质谱技术在过去的一百年中得到快速发展，已广泛应用于环境监测、食品安全、石油化工、生物医学等领域，从最初的元素化学分析到多个行业的深入应用，显示出良好的应用前景^[1]。近年来，随着国家对中医药现代化工作的高度重视，质谱技术也越来越多应用于中药研究，取得了较好的研究成果，为此就质谱技术的分类以及其在中药研究领域的应用进行综述。

1 质谱仪的种类及特点 1.1 质谱仪的发展

质谱仪的诞生起源于物理学界放电实验中对阴极玻璃管上泛绿辉光的理论探索，由物理学家戈尔德斯坦提出辉光的产生原因是一种阴极射线这一理论，最终由威廉·维恩和汤姆森同时分别独立证明了阴极射线的组成就是电子^[2]。威廉·维恩在研究戈尔德斯坦的阴极射线理论时，制造了一台可以简单测量氢原子核质荷比的仪器，这种简单的速度选择器是质谱仪原型机的雏形，也是后世质谱仪的最初理论基础^[3]。汤姆森的学生阿斯顿通过对前人设计的质谱仪进行改进，利用磁场设计出了可以消除掉离子束速度对其偏离轨迹影响的质谱仪，使得影响离子运动的唯一变量只剩下了质荷比，进而实现了从“可观测”到“可测量”的跨越性飞跃，阿斯顿这个理念也成为现代质谱仪的雏形并沿用至今^[4]。

进入现代随着检测技术的精度不断提高，质谱仪逐渐发展为相对成熟的产品，开始广泛应用于分析化学、有机化学、物理化学和生物化学^[5]等专业以及相关领域研究，成为许多高水平实验室的标准配备设备，后续一些质谱技术发展的重要时间节点见图 1。

1.2 常见质谱仪的分类及其特点

目前比较公认的质谱仪分类方法有按应用范围分为同位素质谱仪、无机质谱仪和有机质谱仪；按分辨力的能力分为高分辨和低分辨质谱仪；按工作原理分为静态仪器和动态仪器。笔者这里按照检测过程中离子经历的行迹来进行分类，有如下几类。

1）四极杆（Quadrupole）类型：在Quadrupole类型的质谱中，被检测离子行迹螺旋前进，非目标离子则湮灭在四级杆上，这一特征提供了在定量的灵敏度和稳定性上的优势^[6]。常见Quadrupole类型有四极杆质谱仪（Quadrupole-MS）和三重四极杆质谱仪（Triple Quadrupole-MS）。其中三重四极杆质谱仪相较于传统的四极杆质谱仪包含两个四极杆和一个反向四极杆，可以进行多级离子过滤和碎片化等操作，这类质谱因其可以实现更加精密的离子筛选以及定量效果，在药代实验中广泛应用并且表现良好^[7]。

2）离子阱（Ion-Trap）类型：在离子阱类型质谱中，被检测离子依次进入检测器并通过电磁场将需要的离子保留，不需要的离子舍弃。被保留的离子可再次通过电压进行破碎，进而获得需要的二级碎片^[8]。这种检测类型的优势是可以通过碎片信息进行结构推断，通常用于检测化合物的定性。因它们使用一个电场和一个强磁场来捕获和存储离子，通常拥有更高的分辨率和更好的质谱质量，但在扫描速度和动态范围方面存在局限性，这类质谱在一些气质或者特殊相态物质检测中应用较为广泛^[9]。

3）飞行时间（Time-of-Flight）类型：在飞行时间类型质谱中，被检测离子在一段特定磁场轨道中飞行，最终落在检测器上。这种类型的质谱仪相较于其他仪器在面对离子总量多、相互之间性质差别小的检测物时，因其更长的飞行轨道和更精确的扫描器也可以精确得到可靠的结果。因为没有对离子进行过多干涉，这种检测模式的优势在于可以进行精确分子量测定，从而将可能的化学结构限定在更小的范围里，这类质谱近年来在中药道地药材的分辨和中药鉴定中应用广泛。

