质谱技术在生命科学基础研究和临床检测分析中的应用越来越广泛。细胞内的生命活动由基因、蛋白质、以及小分子代谢物共同调控，在基因层面对生命现象底层原因进行探索基础上，对影响生命活动的终端的蛋白质和代谢物的全面研究尤为关键，有助于理解生命现象发生发展的本质。质谱技术通过测量离子质荷比（质量-电荷比）能够以高通量的方法对生物系统中的蛋白质、代谢物进行全面的定性鉴定和定量分析，已发展成为蛋白质组、代谢物组研究的重要利器。与此同时，在临床应用中，由于质谱技术可在单次检测中同时系统精确地分析上百个生物标记物，并可检测出传统分析技术无法检测到的生物标记物，这些特点使质谱技术在临床检测中获得了广泛应用，成为多项临床检验分析的金标准。
1 国际临床质谱技术研发与应用态势分析
1.1 国际临床质谱技术研发态势
质谱技术通过测量离子质荷比（质量-电荷比）以准确鉴定未知分析物，定量已知化合物以及确定分子的结构和化学性质。一台质谱仪包括进样系统、离子源、质量分析器、离子检测器、数据系统等多个技术模块，为满足不同样品类型和分析要求的需求，每个模块都有多种类型技术可供选择。临床样本的复杂性对质谱技术的灵敏度、可检测分子范围、分辨率、准确性提出了更高的要求，而最直接决定质谱仪性能技术模块是离子源、质量分析器。近年来，离子源的技术进步提高了质谱技术的灵敏度，并拓宽了可检测分子范围，质量分析器的技术创新则使得质谱技术的定性和定量能力获得显著的提升，另外，在离子源和质量分析器之间创新性地引入离子淌度谱技术，将从另一个维度提高谱图分辨率，展现了在同分异构体、电荷异构体分辨方面的优势，这些进步推动质谱技术的临床应用。
1.1.1 离子源
质谱技术在临床中的推广应用依赖于离子源的进步。最初经典的质谱技术是将样品在真空条件下加热挥发成气体后通过电子轰击（Electron Impact，EI）、化学电离（Chemical Ionization，CI）进行离子化，这些技术很容易破坏分子结构，不适用于蛋白质、核酸等生物大分子的分析，且对液相色谱与质谱联用的接口技术提出了较高的要求，使得其在临床应用中受到限制。之后，以电喷雾电离（Electron Spray Ionization，ESI）和基质辅助激光解吸电离（Matrix Assisted Laser Desorption Ionization，MALDI）等为代表的“软电离”技术的发展，因对样品分子的破坏性小，可保留整个分子的完整性，拓宽了质谱技术在生物大分子分析中的应用。与此同时，以ESI、大气压化学电离（Atmospheric Pressure Chemical Ionization，APCI）、大气压光电离（Atmospheric Pressure Photoionization，APPI）等为代表的大气压电离技术的出现，成功地解决了液相色谱和质谱联用的接口问题，使液相色谱-质谱联用逐渐发展为成熟的技术，可对包含不挥发性化合物、极性化合物、热不稳定性化合物的复杂临床样品进行有效分析。另外，以解吸电喷雾电离（Desorption Electrospray Ionization，DESI）、实时直接分析电离（Direct Analysis in Real Time，DART）为代表的常压敞开式离子化技术相继出现进一步简化样品预处理流程，可对样品中分析物进行快速直接电离及质量分析，使得质谱技术向即时、原位分析方向发展，为多种疾病尤其是癌症的精准、即时检测提供了重要支撑。当前已经有上百种离子源技术出现，但尚没有任何离子源能满足所有应用的需求，在进行质谱分析之前，需要根据自己的测试目的和样品种类来选择合适的离子源。
