質譜是什麼？一次看懂質譜法原理，如何應用在 LC-MS/MS 分析

第一次接觸質譜的研究者，常會卡在幾個基本問題：質譜可以分析什麼？質譜法和質譜儀是同一件事嗎？為什麼同樣是質譜，實驗室卻有 GC-MS、LC-MS/MS、MALDI-TOF 等這麼多種選擇？這篇文章會先把「質譜」與「質譜法」的概念與原理釐清，再帶你看質譜儀的操作流程、常見機型的差異，以及蛋白質體學中 LC-MS/MS 的實際應用，讓你在送測或導入方法前，先掌握判斷的重點。
 

質譜、質譜法是什麼？從基本原理開始釐清

質譜 (Mass Spectrometry, MS) 是一項用來分析離子「質荷比」與「訊號強度」的強大技術。在實務上，質譜法是指實現這項量測的分析方法；質譜儀 (Mass Spectrometer) 是執行分析的硬體設備；而質譜圖 (Mass Spectrum) 則是最終呈現量測數據的圖表。 

質譜法的核心，是把分析樣品 (氣、液、固相) 游離 (Ionization) 為帶電離子 (Ion) ，再依照「質荷比 (Mass-to-Charge Ratio, m/z) 」把不同離子在空間或時間上分離並偵測。根據國際純化學和應用化學聯合會 (IUPAC Gold Book) 對 m/z 的定義 [1]，m/z 是以離子的質量相關數值除以電荷數形成的量；在實務判讀上，研究者會搭配同位素分布、多重帶電狀態、碎片訊號與實驗條件一起解讀，而不是只靠單一 m/z 數值下結論。

一、透過質譜分析，通常可以觀察到以下五大核心線索：

• 分子量：確認目標分子的質量，作為身分辨識的基礎。
• 分子組成：由精確質量與同位素訊號推估可能的元素組成。
• 碎片訊號：分子裂解後的碎片，可協助推敲分子結構。
• 相對含量：以訊號強度比較不同樣品或不同分子的相對量。在實務上，若要精準定量，仍需搭配標準品或合適的定量方法。
• 結構鑑定：可進一步搭配串聯質譜 (Tandem Mass Spectrometry, MS/MS) 獲得二或三級碎片圖譜，提供更深層的結構證據。

二、為什麼各產業都依賴質譜儀？

現代質譜儀具備高靈敏度、寬廣的分析範圍、極快的分析速度，以及結構鑑定等核心優勢。
此外，它與氣相/液相層析儀 (GC/LC) 高度相容，從小分子元素到大分子蛋白質，質譜儀皆能同時支援定性與定量分析。這項兼具強大與靈活的特質，讓質譜法在生技醫藥、化學化工、環境監測與食品安全等關鍵領域中，成為不可或缺的分析利器。

質譜儀怎麼運作？ 3 個步驟釐清質譜分析流程

理解基本原理之後，接下來讓我們來看質譜儀在實務上是如何運作的。
一次完整的分析，大致可拆解為樣品質譜前處理與進樣、游離與質量分析、偵測與結果判讀三個階段。Thermo Fisher Scientific 的質譜技術概覽 [2] 也將質譜功能整理為游離、分離、偵測與分析，對應到離子源、質量分析器、偵測器與軟體。

在深入步驟前，必須先建立一個觀念：最終的數據品質，並非單由儀器等級決定，而是由整條流程共同影響。樣品條件是否乾淨、進樣方式是否穩定、游離條件是否最適化、資料判讀是否有標準品或資料庫支持，每一個環節都會直接最終的訊號與結論。

因此在進行樣品送測或導入儀器前，建議先確認樣品型態、目標分子特性與分析目的。
以下解析三個步驟的實務重點：
 

Step 1：樣品質譜前處理與進樣 (Sample Preparation & Introduction)

前處理的目的，是讓樣品符合質譜儀適合分析的狀態。常見工作包含去除洗滌劑、鹽類、脂質、高豐度分子或雜質等干擾物、濃縮目標物，以及調整溶劑與濃度，讓樣品達到最適化質譜進樣的條件。

不同樣品的處理重點差異很大：蛋白質樣品可能需要酵素切割成胜肽，食品或環境樣品常需萃取與淨化，生物臨床或代謝物樣品則要留意基質干擾。前處理若做得不夠確實，容易造成質譜訊號不穩、背景值過高或抑制效應，進而影響後續質譜判讀的分析結果。
 

Step 2：游離與質量分析 (Ionization & Mass Analysis)

質譜儀只能偵測「帶電離子」，因此游離 (Ionization) 是將氣、液、固相分子轉化為帶電離子的關鍵。

• 常見游離源：EI、CI、ESI 與 MALDI，各自適合不同的分子特性與進樣型態。
• 質量分析器：帶電離子形成後，會在此依 m/z 進行分離或篩選。

質量分析器的配置直接決定了儀器的效能與應用方向：

• 四極桿 (Quadrupole)：常用於特定離子篩選與高靈敏度定量。
• 飛行時間 (TOF)：具備寬廣的質量範圍與極快的掃描速度。
• 離子阱質量分析器 (Orbitrap)：高階質譜主流，以超高解析度與高質量準確度著稱。

 

Step 3：偵測、資料處理與結果判讀 (Detection & Data Interpretation)

當帶電離子經由分析器分離並抵達偵測器後，訊號會被記錄並轉換為質譜圖，圖表的橫軸通常為質荷比 (m/z)、縱軸則為訊號強度 (Intensity)。
研究人員會針對質譜圖 (如圖一) 進行定性與定量判讀，核心指標包括：
 