4）离子淌度（Ion mobility）类型：在离子淌度类型质谱中，被检测的离子在气体中的迁移速率不同，在非均匀、可移动电场和脉冲电压推动下，由直流脉冲电压推动离子向不同电极进行移动，通过合适的电压和脉冲周期可对不同迁移速率的离子进行有效的分离。相较于其他类型的质谱，离子淌度质谱能额外记录碰撞横截面积数据以及分离器检测时间，得益于这两个特性可以更加有效地对结构类似物或同分异构体进行分离和检测，近年来广泛应用于中药中手性结构和同分异构的判别。

综上可见，针对不同特征的样本，可根据实际需要进行对应的使用选择，从而获得更加精确的结果。

2 质谱技术在中药研究领域的应用 2.1 质谱技术用于中药化学成分鉴定

1）基于特征碎片离子进行中药成分鉴定：研究表明同一类型中药化学成分拥有相似的母核结构，这让其二级质谱中具（含）有相同特征的二级碎片^[10]。黄芩中的黄芩素和黄芩苷，其母离子结构就十分相似，在质谱中的二级碎片都有相同的部分^[11]。基于上述规律，在确定某一母离子属于某化合物时，可通过提取该化合物的二级碎片，得到该类化合物的裂解规律，从而实现对该类化合物的快速识别^[12]。Dai等^[13]利用超高效液相色谱-四极杆-静电场轨道阱高分辨质谱仪器鉴定出艾纳香中的31种有效成分，其中依据黄芩类的母核结构进行关联鉴定得到的相关成分有14种。

2）基于前体离子进行中药成分定性分析：同类中药中通常具有一些相同特征的前体离子，这些前体离子在不饱和度、元素组成和分子量范围上十分相似^[14]。目前的质谱技术可对这些具有相同特征的前体离子进行靶向筛查，来搜寻潜在目标物的前体离子，同时靶向二级质谱扫描也可以对未知化合物的结构进行合理推测及验证^[15]。此外，中药中许多次级代谢产物是初级代谢产物在体内经过一系列生物转化过程形成的，如羟基化、磷酸化、糖基化、S-亚硝基化和磷酸化等反应^[16]。通过对这些信息进行关联来预测中药中这一类型化合物可能会在反应后产生的化合物结构。Qing等^[17]参考现有的研究资料对已知的前体离子异喹啉类生物碱进行了数据库的建立，后续通过建立的目标离子数据库进行合理预测并与质谱一级扫描方法识别出了640个目标离子。再结合质谱给出二级谱图对结果印证，最终从中认定出204种异喹啉类生物碱类化合物。

3）利用质量亏损过滤技术进行中药未知成分精确鉴定：质量亏损（Mass Defect）是化合物的精确质量数与其最接近整数质量（又称肯德里克质量）的差值，通常用于鉴定基本单位不同的同源化合物，可以帮助发现样品中潜在的未知化合物或低丰度离子^[18]。质量过滤亏损技术（MDF）结合了高分辨质谱仪和复杂的数据处理算法，由高分辨质谱仪提供更准确的质量信息，数据处理算法负责识别出未被检测到的离子或离子流的特征模式^[19]，在发现新的化合物、寻找低丰度离子或离子流以及进行代谢物研究等领域具有广泛的应用^[20]，目前有多重MDF、线性梯度MDF、逐级MDF、离散MDF、深度学习MDF等多种MDF技术，这些技术在不同需求的分子量窗口往往有不同的特异性优点，需要研究者在研究时进行选择^[21-23]。孙梦佳等^[24]采用超高效液相色谱-四极杆/静电场轨道阱质谱结合多重MDF技术，对三叶青乙醇冷浸液中的黄酮类化合物进行定性分析。通过文献报导确定三叶青黄酮类物质母核作为MDF模板，根据取代基的数目和种类确定MDF的质量范围、质量亏损范围，应用超高效液相串联四极杆静电轨道质谱进行数据采集，并应用MDF-Orbitrap Traditional Chinese Medicine Library数据库和Mass Frontier软件联合验证，成功在三叶青乙醇冷浸液鉴定出41种黄酮类化合物，首次发现了19个黄酮类化合物，并提供了其可能的结构式。

