藥物食品衛生課
課長 吳俊輝
質譜儀的發展起源
質譜儀(mass spectrometry, MS)是以熱電子撞擊氣體分子，使產生碎片及離子，再經磁場分離，依據質荷比之測量，來決定分子質量的技術。而質量是分子的一種特質，因此可以用於分子的鑑定或確認。
1912年湯姆遜(J. J Thomason)用以發現質量數為22氖之同位素之陽極射線管乃質譜儀之前身。1919年阿斯頓(Aston)與丹麥斯特(Dempster)分別發展曲形軌道質譜儀成功。1943年美國加州統一工程中心製成第一部商業質譜儀售予大西洋煉油公司以作分析石油成分之用。隨著電子技術發展，質譜儀製造日益精確完備，不但成為化學分析之必備工具，而且廣泛應用於核子物理、生物醫藥，以及地質冶金、環境科學…等，如能降低製造成本、簡化操作技術，其發展將更不可限量。
質譜儀的原理
LC/MS是Liquid Chromatograph/Mass Spectrometer (液相層析儀／質譜儀)的縮寫，是將液相層析儀(LC)和質譜儀(MS)串聯使用的特殊組合。簡單的說，LC是質譜儀上游的檢體輸入器，而MS則是液相層析儀下游的產物檢測器。
使用LC/MS時，我們只需將檢體送入液相層析儀，LC優越的分離純化能力，便會把檢體內複雜的成分，按著時間一一送出。層析儀流出的產物，隨即導入質譜儀作進一步的檢測。由於無須收集處理LC析出的成分，一則節省了許多耗力費時的繁複步驟，二則避免了處理樣品時所造成的無謂流失。而質譜儀的基本功能，在於測量各個成分的質量以及它們的相對含量。現今配備較齊全的質譜儀，更具有分析其分子結構的能力。判讀時，機器會將受檢測的分子作有限度的擊碎；由於分子破碎時，有各自特定的模式，經由解讀這些碎片“指紋”，可以推知原先分子的結構。綜合LC與MS的優點，無需對成分複雜的檢體作太多的處理，我們便可以在種類、數量甚至分子結構上，得到非常有用的資訊。
質譜儀可以藉由解讀分子的碎片“指紋”，而推知它碎裂前的結構。當然，這原理也可以直接應用在分析蛋白質的結構。不過在送入機器前，我們通常必須先用蛋白酵素處理蛋白質，將它轉成機器能夠分析的胜肽(Peptides)。經過質譜儀的誘發，這些胜肽(Peptides)會循著一定的模式碎裂，機器並隨即記錄下此碎片質譜，聯結的電腦資料庫可協助來判讀質譜。
質譜儀的功用
質譜儀本身具有偵測化合物分子量的基本功能，更可以有效地定性及定量分析物種的種類。質譜儀的運用開始於1912年，湯木森（Joseph J. Thompson）對小分子結構的分析。此外，1934年諾貝爾獎得主哈諾德‧尤瑞（Harold Urey）發現氘，以及一九九六年的諾貝爾獎「富勒烯」（fullerenes又稱碳六十、球烯）的發現，皆借助於質譜儀的分析。質譜儀的發明，讓我們可以快速鑑定出一個樣品中化合物的分子量，並且可以進一步知道其分子結構，隨著新式質譜儀的開發，更提供了一個針對生化大分子研究的有利工具。
質譜儀的結構共分為五大部分，包括樣品導入系統、離子源、質量分析器、偵測器、及數據處理系統。2002年的諾貝爾化學獎得主芬恩和田中耕一的主要貢獻，就在游離源方法的研發與突破。游離源的功能是使原本是中性的分子變成帶電荷的離子，而質譜儀是利用偵測物質的質量與電荷比值大小來分析離子。傳統上使分子游離的方法有電子游離法（EI）、化學游離法（CI）、熱灑法（TS）、場游離法（FI）、場脫附法（FD）、快速原子撞擊法（FAB）、電漿脫附法（PD）等。
質譜儀的基本構造
如虎添翼的發明