• 峰值：對應離子的 m/z，用於推估分子量與帶電量。
• 訊號強度：可反映相對含量，但要注意不同分子的電離效率與偵測效率可能不同。
• 標準品定性：比較樣品與標準品校正保留時間與其對應離子碎片訊號。
• 資料庫比對：透過離子碎片圖譜與資料庫比對提高鑑定信心度。

當上述多項線索彼此吻合時，所得出的科學結論便具備極高的可信度。
 

GC-MS、LC-MS/MS、MALDI-TOF 質譜儀差異在哪裡？

選擇質譜儀時，重點不是單純比較規格高低，而是看樣品型態、檢測目的、所需靈敏度與解析度、樣本通量，以及是否有可比對的資料庫。同一個目標，換不同樣品或不同分析深度，適合的機型就可能不同。以下針對幾種常見機型分別說明差異，方便對照各自的適用情境。

GC-MS：適合揮發性與熱穩定小分子

GC-MS 結合氣相層析 (GC) 與質譜，先以氣相層析把混合物中的成分分離，再送入質譜偵測。因為分離過程需要讓樣品氣化，這類儀器特別適合揮發性、半揮發性，或可經衍生化處理的熱穩定小分子。

實務上常見於環境污染物、香氣與風味成分、農藥殘留或部分代謝物分析，且許多化合物可透過 EI 質譜圖與保留指標資料庫輔助比對。以 NIST Mass Spectral Libraries [3] 為例，其資料內容包含 EI 質譜、MS/MS 資料與 GC 保留指標資料，可支援化合物鑑定流程。需要留意的是，熱不穩定、分子量較大或難以氣化的樣品，通常不會優先選擇 GC-MS，此時液相層析路線會更合適。
 

LC-MS/MS：適合複雜液體樣品、蛋白質體、代謝體與高靈敏度分析

LC-MS/MS 結合液相層析 (LC) 與串聯質譜 (MS/MS) ，先以液相層析分離樣品，再由串聯質譜進行偵測。由於不需要讓樣品氣化，它特別適合極性高、熱不穩定性、沸點高、分子量較大、基質複雜的生物樣品，以及代謝物與胜肽這類分析情境。

它的關鍵優勢在於串聯質譜：可先選出目標離子，再將其裂解成碎片並分析，透過碎片訊號提高鑑定與定性的可靠度，對於低含量分子或複雜背景下的目標特別有幫助。也因為兼具靈敏度與專一性，LC-MS/MS 成為蛋白質體學研究的重要平台，後文的蛋白質體學服務即以此為核心。
 

MALDI-TOF：適合蛋白質、聚合物與微生物快速鑑定

MALDI-TOF 以基質輔助雷射脫附電離 (MALDI) 搭配飛行時間 (TOF) 分析器，常用於蛋白質、聚合物、微生物或較大分子的快速分析。樣品與基質混合後，經雷射照射產生離子，再依飛行時間換算質量。

它的特色是能快速取得分子的指紋圖譜，並具備較寬的質量偵測範圍，因此在微生物鑑定等場景常被用於快速篩檢。不過是否適用，仍取決於樣品狀態、可比對的資料庫是否完整，以及分析目的是定性辨識還是更精細的定量或修飾分析。
 

微型質譜：適合現場快篩與即時監測

微型質譜 (Miniature Mass Spectrometry) 強調體積小、部署彈性高與現場即時分析能力，讓量測不必侷限在傳統實驗室。常見的應用方向包含環境監測、食品與飲品的現場快篩，以及教學示範等情境。

需要保守看待的是，微型化通常會在靈敏度、解析度或方法成熟度上有所取捨，樣品前處理的需求也不會因此消失。是否能滿足特定任務的偵測下限與準確度，仍要依實際應用逐案確認，並與實驗室級平台的結果互相驗證。

質譜儀機型	分離 / 電離特性	較適合的樣品	常見應用
GC-MS	氣相層析 ＋ 質譜	揮發性、熱穩定小分子	環境污染物、香氣、殘留物
LC-MS/MS	液相層析 ＋ 串聯質譜	極性、熱不穩定、代謝物、胜肽	蛋白質體、代謝體、藥物代謝、生醫研究
MALDI-TOF	雷射電離 ＋ 飛行時間	蛋白質、聚合物、微生物	快速鑑定、指紋圖譜
微型質譜	小型化整合平台	依任務而定	現場快篩、即時監測、教學

 

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參考資料 Reference

1. IUPAC Gold Book：mass-to-charge ratio：用於確認 m/z 定義與用語。
2. Thermo Fisher Scientific：Mass Spectrometry Technology Overview：用於確認質譜儀功能、離子源、分析器、偵測器與 MS/MS 概念。
3. NIST Standard Reference Database 1A：用於確認 EI 質譜、MS/MS 與 GC 保留指標資料庫用途。
4. 圖爾思生技：蛋白質體學（LC-MS/MS）：用於確認圖爾思服務內容、LC-MS/MS 原理與服務項目。
5. 蛋白質定性：用於確認圖爾思服務內容、蛋白質定性原理與服務項目。
6. 蛋白質定量 (LFQ、iTRAQ、TMT)：用於確認圖爾思服務內容、蛋白質定量原理與服務項目。
7. 轉譯後修飾分析 (蛋白質位點分析)：用於確認圖爾思服務內容、蛋白質位點分析原理與服務項目。
8. 生物樣品前處理：用於確認圖爾思服務內容、生物樣品處理服務項目。
9. 生物資訊分析：用於確認圖爾思服務內容、生物資訊分析服務項目。