子丰度并结合标准物质校准，实现复杂基质中痕量物质的高精度定量。本文系统阐述质谱定量的物理化学基础，对比内标法、外标法等核心方法的技术特性，分析其在环境监测、生物医药等领域的应用场景，并探讨当前技术面临的基质效应、仪器漂移等挑战。研究表明，质谱定量凭借高特异性离子识别与同位素稀释技术，已成为现代痕量分析的基准方法。
一、质谱定量分析的物理化学原理
离子化与质荷比分离的基础机制
质谱定量的核心在于目标分子（Analyte）在离子源中转化为气相离子的过程。以电喷雾离子化（ESI）为例，样品溶液在高电压下形成带电液滴，经溶剂蒸发与库仑爆炸产生单电荷或多电荷离子，其质荷比（m/z）由公式 m/z=em−ne 确定（m 为分子质量，n 为电荷数，e 为单位电荷）。在分析器中，离子按 m/z 差异分离，最终由检测器记录离子流强度，该强度与样品浓度呈线性关系（Syka et al., 2010）。
质谱定量的核心在于目标分子（Analyte）在离子源中转化为气相离子的过程。以电喷雾离子化（ESI）为例，样品溶液在高电压下形成带电液滴，经溶剂蒸发与库仑爆炸产生单电荷或多电荷离子，其质荷比（m/z）由公式 m/z=em−ne 确定（m 为分子质量，n 为电荷数，e 为单位电荷）。在分析器中，离子按 m/z 差异分离，最终由检测器记录离子流强度，该强度与样品浓度呈线性关系（Syka et al., 2010）。
定量信号的分子离子特征
分子离子峰（Molecular Ion）：适用于极性小分子直接定量，如血液中药物浓度监测；
特征碎片离子（Fragment Ion）：通过串联质谱（MS/MS）监测特定母离子 - 子离子对（如 MRM 模式），可消除基质干扰。例如，在二噁英分析中，监测 m/z 321.8→257.8 的碎片离子对，可将脂质基质干扰降低 90% 以上（Zhang et al., 2018）。
二、质谱定量分析的方法学体系
（一）内标法：同位素稀释技术的精准定量策略
同位素内标（Isotope Dilution, ID）的校正机制
通过加入稳定同位素标记物（如 13C、2H 标记的目标化合物），利用其与待测物在提取、离子化过程中的行为一致性校正基质效应。以血清中前列腺特异性抗原（PSA）检测为例，15N 标记的 PSA 标准品可校正蛋白酶解效率差异，使定量偏差控制在 ±5% 以内（Anderson et al., 2004）。
通过加入稳定同位素标记物（如 13C、2H 标记的目标化合物），利用其与待测物在提取、离子化过程中的行为一致性校正基质效应。以血清中前列腺特异性抗原（PSA）检测为例，15N 标记的 PSA 标准品可校正蛋白酶解效率差异，使定量偏差控制在 ±5% 以内（Anderson et al., 2004）。
多同位素标记的分级校正
当样品需多级前处理时，引入不同质量数的同位素内标（如 13C6-、13C12 - 标记物），分别校正提取、衍生化等步骤的损失。该策略在环境污染物分析中已实现 pg/L 级定量，如采用 13C12 - 标记的多环芳烃（PAHs）标准品，可使土壤样品中苯并 [a] 芘的检测限降至 0.1 pg/g（Li et al., 2019）。
当样品需多级前处理时，引入不同质量数的同位素内标（如 13C6-、13C12 - 标记物），分别校正提取、衍生化等步骤的损失。该策略在环境污染物分析中已实现 pg/L 级定量，如采用 13C12 - 标记的多环芳烃（PAHs）标准品，可使土壤样品中苯并 [a] 芘的检测限降至 0.1 pg/g（Li et al., 2019）。
（二）外标法：基质匹配校准的标准化流程
基质效应与校准曲线优化
纯溶剂校准曲线常因基质成分（如生物样品中的蛋白质、脂质）对离子化效率的抑制 / 增强导致系统误差。采用基质匹配外标法时，需使用不含目标物的空白基质（如女性血清用于 PSA 定量）配制标准溶液。实验数据表明，基质匹配可使血清中药物定量的相对标准偏差（RSD）从 20% 降至 8% 以下（Wang et al., 2015）。
纯溶剂校准曲线常因基质成分（如生物样品中的蛋白质、脂质）对离子化效率的抑制 / 增强导致系统误差。采用基质匹配外标法时，需使用不含目标物的空白基质（如女性血清用于 PSA 定量）配制标准溶液。实验数据表明，基质匹配可使血清中药物定量的相对标准偏差（RSD）从 20% 降至 8% 以下（Wang et al., 2015）。
动态范围与质量控制标准
