電離方法
質譜法只能應用於帶電粒子，因此所有質譜實驗都必須從化合物的電離開始。在質譜技術發展初期，如何電離化合物曾是一個主要瓶頸。因爲想控制物質的電離以及電離的程度並不容易。電離方法必須足夠強，才能把待測分子轉化爲帶電粒子；但又不能太强，否則待測物的分子可能會被摧毀殆盡。自1960年代以來，質譜研究者發展出了各種電離方法，有「軟」（即將待測分子化學鍵打斷的程度維持在最小限度）有「硬」，幾乎可以用於已知的所有物種。小到分子量幾Dalton的單原子氣體，大到分子量幾十萬Dalton的蛋白質，現在都可以用質譜法來測定。
電離方法的選擇取決於待測物的性質，比如物態（氣體、液體或固體）、是否已經帶電荷、電離的難度以及測試目的。現有電離技術可以處理小分子到大分子，可以從中性待測物產生陽離子、自由基陽離子、陰離子和自由基陰離子。有些電離技術需要高真空，而另一些技術可以在接近常溫常壓下產生離子。一些技術可以直接電離樣品，不需要任何樣品製備；而另一些則需要藉助介質（matrix）或者載氣（carrier）。分子電離後，產物離子還可能進入多種激發態。電荷和激發態的交互作用會使離子發生各種各樣的分解和重排，產生不同程度的碎片。
1. 電子電離
對於有機小分子來說，歷史最悠久且至今仍在使用的方式是電子電離，亦稱為電子碰撞電離（Electron Impact Ionization，簡稱EI）。EI 源加熱燈絲產生電子流，並加速到一定的動能，通常在70 eV左右。在高真空下（約10-8至10-9大氣壓），待測樣品以垂直於電子流的方向引入離子源。此技術的名稱稍有誤導性：和分子直接發生碰撞的電子並不多。真正使分子電離的是電子高速穿越分子周圍的空間，使電場發生劇烈擾動，從而誘導電離。EI 源腔室有磁場，因此電子的徑跡不是直綫，而是螺旋前進。電子到達腔室彼端後被電子阱捕捉並中和。
什麽選擇70 eV？在這個能量區間，電子的德布羅意波長與有機分子中典型鍵的長度（約140 pm）相若。正像共振現象一樣，70 eV電子和待測有機分子相互作用的几率達到最大化，電離效率也達到最優。如果能量低於70 eV，電子可能無法電離待測物。如果電子能量高於70 eV，電子的德布羅意波長小於典型有機物中的平均鍵長，無法引發充分「共振」，導致電離效率降低。即使在最優條件下，也僅有千分之一的待測物分子被電離，對於質譜分析已經足夠。
EI的優點是設備簡單、易於實施、再現性好、電離範圍廣。其主要缺點是，分析物必須在測定溫度具有一定的蒸汽壓。其次，EI電子源會快速加熱樣品，並達到幾百度的高溫。因此對溫度敏感的化合物可能無法用EI源分析。最後，EI方法屬於硬電離技術，引發的分子碎片化較嚴重，質譜圖可能難以解析。有些分子可能觀察不到分子離子峰。EI方法適用的分子量有限，一般不超過兩千Dalton。
2. 化學電離
在早期EI研究中，人們發現電子不是引發電離反應的唯一源頭。電離之後的待測物分子之間、分子碎片也會發生相互作用，產生二代離子。這個機理稱作化學電離（Chemical Ionization，簡稱CI）。所以EI譜包含很多CI產生的峰。由於產生下一代離子時都會損失能量，CI的能量水平較低，所以是一種「軟」電離方法，很容易產生分子離子。通過選擇不同的載氣，CI可以產生陽離子和陰離子。另外，CI電離過程的能量也可以通過載氣來調節，因此對碎片的大小可以有更好的控制。這些特點允許用戶用CI來客制并選擇最佳的分析途徑。
1960年代中期，儀器專家開始考慮如何充分利用CI并把它發展為較通用的電離方法。CI離子源設計與 EI設計非常相似，但也有區別。首先，主要離子化粒子仍然是電子。它們在高真空下（10-7大氣壓以下）被加速至200-1,000 eV的能量，然後通過小孔引入電離腔。腔中充有載氣，一般維持在10-3大氣壓。常見的氣體包括甲烷、氨、水和異丁烷。在高能電子的作用下，比待測物濃度高很多（一千倍到一萬倍）的載氣先被電離，產生初級離子。然後，初級離子再和待測物發生碰撞，形成次級離子。其能量交換遠低於70 eV，因此次級離子碎片化的幾率大大降低。比起EI譜圖，CI譜中峰的數量較少，較容易解讀。
負化學電離（NCI，也稱為 NICI）是CI的一個特例，對易於形成負離子的化合物較爲適宜，比如含有酸性基團、電負性元素、氧化劑等。待測物須能夠產生負離子，比如通過電子捕獲電離、低能電子解離捕獲以及離子-分子相互作用等機理。多數環境污染物含有鹵素，例如多氯聯苯（PCB）、殺蟲劑和阻燃劑等等。由於鹵原子的高電負性，NCI是首選。因此在環境檢測中NCI是一種非常重要的技術。由於其相似性，現代EI/CI離子源通常同時具有兩種功能，可以迅速切換。其主要區別是EI不需要載氣。CI電離腔中無需高真空，也不需要磁場和電子阱。由於分子量對揮發性的限制，EI/CI適用的分子量區間相仿，一般不超過2,000 Dalton。
3. 解吸和噴霧電離法
