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液质联用(LC-MS)，液相色谱-质谱联用技术，指液相色谱和质谱两套分析系统的“联用”。
色谱的优势在于分离，为混合物的分离提供了最有效的选择，但其难以得到物质的结构信息，主要依靠与标准品对比来判断未知物，对无紫外吸收化合物的检测还要通过其它途径进行分析。质谱能够提供物质的结构信息，用样量也非常少，但其分析的样品需要进行纯化，具有一定的纯度之后才可以直接进行分析。两套系统联用可发挥出更大的优势。
液质联用中的液相色谱
液相色谱的构造分为五大部分：进样部分(手动进样或自动进样)，驱动液体流动的色谱泵，主导分离的色谱柱(有些配柱温箱)，检测器、数据采集和分析系统。
当同质谱联用时，质谱成为液相色谱的检测器，而为了同步数据采集及分析，色谱厂商通常开放接口，让质谱厂商的软件来控制液相色谱的进样和分离，数据分析也交给质谱厂商。
液相色谱结构图
当液质联用时，通常在色谱柱前端加装短的保护柱来延长色谱柱寿命。若固定相使用未经修饰的氧化硅颗粒或修饰其它高极性物质，如氨基或氰基，则成为正相色谱，适合分析极性较强的分析物，洗脱时可通过调配极性差异大的两种流动相溶液(如水和乙腈)比例，而得到适当极性的单一流动相溶液进行等度洗脱。在复杂样品中，若要获得好的分离度，可以使用极性差异大的两种流动相溶液(如水和乙腈)进行梯度洗脱。若固定相为经过C18、C8或苯基柱，则称为反相色谱，适合分析低极性的化合物，亦可以进行等度或梯度洗脱。
在联用中，大都使用内径2.1mm或1mm的色谱柱，其流动相流速分别为约200-300 µL/min和50-75µL/min，有些情况下可使用4.6mm的色谱柱，其流动相流速为1mL/min，这时一般会在进入质谱前进行分流，让少部分进入质谱，而大部分分流后可进行回收。
超高效液相色谱分离时，固定相颗粒从5µm降至3µm与1.7µm以下，这时分离效率更高，但同时需要超高压液相泵(>400 bar或>6000psi)，这时分离时间缩短到数分钟内且不损失分离效能。在超高效液质联用时，其色谱峰底宽约在数秒内，因此在质谱方法设定上，需适当调整扫描速度以获得足够质谱图数，从而完整描绘色谱峰。
纳升级流速液质联用常用于蛋白质组学等复杂微量样品的分析。
降低柱内径可以得到较低的死体积，同时柱效大幅提高。例如，若原本用2.1mm的色谱柱分析样品，当转换至使用内径75µm毛细管柱且注入相同样品浓度时，理论上样品峰浓度将会增加至约784倍。因此使用毛细管色谱柱对于电喷雾质谱仪(浓度灵敏检测器)的信号提升将非常显著。此时，达到理想理论塔板数的最佳流速约为255 nL/min，理想进样体积约24nL，这时需要更细微的注射器，不易实现。
目前普遍的做法是，利用柱前端在线预浓缩方式，将微升级的样品体积浓缩在色谱柱的最前端以缩小样品体积。另一方面，由于样品承载量减少，超载的样品量容易造成柱分离效率降低。为解决此问题，可在色谱分离柱的前端加入一个捕集柱(Trap Column)，捕集柱的功能包含了样品预浓缩与去除过多的样品量。为匹配纳升级流速，一般需要纳升电喷雾接口。商品化的纳升级流速液质联用构建上，常使用一个六通阀连接捕集柱与分离柱，在捕集柱进行预浓缩时同时去除大部分样品中的盐类，浓缩后洗脱样品到分离柱进行样品分离。
液质联用中的质谱
质谱主要由样品入口、离子源、质量分析器、检测器、数据系统、质量分析器和检测器(许多质谱的离子源)均在真空中，由真空泵来提供所需真空度。
质谱主要测定的是带电离子的质量，即质荷比(m/z)。在液质联用中，样品入口即液相色谱的流出端接入离子源，在离子源和质量分析器之间的离子传输也挺重要。
质谱结构示意图
质谱离子化方法
• 电喷雾电离(ESI)
电喷雾离子源能够将溶液中的带电离子在大气压下，经由电喷雾过程转换为气相离子，再导入质谱仪分析。除了大分子的分析，电喷雾也适用于分析极性小分子，并具有高灵敏度，同时非常容易与HPLC在线联用，因此是LC-MS的最主要离子源接口。
• 纳喷雾电离(Nanospray Ionization)