在应用于生物大分子分析的软电离技术中，ESI和MALDI技术最为成熟，多家质谱研发巨头企业都已推出相关离子源产品，在临床中也获得了推广应用。ESI技术最早由2002年诺贝尔化学奖得主Fenn创建的美国Analytica of Branford公司开发，该公司致力于推广和发展质谱仪的先进离子化技术，同时为国际各质谱仪器公司的电喷雾离子源质谱提供专利和设备，2009年该公司被美国珀金埃尔默公司收购。近年来，为进一步优化质谱技术的灵敏度和精确性，布鲁克、沃特世等企业对ESI离子源技术进行了创新，获得了在纳升流速下具有超高灵敏度的CaptiveSpray电喷雾离子源、可进行经验证的精确质量数测量的LockSpray双电喷雾离子源等专利技术。ESI质谱与液相色谱直接偶联，为复杂蛋白质样品检测提供可行的方案，推动了质谱技术在蛋白质分析领域的应用。MALDI技术于1987年由德国科学家Hillenkamp及Karas首次提出，主要是通过与飞行时间质谱（Time of Flight，TOF）的结合，为生物大分子提供快速和高度可靠的检测。近年来，基于对核心模块的优化，MALDI-TOF分析采集速度、灵活性、分辨能力获得进一步提升。例如美国布鲁克公司开发了smartbeam-II、smartbeam 3D激光专利技术，可在高达2kHz和10kHz采集速度下灵活地完成组织成像、聚合物分析、肽段和蛋白质分析等各类分析工作，结合PAN 宽域离子聚焦技术等创新技术，可在超宽质量范围内实现高达40000的质量分辨率，为高精度蛋白质组研究提供保障。
而在可实现即时、原位分析的常压敞开式离子化技术开发方面，近年来不断有新的技术涌现，已报道的相关技术有30多种，部分已实现产业转化，如沃特世的DESI™ XS离子源、大气压固体分析探头（Atmospheric Pressure Solid Analysis Probe，ASAP）和快速蒸发电离质谱（Rapid Evaporative Ionization Mass Spectrometry，REIMS），IonSense的DART®离子源、赛默飞的VeriSpray纸喷雾离子源、岛津的解吸电晕束离子源（Desorption Corona Beam Ionization，DCBI）、原位探针电喷雾离子源（Probe Electro Spray Ionization，PESI）等。这些新研发的技术所需前处理步骤简单，不受样品性状限制，可应用于食品检测、司法取证、环境检测等各个领域。
1.1.2 质量分析器
临床样本的复杂性对质谱仪的定性和定量能力提出了更高的要求，这与质量分析器的选择密切相关。近年来质谱技术研发龙头企业在质量分析器方面进行了多项技术创新。首先，在高分辨率质量分析器开发方面，美国布鲁克傅立叶变换离子回旋共振FT ICR技术、美国赛默飞静电场轨道阱Orbitrap技术等超高分辨率质量分析器的发明及进步使得质谱技术分辨率提升了一个数量级，已发展成为蛋白质组和代谢组分析的核心手段。其次，多级串联质谱技术综合运用显著提高了质量分析器的整体性能，三重四级杆质谱技术在保留四级杆原有定量能力强的特点上，提供了串级功能，加强了质谱的定性能力，相关技术市场主要由赛默飞、安捷伦、沃特世、岛津等龙头企业占据；而以美国丹纳赫QTrap技术、日本岛津IT-TOF技术、美国沃特世Q-TOF技术等为代表的不同类型质量分析器串联形成的多级串联质谱技术的应用更好地综合和平衡不同分析器在定性定量分析能力、分析的速度、分辨率、灵敏度方面的优势，可根据不同的分析需求进行最优选择。
1.1.3 离子淌度谱技术
在离子源和质量分析器之间引入离子淌度谱技术，将从另一个维度提高谱图分辨率，它除了按质量和电荷数之外，还可以根据离子的尺寸和形状分析样品，展现了在同分异构体、电荷异构体分辨方面的优势。2006年，美国沃特世将行波离子淌度谱（Travelling Wave Ion Mobility Separator，TWIMS）技术引入传统质谱技术，推出了首台商品化的淌度质谱（淌度分辨率10），之后质谱制造商都推出了各自的商品化离子淌度质谱，采用了包括迁移管离子淌度谱（安捷伦）、场不对称波形离子淌度谱（赛默飞、丹纳赫）、捕集离子淌度谱（布鲁克）等不同技术。近年来，相关企业不断优化相关技术，进一步提升了淌度分辨率，2016年布鲁克timsTOF离子淌度平台将淌度分辨率提升到200，2019年，沃特世推出的SELECT SERIES Cyclic IMS系统更进一步将其提升至750。
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