傅立叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）在多领域中的应用综述

引言

傅立叶变换离子回旋共振质谱（Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry, 简称FT-ICR MS）是当前质谱技术中分辨率和质量精度最高的仪器之一 。凭借强大的超高分辨本领，FT-ICR MS 能够在单次分析中区分出质荷比相差不到0.001 Da的离子，从而为复杂样品的分子组成解析提供了前所未有的细节 。这一技术自问世以来，在分析复杂化学混合物方面显示出独特优势，最初广泛应用于石油化学领域的“石油组学”研究，并推动了实验方法、数据处理和仪器发展的革新 。近年，随着技术的进步和全球各实验室的投入，FT-ICR MS的应用不断拓展到环境科学、生命科学以及国防安全等多个方向，成为相关研究前沿的重要工具。

本文系统综述FT-ICR MS在以下五个方向的应用进展：（1）溶解性有机物（DOM）与环境碳循环，（2）大气气溶胶（特别是棕色碳）研究，（3）蛋白质组学与生物标志物筛查，（4）石油、能源与材料科学，以及（5）核武、生化监测等军工领域。我们将分别讨论每个领域中FT-ICR MS所体现的技术优势、取得的代表性成果以及面临的关键挑战，并结合2020年以来国内外高水平研究案例加以说明。例如，中国科学院相关研究单位、美国国家实验室、欧洲马普学会所属研究所等都在积极探索FT-ICR MS的应用，为科技创新和决策提供支撑。以下各节将对此展开详细论述。

1. 溶解性有机物（DOM）与环境碳循环

技术背景与优势： 溶解性有机物（DOM）广泛存在于江河、湖泊、海洋等水体中，是全球碳循环的重要组成部分，其来源、转化和归宿直接影响着温室气体排放和碳汇过程。DOM本身由成千上万种不同分子构成，分子量跨度大、元素组成多样，给传统分析带来极大挑战。FT-ICR MS 凭借超高的质量分辨率和精确度，能够在分子水平解析DOM的组成，将不同分子式“一一分辨”并准确赋予元素组成 。这使科研人员能够从混合信号中辨识出单个DOM分子，为研究DOM在生物地球化学循环中的作用提供了坚实基础。例如，FT-ICR MS可以区分出仅相差几毫道尔顿的组分，如C_3组分与SH_4组分（差异约3.4 mDa），从而确保对含C、H、O、N、S等元素的DOM分子进行唯一分子式指认 。相较于紫外、荧光等常规手段只能提供总体性质，FT-ICR MS提供了真正分子尺度的视角，这对于理解DOM的结构和反应活性至关重要 。

代表性成果： FT-ICR MS在DOM研究中的应用始于上世纪末。美国国家强磁场实验室（MagLab）的科学家首次使用FT-ICR MS分析了Suwannee河水中的天然有机质标准样品，开辟了地球化学研究的新方向 。此后近二十年里，越来越多研究团队投入该领域。2018年，MagLab的21特斯拉(T) FT-ICR MS投入DOM分析，质谱分辨率高达$m/z$ 400处270万 ，实现了对单一样品中数万种分子成分的清晰分辨和精确鉴定 。据统计，2011-2020年以“FT-ICR MS”和“有机质”为关键词的论文有571篇之多，表明全球众多研究组（包括原油、生物燃料、土壤、泥炭、海洋和大气颗粒等不同领域）都在利用FT-ICR MS研究复杂天然有机物 。这些努力取得了一系列重要成果。例如，通过FT-ICR MS分析不同环境来源的DOM，人们揭示了淡水、海洋和土壤DOM在元素组成和分子多样性上的显著差异，阐明了区域/全球碳循环过程中的DOM来源和转化路径 。又如，中国科学院地球化学研究所等单位利用FT-ICR MS对我国河流和湖泊DOM进行系统研究，鉴定出其中大量的芳香族和含氮、有硫组分，并将其与微生物分解过程联系起来，丰富了对DOM在碳循环中作用的认识。据报道，结合FT-ICR MS的分子信息和核磁共振等技术，可判定DOM中芳香、羧酸等官能团的占比，从而理解其稳定性和反应性 。这些分子层面的发现对于评估DOM作为碳库或碳源的角色具有重大意义。