這些傳統的游離法並不能游離巨大的生化分子，也就是說對於生化分子，一直無法對其做進一步的分析與解構，直到電灑法與基質輔助雷射脫附法的出現。芬恩和田中耕一就是在電灑法與基質輔助雷射脫附法的游離方法上有很大的貢獻，所以芬恩和田中耕一才榮獲2002年的諾貝爾獎。
質譜特性
1. 高靈敏度，質譜分析所需之樣品量在10-9~10-16 mole之間。
2. 分析範圍廣。質譜儀可分析小至氫氣，大至數十萬分子量的蛋白質分子。
3. 具極高的辨識能力，無論氣相質譜儀或質譜/質譜儀皆具極高的定性能力。
4. 分析速度快，質譜/質譜大幅提昇了混合物分析的速度。
5. 易於和各種不同分離儀器(如氣相層析、液相層析及毛細電泳儀等)相結合，因而大幅提升分離儀器的分析能力。
6. 質量的分辨能力可輔助層析解析能力的不足。
質譜儀因具有上述之功能而成為醫藥、生技、環境及化學領域極為重要的分析儀器。
三聚氰胺如何檢驗
以前幾年最受關注的三聚氰胺（melamine）為例，檢驗工作的第一步是「前處理」，就是盡量把樣品中的三聚氰胺分離出來；然後再送進「層析儀」和「質譜儀」，進行精密的純化和定量。
層析儀和質譜儀都非常靈敏，前處理若沒做好，樣品中雜質太多，不但影響後來的處理速度，也會降低精確度。三聚氰胺的前處理通常要花兩小時，盡量取得雜質最少的三聚氰胺；接著放進精密儀器中，只要10分鐘，結果就出來了。
前處理
前處理必須先選擇適當的溶劑，將樣品中的三聚氰胺萃取出來。三聚氰胺幾乎不溶於水，但可溶於乙氰（CH3CN），因此可用乙氰將三聚氰胺溶出；但乙氰價格昂貴，所以實務上會利用其可溶於水的特性，將乙氰和水以1：1的比例混合，做為初步萃取的溶劑。
樣品溶於乙氰水溶液後，經過充份混合，即可以離心的方式，讓溶液與未溶解的物質分離，然後將上層含三聚氰胺的溶液取出。
離心過的三聚氰胺溶液中，可能包含了其他同樣可溶於乙氰的物質，因此必須通過「固相萃取匣」來進一步純化。固相萃取匣中裝有針對不同待測物而設計的特殊物質（這是各儀器公司的商業機密），倒入三聚氰胺溶液後，特殊物質會吸附住三聚氰胺分子，而讓乙氰和其他物質流走；然後再倒入95%乙氰和5%氫氧化銨（NH4OH）調配而成的溶劑，這種溶劑對三聚氰胺的溶解度非常高，可將三聚氰胺再次溶出，此時得到的就是純度非常高的三聚氰胺沖提液。
但是三聚氰胺沖提液中可能仍有其他固體雜質，因此必須以濾孔只有0.22微米的濾膜來濾除，接下來才可以開始進行色層分析。
色層分析
色層分析的目的，是將三聚氰胺進一步純化，做法是讓三聚氰胺沖提液在高壓下流過層析管，並和管中的填充物充份接觸；由於物質之間接觸時會產生互相吸引的拉力，因此會使沖提液中的物質流速減慢，而不同物質與填充物之間的拉力不同，於是樣品中各種不同成份的流速會變得不一樣，三聚氰胺就被分離出來。
層析方式有兩種：液相層析法和氣相層析法。液相層析法是讓三聚氰胺沖提液以特定壓力和流速流過長約25公分的層析管，讓溶液中的各種成份和層析管中的填充物作用，造成流速不同而分離出三聚氰胺。氣相層析法則是將三聚氰胺沖提液加熱氣化，使各種分子以氣態通過極細的層析管來將三聚氰胺和其他物質分開。由於氣體分子運動速率比液體分子快很多，因此層析管的長度必須夠長，才能讓不同運動速率的氣體分子充份分離。檢驗三聚氰胺的氣相層析質譜儀的層析管長達30公尺，若要檢驗脂肪酸分子，更需用長達100公尺的層析管。
定性與定量的方式
通過層析的三聚氰胺會在特定的時間流出層析管，此時就可用紫外光儀或質譜儀測量其質量。目前用於檢測三聚氰胺含量的儀器主要有三種：高效液相層析紫外光儀（HPLC/UV）、液相層析串聯質譜儀（LC/MS/MS）及氣相層析質譜儀（GC/MS）。