校准曲线需覆盖 3-5 个数量级，至少包含 5 个浓度点（含最低定量限 LLOQ）。每批次分析需插入中间浓度质控品（QC），若实测值与理论值偏差超过 15% 则需重新校准。例如，在临床血药浓度监测中，丙戊酸钠的校准曲线范围设定为 0.1-100 μg/mL，需包含 6 个浓度点（Chen et al., 2017）。
校准曲线需覆盖 3-5 个数量级，至少包含 5 个浓度点（含最低定量限 LLOQ）。每批次分析需插入中间浓度质控品（QC），若实测值与理论值偏差超过 15% 则需重新校准。例如，在临床血药浓度监测中，丙戊酸钠的校准曲线范围设定为 0.1-100 μg/mL，需包含 6 个浓度点（Chen et al., 2017）。
（三）标准加入法：复杂基质的专属定量方案
当无法获取空白基质时，采用标准加入法（Standard Addition, SA）：将样品均分为 n 份，分别加入 0~n 倍标准品，以信号强度对加入量作图，外推至横轴交点即为样品浓度。该方法在地质样品分析中优势显著，如采用 SA 法测定矿石中铂族元素时，可消除硅酸盐基质对离子化的抑制作用，相对误差＜3%（Zhao et al., 2020）。
（四）绝对定量法：基于同位素稀释的溯源性分析
结合同位素内标与高分辨质谱（HRMS）准确质量测量，通过公式 Csample=AIS⋅MISAsample⋅CIS⋅Msample 计算绝对浓度（A 为离子丰度，C 为浓度，M 为分子量）。该方法被 WHO 用于建立甲状腺激素等生物标志物的国际标准品溯源体系，测量不确定度可控制在 ±2% 以内（De Bortoli et al., 2018）。
三、技术优势与前沿应用场景
超痕量分析的灵敏度突破
现代质谱的检测限已达 zeptomole（10⁻²¹ mol）级别，如单分子质谱技术可检测单个病毒颗粒中的蛋白质含量（Smith et al., 2020）。在环境监测领域，该特性使二噁英类物质的检测限降至 0.1 pg/L，满足欧盟饮用水标准（1 pg/L）的严格要求。
现代质谱的检测限已达 zeptomole（10⁻²¹ mol）级别，如单分子质谱技术可检测单个病毒颗粒中的蛋白质含量（Smith et al., 2020）。在环境监测领域，该特性使二噁英类物质的检测限降至 0.1 pg/L，满足欧盟饮用水标准（1 pg/L）的严格要求。
高通量多重定量技术
液相色谱 - 质谱联用（LC-MS）通过多反应监测（MRM）模式，可在单次分析中同时定量数十种化合物。例如，临床毒理学检测中，MRM 技术可同步分析 50 种滥用药物，单个样本分析时间＜8 min，相对标准偏差＜10%（Liu et al., 2016）。
液相色谱 - 质谱联用（LC-MS）通过多反应监测（MRM）模式，可在单次分析中同时定量数十种化合物。例如，临床毒理学检测中，MRM 技术可同步分析 50 种滥用药物，单个样本分析时间＜8 min，相对标准偏差＜10%（Liu et al., 2016）。
空间分辨定量的技术进展
基质辅助激光解吸电离（MALDI）- 质谱成像技术实现组织切片中代谢物的空间分布定量，分辨率达 10 μm。在肿瘤研究中，该技术可定位抗癌药物在肿瘤组织与正常组织的分布差异，为药效评估提供空间维度数据（Heeren et al., 2016）。
基质辅助激光解吸电离（MALDI）- 质谱成像技术实现组织切片中代谢物的空间分布定量，分辨率达 10 μm。在肿瘤研究中，该技术可定位抗癌药物在肿瘤组织与正常组织的分布差异，为药效评估提供空间维度数据（Heeren et al., 2016）。
四、关键技术挑战与解决方案
| 挑战因素 | 作用机制 | 优化策略 |
|---|---|---|
| 基质离子抑制 | 表面活性剂、蛋白质竞争电荷 | 固相萃取（SPE）/ 免疫亲和净化、衍生化 |
| 仪器漂移 | 离子源电压、温度波动影响离子化效率 | 实时内标校正、动态质量轴校准（每 10 样本） |
| 同位素标记物成本 | 高纯度同位素标准品价格昂贵 | 采用部分标记物或生物正交标记替代 |
| 质谱污染 | 高浓度样品残留导致灵敏度衰减 | 梯度清洗程序（0.1% 甲酸水 - 乙腈）、空白穿插 |
五、结论与展望
质谱定量分析凭借质荷比识别的高特异性与同位素稀释技术的准确性，已成为痕量物质分析的黄金标准。未来技术发展将聚焦于：①单分子水平定量，结合纳米电喷雾离子源实现单细胞代谢组精准定量；②原位实时分析，如实时直接分析（DART）-MS 用于农产品农药残留现场检测；③智能化数据处理，通过深度学习优化基质效应校正模型，提升复杂体系中微量物质的定量可靠性。
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