4）利用分子网络技术结合高分辨质谱数据进行分析：分子网络技术（MN）是一种在代谢组学和化学生物学研究中广泛应用的数据分析方法^[25]。它用于分析大规模质谱数据集中的化学信息，擅长可视化和解释化合物之间的关系^[26]。分子网络技术基于质谱数据中代表不同化合物的分子峰（Molecular Feature）^[27]。通过对质谱数据集中所有分子峰进行特征提取和对齐，根据它们之间的相似性建立连接关系^[28]。这样形成的关联网络可以用于表示样品中不同化合物和它们之间的相似性或关联性，进而可以极大增强非靶向的高分辨质谱的应用目的性^[29]。Wang等^[30]利用四极杆-静电场轨道阱高分辨质谱结合有关网络分子技术对平消胶囊的化学成分鉴定，在对生物碱、类黄酮、有机酸和酚类等化合物进行了关联后最终鉴定出89个化合物，并在后续的动物实验中验证了其中15种化合物及其相关代谢产物的可靠性。

2.2 质谱技术应用于中药化学成分体内代谢分析

1）应用代谢产物预测软件鉴定中药代谢产物：中药的化学成分在进入生物体后会在生物酶的作用下发生一系列Ⅰ相和Ⅱ相代谢，代谢产物预测软件可以实现利用已探明的化合物在生物体内的转化规律去预测中药体外成分及入血的中药原型成分。这种预测还可以依据代谢产物前体离子列表和靶向的二级质谱数据来印证预测的代谢产物信息是否准确、真实^[31]。李元元等^[32]应用高分辨率超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱分析结合MassHunter Qualitative Software 10.0软件对生物样本进行了分析，成功鉴定出灯盏生脉胶囊在大鼠体内的51个代谢产物。

2）应用于药代动力学：因为中药成分众多，其发挥药效的结果往往是多组分共同作用，为此拥有多反应监测功能的三级四极杆质谱是研究药代动力学不可或缺的分析工具。随着三重四极杆质谱的普及，应用三重四极杆质谱进行多反应检测（MRM）来检测各种药物在体内的血药浓度变化已经成为常态。兰婷等^[33]利用超高效液相色谱-三重四极杆串联质谱法同时测定肋柱花药材中木犀草素、异荭草苷、獐牙菜苦苷、芒果苷、当药黄素的含量，在随后的动物实验中对这些化合物进行了含量的测定，绘制出了药物随时间变化的药时曲线，建立了在动物实验中对肋柱花药材完整的药代分析方法。

3）应用于代谢组学：代谢组学是在给定时间和条件下对特定系统中所有小分子代谢物质进行定性定量分析，从而描述生物内源性代谢物质的整体及其对内因和外因变化应答规律^[34]。在实际操作中通过对高分辨质谱采集得到的总离子流（TIC）进行分析，结合已有的特定质荷比离子来消除在鉴别代谢物过程中被检测组织的内源性物质干扰，找出特定的质荷比代谢物在样品中的存在情况，然后对碎片离子信息和化合物的结构进行确证。同时对高分辨质谱采集到的数据进行分类，找到其基质中用共同的内源性物质进行分类和归纳，找到其是否会因为药物的介入产生变化。王佳林等^[35]对溃疡型结肠炎小鼠的血清和结肠组织进行超高效液相色谱-四极杆-飞行时间串联质谱法技术检测研究，发现18种代谢产物水平伴随肠道疾病的进展发生改变，主要涉及氨基酸代谢、脂质代谢两个代谢途径。其研究结果表明溃疡性结肠炎的疾病机制可能与苯丙氨酸代谢途径发生改变及脂质中甘油磷脂类、三酰甘油代谢异常相关联，为寻找溃疡性结肠炎的治疗药物提供了新的思路。

2.3 质谱技术用于中药质量控制

1）应用质谱技术实现对中药材产地的鉴定：中药中的成分含量受其生长环境影响较大，不同产地的中药材在药效方面存在明显差异，因此如何辨别出更加优秀的中药材产地也是中药质量控制的重要方面。与其他不同产地的同种药材相比，道地药材是指经过中医临床长期应用并经过优选的药材，对中药用药有特定的意义^[36]。赵紫薇等^[37]利用超高效液相串联四极杆飞行时间质谱技术仪器结合代谢组学的分析方法对不同来源的藏药原柏样品进行分析，分别在正、负离子下得到了不同产地原柏的12、13个质量标志物，可用于不同来源原柏的快速鉴定。