关键挑战： 尽管取得了上述进展，FT-ICR MS在DOM研究中仍面临多重挑战 。首先是样品前处理与离子化偏差。环境水体中DOM浓度往往很低（深海中溶解有机碳浓度<50 μmol/L），且伴随大量无机盐 。直接进样会因盐类形成的离子干扰而极大降低分析灵敏度 。为此，通常需要将DOM从水中提取富集并脱盐，如固相萃取（SPE）是常用方法 。然而，不同极性的DOM组分在提取过程中的回收率不一，酸化等步骤也可能改变部分分子形态 。因此，即便是FT-ICR MS，也难以捕获DOM的全貌——总有一部分成分无法被检测到 。其次是数据解析的复杂性。一次DOM样品的FT-ICR MS分析往往可以得到成千上万的峰信号，需要借助算法将其归属分子式，并通过Kendrick质量缺失图、van Krevelen图等可视化手段寻找规律。DOM分子种类繁多且结构不确定，单靠精确质量仍不足以推断明确结构，需要结合多维技术（如MS/MS碎片分析、离子淌度分离等）才能获得结构线索 。这些都增加了数据处理和解释的难度。此外，定量分析也是瓶颈——由于不同DOM分子电离效率差异悬殊，质谱峰强度难以直接转化为真实浓度，导致FT-ICR MS更适合作质的鉴定而非精确定量 。最后，FT-ICR MS仪器昂贵且维护复杂，目前主要集中在大型科研机构和国家实验室，这限制了其大规模常规应用 。为应对上述挑战，研究者们正在尝试多种改进措施，例如开发更温和高效的DOM提取方法、组合多种电离手段以覆盖更多组分，以及引入人工智能辅助海量谱图的分子网络分析等。可以预期，随着方法学的完善和数据共享的加强，FT-ICR MS将在环境DOM研究中发挥更大作用，为揭示环境碳循环的奥秘提供更清晰的分子图景。

2. 大气气溶胶与棕色碳（BrC）研究

技术背景与优势： 大气气溶胶中的有机物是大气化学和气候研究的热点，其中“棕色碳”（Brown Carbon, BrC）指能吸收可见光和近紫外光的一类有机组分 。BrC通常由燃烧产生的复杂有机化合物组成，如多环芳烃、含氮芳香族化合物、酚类及其二次反应产物等，因对太阳辐射具有吸收作用而在气候强迫中扮演重要角色 。然而，BrC的分子组成极其复杂，且浓度相对于无机离子（硫酸盐、硝酸盐、铵盐等）通常较低，对分析技术提出了严峻挑战 。FT-ICR MS的出现为破解BrC成分提供了利器：通过对经提取分离的气溶胶样品进行超高分辨质谱分析，研究者能够同时检测数千种有机分子，包括许多传统手段难以发现的大分子低挥发性组分和异构体。例如，有研究报告水溶性有机物（WSOM）约占大气细粒颗粒物有机碳的20–80%，对全球变暖有重要贡献 。FT-ICR MS可以在消除无机盐干扰后，对WSOM中海量分子进行精细刻画，从而识别出具有强光吸收特性的关键物质。如胡等人（Hu et al., 2021）利用FT-ICR MS详细分析了北中国大气颗粒中BrC的元素组分，发现其中含氮和含硫芳香族分子的相对丰度显著影响光吸收强度 。相比于以往依赖总有机碳或光学性质推测，FT-ICR MS提供了直接的分子证据，使科学家能够将气溶胶的光学特性与具体化学结构联系起来。这对于理解BrC的生成机制和环境影响非常关键。