EI和CI被廣泛用於分析相對揮發性的小分子。然而，這些氣相電離技術對於缺乏顯著蒸氣壓的物質是不可行的。這種限制禁止大分子、鹽和高極性物質。解吸技術對冷凝相的分析物進行操作，因此不受蒸氣壓相關的限制。多年來，已經開發了許多方法，但隨著更通用的方法取代它們，它們已經過時了。我們並沒有記錄所有這些方法，而是只介紹兩種目前最常見的有機系統方法：快原子轟擊（FAB）和基質輔助雷射解吸電離（MALDI）。前者曾經得到廣泛的應用，而後者是當今使用廣泛的解吸技術。兩者都是把大量能量轉移到分析物，把非揮發性大分子變成離子，並且往往會產生單一 (M+H)+ 質子化離子，碎片有限。
解吸離子化方法在分析複雜大分子上扮演了關鍵的角色。1980 年曼徹斯特大學的 Michael Barber 開發的快速原子轟擊 (FAB)，是以高能量原子轟擊樣品以產生離子。此方法對於非揮發性和熱易變化合物有優勢，但由於其他技術的進步，此方法已漸漸乏人問津。
基質輔助雷射解吸/離子化 (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization, MALDI) 是由 Franz Hillenkamp 和 Michael Karas 於 1985 年提出概念，並由田中耕一於 1987 年開始實際應用。他使用獨特的液體基質來離子高分子量的蛋白質。MALDI 的工作原理是將樣品與基質混合，基質吸收激光能量，促進樣品解吸與電離，並將碎片減至最少。噴霧電離技術如電噴電離 (ESI) 則是由 John B. Fenn 在 1980 年代所開創，並於 1989 年發表重要論文。ESI 的運作原理是在電場下從溶液中製造出細霧狀的帶電液滴，進而產生多重電荷的離子，這對於分析大生物分子特別有利。
這些方法具有軟電離技術的共同特質，可保持被分析分子的完整性。然而，它們在方法上有所差異；MALDI 使用雷射和基質來產生離子，而 ESI 則依賴施加於液流的電場。MALDI 通常會產生單一電荷的離子，而 ESI 則可產生多重電荷，擴大可分析的質量範圍。
FAB 的原理是以高速的中性原子轟擊樣品，通常是在真空中進行，由於基質的保護作用，樣品會以最小的碎片電離。MALDI 的機制是樣品與基質結晶；當基質被激光照射時，基質吸收能量，導致樣品解吸與電離。
MALDI 的優點包括適用於碎裂率低的大型生物大分子、對痕量樣品的高靈敏度，以及操作簡易。然而，為某些化合物選擇合適的基質可能會有問題。ESI 的優點在於其與液相色譜法的相容性，可進行線上分析，並能處理多電荷離子，能分析大分子。其限制包括溶劑依賴性和潛在的高背景雜訊。儘管 FAB 在當時具有突破性的意義，但由於其複雜性以及 MALDI 和 ESI 等多功能方法的出現，目前已較少採用。
4. 二維電噴霧電離 (ESI)
與解吸方法一樣，電噴霧電離已廣泛用於研究大分子，但它也適用於低分子量化合物的電離。其電離過程與先前討論的方法有很大不同。因此，它提供了分析多電荷離子的可能性。在這種方法中，極低能量轉移到分析物，因此它是一種非常柔軟的電離過程。 ESI 的獨特之處在於，樣品中不會沉積大量能量來啟動電離過程。相反，ESI 通常依賴於溶液中的自動電離，因此要求分析物含有在 ESI 溶劑中至少可輕微電離的官能基。此要求限制了適合 ESI 的分析物範圍。好的溶劑需要具有揮發性（以幫助蒸發）、極性（以幫助離子的形成/溶解），並且具有相對較低的表面張力（以幫助形成小液滴）。考慮到這些因素，甲醇和乙腈等溶劑是不錯的選擇，並且通常與水混合使用。
ESI 來源的設計簡單，但種類繁多。在設計中使用的特定組件。兩個主要組件是電噴霧針（通常稱為發射器）和用作質量分析器介面的加熱毛細管。在典型的實驗中，發射器相對於加熱毛細管的入口被升高到相對較高的電位（1‑5 kV）。發射器可以是不銹鋼針，或者在納噴霧系統的情況下，可以是拉出的二氧化硅毛細管，透過液體接觸或金屬塗層充電。針可以相對於加熱的毛細管成一直線或正交排列。
5.大氣壓力化學電離 (APCI)
ESI 的一種變體稱為大氣壓力化學電離。這兩種方法是相互關聯的，因為它們共享非常相似的來源設計。主要差異在於分析物的性質。在 ESI 中，分析物必須能夠在溶液中形成相當穩定的離子。
這對許多物種來說都是可能的，包括大多數生物學相關的化合物。然而，許多重要的極性非揮發性物質在 ESI 源中無法自動電離。對於這些系統，另一種方法是透過與試劑離子（即 CI）發生氣相反應來誘導電離。實際上，分析物作為溶液透過加熱霧化器引入源室。在高電位的針和源室壁之間產生電暈放電。這種放電可以電離溶劑或霧化氣體，隨後的氣相反應產生分析物離子。電離過程的性質（質子化物質或自由基離子的形成）取決於所使用的氣體和溶劑的細節。離子透過與 ESI 源使用的相同類型的介面引入質譜儀。與其他 CI 方法一樣，有形成單電荷離子的趨勢。
儘管 APCI 的使用不如 ESI 廣泛，但它在中等大小、非揮發性物質（500–1500 Dalton）的分析中佔據了重要地位。它在藥物發現和代謝物分析中具有特別優勢。
題圖：一台Thermo Scientific製造的Orbitrap (軌道阱) 質譜儀。（來源：wikicommons，CC-BY-SA 3.0）
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