HPLC/UV是以特定波長的紫外光束照射流出的樣品，並偵測穿透的紫外光強度；由於三聚氰胺分子會吸收特定波長的紫外光，因此可從紫外光減弱程度推算溶液中的三聚氰胺質量，精確度可達1ppm（100萬分之一）。
若樣品中三聚氰胺含量極低，無法以紫外光計量，就必須在層析管後面連接質譜儀。質譜儀的原理是先讓受測物分子碎裂為數個帶電離子，當離子通過電磁場時，會受電磁場作用而偏轉，偏轉程度取決於離子的質荷比（質量與電荷的比值），因此可分離出不同質荷比的離子。
LC/MS/MS是先讓三聚氰胺分子連接上一個氫離子，然後讓每一個這樣的粒子以相同的速度撞擊氬原子而碎裂；GC/MS則是直接以特定能量的高速電子束將三聚氰胺分子打碎。
由於撞擊的能量固定，因此三聚氰胺只有幾種特定的碎裂方式，每種碎裂方式都佔一定的百分比，而每一種離子碎片都有自己的質荷比；只要讓這些離子碎片通過電磁場，就會在電磁場中產生不同的偏轉程度，因此分開而得以偵測。
目前靈敏度最高的質譜儀為「四極桿式質譜儀」，它是將四支電極棒以菱形排列，在電極棒上施加快速變動的電壓；撞碎的分子碎片（帶電離子）會通過四根電極棒之間的通道，只有特定質荷比的離子才能到達對面的偵測器，其他離子會因偏轉太多撞上電極棒而消失。
接下來質譜儀會偵測所有碎片中最大和次大的離子碎片，以某公司使用的LC/MS/MS為例，三聚氰胺碎裂後的最大和次大碎片，分別是離子質量85.10和68.15的碎片，數量比為3：1，若質譜儀偵測到的離子質量和數量比符合上述條件，就表示當初被撞碎的物質是三聚氰胺，然後就可根據這兩種碎片的數量，回推樣品中的三聚氰胺質量，精確度可高達0.1ppb（1ppb為10億分之一）。
GC/MS的精確度比LC/MS/MS差，測量三聚氰胺含量時，精確度只能到0.1ppm，但已比HPLC/UV高了10倍。雖然LC/MS/MS的精確度較高，但並非每一種物質都適合用它來檢測。因為要以質譜儀檢測物質時，一定要事先知道該物質的背景資料，以三聚氰胺而言，必須先知道用哪種層析方式可將三聚氰胺分離出來，以及三聚氰胺分子在質譜儀中的表現模式，而GC/MS現有的化學資料庫比LC/MS/MS的龐大許多。
質譜應用
1. 美國各大藥廠中，常見數十部的質譜儀(尤其是質譜/質譜儀)日夜不停的從事藥品研發、代謝及產品品質管制的分析工作。
2. 質譜在蛋白質體學(proteome)扮演日益重要的角色。
3. 質譜/質譜儀已取代原有之高液相層析儀探討醫藥之生理相等性(Bioeqivalence)及生理 可用性(Bioavailability)。
4. 使用高解析度質譜儀來分析食品中微量的戴奧辛。
5. 氣相層析/質譜儀是毒品及運動員禁藥檢測最終判定的唯一工具。
6. 台灣地區新生兒代謝異常之檢測正快速的由質譜儀來取代傳統的分析方法。
應用效益
本縣於2010年底購置壹台“液相層析 質譜／質譜儀 (LC MS/MS)”， 目前使用於黃麴毒素及塑化劑檢驗。今年6月遇上塑化劑風暴，自行檢驗塑化劑也大大縮短了實驗的速度，由原先2週的委外檢驗時程縮短至2～3天就可完成。本縣並參加北區分工檢驗體系，2012年起受理北區各縣市寄送黃麴毒素檢項之檢體至金門縣衛生局檢驗。
參考資料
(1) 吳慧芬、呂麗琪，質譜儀分析技術的突破開展生化科技新領域，科學發展，2003，362：49~51。
(2) 王應瓊著，儀器分析上冊，中央圖書出版社，p.p.165-167
(3) 王文竹，透視生物巨分子結構，科學月刊，2002，396：1033~1036
(4) 程雪梅、蘇青云和胡炎明，液相色譜－串聯質譜法分析海產品中四環素類藥物殘留，質譜學報，2009，30(2)：74～77。