利用石英毛细管制成内径约1µm的喷嘴，可在25nL/min极低流速下稳定电喷雾，这即被称为纳喷雾离子源。这时的喷针和入口方向是平行甚至直对质谱入口，且能承受溶液中较高浓度盐类污染物的影响，基质效应较不明显。广泛用于蛋白质组学研究中，且近年来出现了很多纳升流速的液相色谱仪，从而使LC-MS称为微量分析的利器。
• 大气压化学电离(APCI)
将原GC-MS上使用的CI化学电离方法扩展到大气压下进行，基本原理是离子/分子反应，但APCI借助电晕放电产生试剂离子。此方法利用高电压(5-6kV)金属针放电产生等离子体区域，通常以氮气作为试剂气体，经由电晕放电产生一次离子，再与汽化的溶剂反应，产生二次反应气体粒子，再与溶质进行离子/分子反应，如发生质子转移反应，从而使被分析物离子化。APCI更适用于弱极性/中等极性的小分子，其在仅有电场作用的ESI下难以离子化。
• 大气压光致电离(APPI)
利用光能激发气态被分析物分子，使其离子化为自由基离子，或进一步将被分析物质子化生成离子。APPI有时也使用掺杂剂如甲苯、丙酮来帮助被分析物离子化，具有分析极低极性或非极性物质的能力。
• 常压敞开式电离
解吸电喷雾电离(Desorption Electrospray Ioniztion，DESI)和 实时直接分析(Direct Analysis in Real Time，DART) 统称为常压敞开式离子化(Ambient Ionization)。常压敞开式离子化法适合分析存在于物体表面的物质，可在现场分析，分析速度快，在环境检测、食品安全、犯罪物证鉴定、临床标志物检测等需要快速现场分析的领域具有前景；在近年来高热度的质谱成像、空间定位组学等领域发表了许多前沿成果。
液质联用中的质谱：质量分析器
在离子源离子化后，离子经过离子传输部分(习惯上称为Q0区)进入后续的质量分析器。
质量分析器有这七种：扇形磁场、四极杆、离子阱、飞行时间、FTICR、Orbitrap、Astral。扇形磁场常配合EI源使用，所以在LC-MS中不再介绍。下面分别介绍其它6种。
• 四极杆Quadruple
其原理是控制离子随着交流(AC)、直流(DC)电场运动。在特定电场作用下，离子运动轨迹与质荷比有关，如果运动轨迹不稳定就会撞击分析器的电极或偏离电场区无法被利用。简而言之，通过控制电场可选择特定质荷比的离子稳定地通过四极杆到达检测器。
• 离子阱Ion Trap
属于四极质量分析器，不同的是在z轴增加了一个束缚场，形成一个可以捕获离子的三维电场。它由一对环形电极和一对上下对称的端盖电极组成，这些电极的几何形状为双曲面。当离子阱要捕获所有离子时，常关闭直流电场仅保留交流电场。当扫描离子时，在环形电极加入射频场(即交流电场)，而上下端盖电极则同时接地。通过扫描环形电极的交流电场可使离子逼近不稳定区而离开离子阱进入检测器。
• 二维线性离子阱Linear Trap
三维离子阱的容量较小，有效捕获区域小，为了增加离子阱的容量、提升灵敏度、分辨率等性能，质谱学家们设计了二维线性离子阱，即在二维四极杆的轴向方向，用电场将离子束缚起来，可将被捕获离子的数量从百万个提升到千万个。
• 飞行时间TOF
利用静电场加速离子后，以离子飞行速度差异来分离不同质荷比的离子。在施加同样能量的电场后，离子进入一个无场的飞行管，质荷比大的离子飞得慢，质荷比小的离子飞得快。TOF的突出优点是：在分辨率、灵敏度、速度方面均有不错的综合表现，反射型TOF常常可以获得超过10,000的高分辨，全扫描时的谱图采集速度很快。
• 傅里叶变换离子回旋共振FT-ICR
FT-ICR的质量分析器由捕获电极、激发电极和检测电极组成，其结构可以是立方体、圆柱形或长方体等。离子在均匀的磁场中做回旋运动，当离子回旋频率与激发电极发出的射频电场频率相当而产生共振时，离子运动半径会逐渐扩大到足以在两个平行的检测电极上感应产生像电荷。此时关闭激发电极的无线电场，并记录像电荷形成时域的ICR信号，使用傅里叶变换可将时域信号转换成频域谱图，谱图中的频率为离子质量与电荷的函数，所以可以直接转换为质谱图。值得注意的是，FT-ICR不需要将离子传送到检测器中，它检测的是感应信号。
• 轨道阱Orbitrap