2）应用质谱技术对中药基原进行区分：如何对中药基原进行准确判别是进行中药标准化和中药药理药效研究的重点，以往经验表明不同基原的中药材在化学成分的组成上存在较大差异^[38]，而质谱技术的高分辨力可以有效解决这个问题。Liu等^[39]使用基于液相色谱-四级杆-飞行时间质谱仪器的代谢组学和化学计量学相结合方法，对8种常见来源贝母的73个批次进行了分析，成功地鉴定出了21个具有特异性的标志化合物。这项研究成果不仅可以对贝母品种进行精确鉴别，还可将验证的结果用于对贝母类原料药品种进行鉴别。通过这种分析方法，可以为中药材的品种进行鉴别和质量控制提供重要的数据支持，推动中药标准化和质量管理的发展。

3）应用质谱技术检测中药炮制效果：经过炮制的中药在化学成分上会发生变化，进而影响药性和药效^[40]。通过质谱技术对炮制前后中药化学成分进行分析，可揭示其变化规律和机制，更好地理解中药炮制的原理，提高中药疗效和质量^[41]。刘蓬蓬等^[42]利用超高效液相色谱-串联质谱仪器对不同温度下定向炮制的黄芪中8种苷类和4种苷元成分进行测定，考察不同炮制方法对12种待测物的成分含量影响。研究结果表明黄芪在不同温度炮制后，其中的苷类成分含量总体会呈降低趋势，苷元成分呈升高趋势。

2.4 质谱技术用于保障中药安全

1）中药农药残留检测：2020版《中国药典》中明确规定了中药中33种农药残留限量控制标准^[43]，而质谱技术在检测这些残留的农药含量上同样可以派上用场。耿昭等^[44]利用分散固相萃取样品制备技术结合气相色谱-串联质谱法，对贝母类中药中53种农药残留量建立了1种快速检测方法，并尝试用于筛查，在193批贝母类中药中共检出14种不同种类的农药，而这些样品中有91批有农药检出，检出率为47.2%，且有1批超出了2020版《中国药典》限度规定。

2）对中药非法添加物的检测：在中药中非法添加西药是中药安全风险的重要来源之一^[45]。由于非法添加化合物类型未知且不单一，非法添加化合物的种类变化较快，导致在检测技术上不能及时做出调整。传统的一些测量方法往往受制于其原理只能测定限定的化合物，或者会因其元素组成相同而出现以次充良的情况。而高分辨质谱仪的非靶向筛查能力，可以实现在不依赖对照品的情况下对待测中药进行全方面的检测。目前出现了大量有关研究针对不需要标准品即可对中药非法添加物进行精确筛查的办法，申一鸣等^[46]利用超高效液相色谱串联四极杆静电场轨道阱质谱建立了一种不需要标准品即可对中药保健品中136种降压药进行快速精准筛查的分析方法，并且在10余批中药保健品的检测中检测到1批样品存在非法添加坎地沙坦酯的情况。

3 总结与展望

目前，质谱技术已在中药领域得到广泛应用，包括中药物质研究、中药代谢及代谢组学研究、中药质量控制等多个领域。质谱仪的全扫描分析策略与中药多成分、多靶点以及整体作用机制研究相适应，全面的化合物参数可以构建一系列征碎片离子、分子网络和质量亏损过滤等数据处理办法，极大地提高了对中药化学成分及其代谢物的定性分析效率，对揭示中药的药理基础起到了重要作用。此外，质谱技术与代谢组学结合的模式为中药质量标志物的发现提供了强大的技术支持、灵敏度和非靶向优势，为中药有毒有害物质的检测提供了有效的技术方法，这些结果说明质谱仪在中药研究领域具有非常良好的应用前景。

然而，中药成分的复杂性使得目前的定性方法和手段尚不能完全解析中药有效成分，低含量成分、同分异构体以及不稳定代谢物中间体的定性分析仍然是中药质谱分析的难点。为此构建更加准确的、全面的、开放的数据库成为未来中药研究的重点，但实际应用中质谱数据量庞大、人工分析效率较低，或许应用深度学习算法对以往研究进行学习迭代，从而构建人工智能分析数据算法会成为未来中药研究的发展趋势。