作者：汕头大学医学院第二附属医院/谢仲灿

质谱技术(mass spectrometry，MS)技术作为一种十分重要的分析检测技术，是通过电离的方式将待测样本转化为带电粒子，带电粒子在磁场中高速运动，跟去它们拥有的不同质荷比(m/z)进行分离和检测目标离子或者片段，最终根据其在磁场中的保留时间以及丰度进行定性定量研究。自从第三任卡文迪许实验室主任诺贝尔物理学奖获得者J.J. Thomson提出质谱方法，而后通过其学生及其他学者的不断完善，于1919年由Francis William Aston研制出世界上第一台质谱仪。

质谱技术自诞生以来俨然成为了现代分析与监测技术不可或缺的重要手段，极大地推动了研究的进展，尤其在小分子定量检测中发挥着极其重要的作用。而近年来，在原有的基础上通过改进离子源和分离器，进一步发展出许多类型的质谱仪，常见的如电喷雾离子源质谱( ESI-MS) 、大气压化学电离离子源质谱( AP- CI-MS) 、四级杆( QQQ) 、离子阱质谱技术以及各种串联、联用的多种类型的质谱仪，提高了检测的分辨率和检测范围。最初质谱技术应用于计量和分析化学领域，但自从其与临床检验结合之后，在临床检验与诊断中不断发展和壮大，以其高灵敏度、检测速度快、样本量少、高通量等优势，得到了越来越多的应用，常见有新生儿遗传代谢性疾病筛查、内分泌激素检测、微生物鉴定与鉴别、药物浓度监控以及生物标记物的检测等等项目。

质谱仪主要是由进样系统、离子源、质量分析器、检测器和数据处理系统5个部分组成，最核心的部分是其中的离子源及质量分析器。离子源的是将进样系统注入的样本分子解离转化成带电粒子或碎片，可分为硬电离和软电离，主要区别是所需电离的能量大小。在小分子化合物的分析中，硬电离比较适用，而软电离主要是适用于分子量较大的化合物，诸如像蛋白质、多肽、寡核苷酸等。软电离能够获得容易指明相对分子质量的准分子离子，但是提供结构信息的碎片离子比较少，而生物的差别在结构上相距不大，但是分子水平上却差距甚远，因此软电离的技术更多也更适于在临床检验与诊断上进行应用。质量分析器是将离子源电离产生的离子根据不同的质荷比进行分离，分离出目标离子。有单聚焦、磁分析线、飞行时间、离子阱分析器、四级杆质量分析器等等类型，而这些均在高真空环境中进行，真空环境是质谱仪的必备要求。

质谱仪的工作原理：待测样本通过进样系统送入，在离子源内将待测样本电离成带电离子或碎片进入质量分析器，在真空环境下，质量分析器中的带电离子会根据离子的质荷比(m/z)进行分离，最终到达检测器检测模块输出信号，而数据处理系统将获得的离子信号转换成图谱对其进行质谱分析或定量分析。在临床应用中，质谱仪常采用集中质量检测器串联组成，可以提高离子分离效率，且更加准确。

(一)在临床生物化学方面的应用

1.在内分泌激素方面的应用

质谱技术对体内激素的检测，是在临床生物化学领域的一项重要的应用，例如对甾体激素(类固醇激素)及其代谢产物，即睾酮、双氢睾酮、雌二醇和雌三醇等的定量检测，可以为临床诊断相关疾病提供重要的辅助检测结果，同时也能通过检测其浓度，配合激素替代治疗疾病。也能辅助如先天性肾上腺增生症、多囊卵巢综合征、儿科遗传性激素相关性疾病以及第二性征维持等的诊断、治疗和监测等。