利用直流电场将离子局限于阱中，并运用傅里叶变换技术将时域信号转换到频域，再经换算得到离子的质荷比信号。离子被局限在固定的轨道内长时间高速周期运动，因此可获得数十万甚至上百万的高分辨率。在获得与FT-ICR近似分辨率性能的同时，Orbitrap不使用强磁场而使用直流电场，使用简单、维护成本低，是近年来质谱领域的重大突破。
• 非对称轨道无损质量检测器(Asymmetric Ion Mirrors, Astral)
目前它主要用于和Orbitrap配合使用，主要用于串联MS/MS检测。总体原理有点像多次往返的TOF，但离子的飞行轨道和传统TOF非常不同。它的主要特点是：可以在高达200 Hz的速度下碎裂离子，同时分辨率达到8万。Astral不是TOF，而是结合了TOF、离子阱和Orbitrap技术的一种新型分析器。
液质联用中的质谱：检测器
• 电子倍增器(Electron Multiplier，EM)
离散金属板的串联连接，可将离子电流放大约108到可测量的电子电流。原理是让离子撞击到容易释放出二次电子的材质表面，二次电子经由重复撞击相同材质连续放大二次电子数目后，再记录二次电子数量来达到检测目的。电子倍增器依据其结构可分为不连续式与连续式两种，前者面积大但动态范围宽，后者面积小适用于空间有限的分析器，但动态范围窄。总的来说，电子倍增器的响应时间约为20ns，不适合TOF，常用于四极杆、离子阱。
• 微通道板(Microchannel Plate，MCP)检测器
微通道板MCP类似于连续式电子倍增器，只是它将每个微小化的电子倍增器做成数组形态，并集中在一只半导体圆盘上。由于电流信号的时间半高宽通常小于2ns，适用于TOF。MCP最常见的结构为二片堆叠式，当离子撞击进入MCP中，其效果类似于连续式电子倍增器，二次电子反复撞击通道内部表面产生大量二次电子。MCP的优点是检测面积大、增益值高、反应速度快、甚至可搭配荧光屏或数组式收集信号电极变成离子图像检测器。
• 无增益式离子检测器
本身不放大离子信号，只作为收集离子电流或感应离子电荷的简单装置。其结构主要由检测离子的电极和在后端的信号放大电路构成。一般用来检测离子的电极称做法拉第电极，而此电极依其形状又常被称为法拉第板或法拉第杯。法拉第杯通常直接放置在离子路径上收集离子，而法拉第板则可直接收集离子或安装于离子路径旁感应离子信号。
• 闪烁检测器(Scintillation Detector)
也称达利检测器(Daly Detector)，其原理也是离子转换为二次电子，但产生二次电子数目没有被放大，而是直接加速撞击高效率的荧光屏后发光，然后光子再由极为灵敏的光电倍增管检测并放大成电子信号。该检测器的增益比高，但只适用于正离子，信号响应时间长，且需要高真空，体积较大。许多早期使用该检测器的质谱都已改成电子倍增器。目前，商业质谱仪常以转换二次发射电极搭配电子倍增器使用，来增加仪器灵敏度。
液质联用中的质谱：真空系统
真空是质谱仪运作的必要条件之一，也是操作质谱仪前首先要准备的工作。真空度越高，代表气体压力越低。大多数质谱仪都必须串联低真空及高真空两种泵，而且开启时必须循序启动。质谱常用真空泵有三类。
• 粗抽泵(Roughing Pump)
适用于1000~10-3 mbar。机械泵(Mechanical Pump)、隔膜泵(Diaphragm Pump)及涡卷式泵(Scroll Pump)都属于粗提泵，或前级泵(Fore Pump)，需要机油润滑和经常性保养，运转时会产生噪声和高温。
• 高真空泵(High Vacuum Pump)
适用于10-4~10-9 mbar。涡轮分子泵(Turbomolecular Pump)、扩散泵(Diffusion Pump)及低温泵(Cryopump)属于高真空泵。涡轮泵和扩散泵都必须在排气口连接一个粗提泵。一般液质联用上使用的高真空泵均为涡轮分子泵。
• 超高真空泵(Ultrahigh Vacuum Pump)
适用于10-4~10-11 mbar。包括低温泵和离子泵(Ion Pump)，可将腔体内压力降到超高真空。但低温泵需超低温，离子泵体积特别大。超高真空压力范围也可以串联几个分子涡轮泵来实现。
液质联用体现了色谱和质谱优势的互补，将色谱对复杂样品的高分离能力，与MS具有高选择性、高灵敏度及能够提供相对分子质量与结构信息的优点结合起来，在药物分析、食品分析和环境分析等许多领域得到了广泛的应用。