2.在新生儿遗传疾病检测中的应用

质谱技术在新生儿筛查中的应用，在遗传性疾病的诊断与筛查中最为人们熟知，通过检测氨基酸、脂肪酸、有机酸及其代谢产物，可以检测出20多种遗传代谢相关性疾病，早诊断早治疗能够让患儿获得更好的生活质量以及美好的人生。有学者在2018年2月-2019年2月间，统计进行串联质谱激素进行筛查的5548例新生儿的数据，发现在其中可疑阳性的患儿中，经过后期复检以及诊断确诊病情，与临床最终诊断相比为100%。对新生儿遗传代谢性疾病的早期筛查及诊断，能够为诊断提供可靠参考，对改善人口素质以及生存质量具有重要的意义。因此质谱技术在新生儿筛查领域具有较高的临床应用价值。特别是串联质谱技术，在筛查中具有病种丰富，筛查项目齐全，筛查时间短等特点，具有很好的推广价值。

3.维生素D检测中的应用

维生素作为人体必需摄入的元素被人们所广泛关注，常见的分类可以根据维生素的物理属性，将其分为脂溶性维生素(A、D、E、K)和水溶性维生素(B族、C、叶酸和泛酸等)，其中维生素D作为促进钙离子吸收的重要元素，在生长发育及骨质疏松症的防治中具有重要意义，其摄入不足导致的维生素D缺乏症也较为常见。而有Zhang等学者的研究表明，通过中液相层析-串联质谱法（LC-MS/MS）可对脂溶性维生素进行检测。并且由于LC-MS/MS的方法具有特异性、准确性高、简单快捷、灵敏度高、回收率好的特点，被认为是评价维生素D的“金标准”测定方法，此方法还可以同时检测25-羟基维生素D2[25(OH)D2]、25-羟基维生素D3[25(OH)D3]。这种种的优点让此方法在欧美等国发展迅速。

4.药物检测中的应用

在临床应用中，“是药三分毒”是一句经常被提及的话，只要是对症，例如三氧化二砷，俗称砒霜也能被作为药物使用。但是在使用中，药物浓度是一个非常重要的用量参考，某些药物的有效范围比较窄，容易引起毒性反应，在临床使用时必须时刻关注着其血药浓度，避免不良后果的发生。特别是在免疫抑制药物、抗肿瘤药物、HIV药物、抗精神病药物、麻醉药物以及中毒药物的急救中得到了广泛的使用。而质谱技术也不公认为是生物样本中检测药物及其代谢产物的标准方法。此外，国外报道中还有通过飞行质谱法对单链核苷酸多态性进行快速基因分析，从而指导华法林的用量。通过对基因分型方法，将同一药物在不同人身上产生的效果进行分类，帮助制定个体化用药方案，促进精准医疗的发展。

(二)在微生物鉴定方面的应用

质谱仪在微生物鉴定中的使用，对微生物鉴定的影响是颠覆性的。传统的致病微生物检测整体流程，是通过微生物培养获得纯化的细菌菌落，再根据其菌落形态、生物化学性质和分子生物学方法进行检测辨别，分析时间长而且高度依赖经验性积累，容易产生误判，并且分析结果滞后，无法及时反馈临床形成重要的用药参考，也无法对细菌进行更为细致的种群分型。据估计，单单是对链球菌的分类中，就有13%的辨别错误。而近年来，在微生物鉴定领域引入质谱技术让微生物鉴别得到了发展，得益于其在这个领域得天独厚的优势：

(1)无论是来自血液还是体液，亦或是排泄物只要是经过培养纯化后的标本，均可以用于检测；

(2)能够检测非常多的病原体，无论是细菌、真菌、病毒亦或是寄生虫，均能进行检测；

(3)能够对该病原体的几乎所有成分进行分析，获得病原体完整的生物信息，包括蛋白质、脂质、DNA、多肽、寡糖等等可被离子化的分子；

(4)能对同种病原体的不同种群进行分型，具有极高的特异性与敏感度，如对金黄色葡萄球菌的不同表型的鉴定；

(5)检测速度快，相比于传统微生物检测方法动辄数天时间相比，采用质谱技术进行检测，除开培养所需的时间，整个鉴定过程耗时不到10min，而且其所需的样本量很少，前处理步骤也很简单。

目前基质辅助激光解析电离飞行时间质谱法( MALDI-TOF MS)是最多应用于细菌检测中的方法，MALDI-TOF MS技术是使用激光照射样品与基质混合形成的共结晶薄膜，基质吸收能量后传递给生物分子，使生物分子带上基质的质子，使生物分子带上正电荷，带电粒子的质荷比与飞行时间成正比。而每种微生物都由自身独特的蛋白质和多肽组成，MALDI-TOF MS可以获得微生物的指纹图谱，经过软件处理并与原有的数据库数据比对分析，即可在几分钟内完成对微生物的鉴定。通过直接检测血培养阳性待检菌，MALDI-TOF MS 技术是一种新型电离技术，能够在24h内鉴定出病原菌，具有快速准确、成本低、实用性强等等的优点，能够为重症感染患者抢得宝贵的治疗时机，阻截疾病的进一步恶化，满足临床的早期诊断以及干预需求。

(三)在生物标志物方面的应用

生物标志物指的是在疾病研究中，可以客观测定和评价生理或者病理亦或是治疗过程中的某种特征性生化指标，可以通过对它的检测侧面获得当前机体处于何种生物学进程。通过检测一种疾病特异性的生物标志物，能够早期诊断、早期鉴别、早期治疗、长期监测该疾病，对病人的预后具有极其重要的作用。表面增强激光解吸电离飞行时间质谱技术( surface enhanced laser de- sorption /ionization time of flight mass spectrometry， SELDI-TOF-MS)是以早期的MALDI-TOF MS技术为基础，将基质改为以色谱原理设计的蛋白芯片，增强了分离能力。通过对获得的高速数字模拟信号的转化与记录，被测定的蛋白质以一系列峰的形式出现，这些特异的峰各不相同，可以看成是此类疾病的指纹。利用飞行质谱能够发现过去无法分离检测的疾病蛋白，获得新的疾病蛋白图谱。

这个方法十分快速，重复性好，而且可以检测微量蛋白，具有极高的临床应用价值。如前列腺癌、卵巢癌、胰腺癌、乳腺癌、结肠癌、肺癌、食道癌等，都发现了特异性蛋白减少或者增加，并能通过质谱技术得到特征性的疾病蛋白图谱。这个方法与传统的侵入性活检以及免疫学方法比较，简化了样本的前处理以及样本前处理中蛋白消化作用带来的误差，具有潜在的发展前景。

(四)在分子检测诊断中的应用

蛋白质组学与核苷酸多态性是质谱技术的应用领域中重要的方面。软电离技术的发展，促使生物分子在电离过程中保持完好，能够检测蛋白质的氨基酸组成、分子量、空间构象甚至二硫键的数目等等；还可用于检测核酸的分子量及单位点突变的核苷酸链。通过质谱技术对疾病进行分析，获得肿瘤早期的具有表达差异的蛋白，能够为早期快速诊断疾病提供可能。而在单个核苷酸碱基变异的检测中，可以通过对检测的突变位点分析，对疾病进行预测以及对疾病易感性和药物反应性差异进行探讨，制定合适的诊疗方案。采用质谱技术进行检测的方式较传统的培养分离方式更加省时省力，也更加可靠。

质谱技术尤其通过串联质谱技术，可以为临床检验与诊断提供大量的物质结构信息，能够对所检测的样本进行定性定量检测，具备特异性高、灵敏度高、速度快等特点，使其在临床检验诊断领域被广泛应用。质谱技术虽然优点很多，近年来发展迅猛，但是其发展也受到了许多制约，机器耗材昂贵，日常维护费用高，普通医院样本量不足的情况下难以真正发挥其速度快的优势，前期投入成本大是其难以在基层医院得到广泛发展的主要原因，而自动化程度低使得需要专门人员进行操作，对工作人员的技术要求高，操作的水平高低决定了能否获得一个合格的结果。而其自身也具有一个决定性的瓶颈，即没有特征性的离子碎片或是纯物质作为内标，无法进行定量定性。而许多复杂的大分子物质至今仍然无法通过质谱技术进行分析。但作为新兴的检测检验技术，相信在未来的发展中能够得到更加广泛的应用，技术也将愈发成熟。