代表性成果： 近年，大气气溶胶领域对FT-ICR MS的采用迅速增加，诞生了一系列重要成果。在一次典型研究中，科研人员针对生物质燃烧产生的BrC进行了模拟实验和分析，发现光氧化可显著改变BrC的分子谱图，比如一些原本大量存在的硝基酚类物质在UV照射后浓度下降，同时生成了更多高氧化度的有机酸 。这些变化通过FT-ICR MS得到清晰监测，有助于解释大气中BrC随时间的老化和光漂白现象。另一个引人注目的案例是我国科研团队对青藏高原冰雪中棕色碳的研究：由于偏远地区的大气棕碳可能远距离输送而来，成分复杂难以溯源。研究人员应用FT-ICR MS鉴定出冰雪中BrC的详细分子式组成，并结合光谱分析发现，这些BrC富含芳香族和含氮组分，是导致冰雪加速吸收太阳辐射的原因之一 。他们由此推断出这些棕色碳很可能源自喜马拉雅周边生物质燃烧的长距离输送 。在欧美，多家机构也开展了相关工作：例如美国太平洋西北国家实验室（PNNL）将FT-ICR MS用于城市大气PM${2.5}$组分的非靶标解析，鉴定出上千种二次有机气溶胶分子，其中包含复杂的过氧化物和低挥发性寡聚物；德国马普化学研究所等单位则利用该技术比较了不同地区气溶胶的分子指纹，发现生物质燃烧排放的气溶胶中含硝基芳香族比例远高于化石燃料排放，为区分污染来源提供了依据。总体而言，FT-ICR MS帮助科研人员绘制了大气有机气溶胶的“分子全息图”，例如在单一城市PM${2.5}$样品中同时鉴定出数千种分子式，涵盖CHO、CHON、CHOS、CHONS等多种类型，从而揭示了大气有机物前所未有的复杂性 。这些详细分子信息对于改进大气化学模型、评估气溶胶的气候效应具有重要价值。

关键挑战： 尽管FT-ICR MS极大推动了BrC研究，但仍有诸多困难亟待克服。首先是代表性采样和前处理。获取足量且具有代表性的气溶胶WSOM样品常常需要长时间、大体积的采集，加之还需通过滤膜提取、萃取等步骤富集有机物、去除无机盐 。这些过程可能导致部分组分损失或转化，因此如何尽可能无偏地富集BrC是个挑战。此外，气溶胶中的BrC组分千差万别，结构鉴定困难：FT-ICR MS提供精确的分子式，但许多BrC分子（例如同分异构体、各种高分子量寡聚物）仅凭分子式无法确定其结构和来源，需要借助MS/MS碎片谱或者核磁、红外等谱学手段辅助推断。然而，对复杂混合物进行逐一碎片分析几乎不可能，这使大量BrC分子虽有分子式信息但“身份不明”。第三，关联化学组成与光学性质仍具挑战。BrC的气候效应取决于其光吸收系数，而FT-ICR MS揭示的是化学组成。如何将成千上万种分子的谱图数据转化为对光学行为的理解，需要将质谱数据与光学测量及模型相结合。例如，不同功能团的分子对光吸收的贡献、混合状态的影响等，都是当前研究的难点。此外，时间分辨和空间分辨也是限制：FT-ICR MS目前主要用于实验室离线分析，很难实现大气BrC实时连续监测或高时空分辨的观测，这限制了对BrC动态过程的直接观测。为应对这些挑战，研究者正在探索解决之道。例如，将FT-ICR MS与液相色谱、气相色谱联用可在一定程度上简化混合物复杂性，提高结构鉴定能力；发展结合激光解吸电离的FT-ICR成像技术可对单颗粒或沉积物中BrC进行空间分布分析；利用机器学习方法从海量谱峰中提取与光学特性相关的分子特征也是前沿方向之一。展望未来，随着采样技术和数据解析方法的进步，我们有望更准确地解码大气棕色碳的“分子密码”，从而更好地评估其环境和气候影响。

3. 蛋白质组学与生物标志物筛查

技术背景与优势： 蛋白质组学旨在全面研究生物体内蛋白质的组成和修饰状态，其中一个核心挑战是在保持蛋白质完整性的情况下解析其结构差异（如氨基酸变异和翻译后修饰）。FT-ICR MS 在高分辨、高精度测定复杂大分子方面的优势，使其成为顶-down蛋白质组学（直接分析完整蛋白质，又称全序蛋白质组学）的理想工具 。与常规的“自下而上”方法（将蛋白质酶解成肽段再分析）相比，顶-down方法可以保留蛋白质的全序列和修饰信息，但对质谱分辨率要求极高。FT-ICR MS凭借兆级的分辨率和ppb级的质量精度，能够在不经过消化的情况下直接测出完整蛋白质（proteoform）的精确分子量，并通过多级碎裂谱获取其氨基酸序列和修饰位点 。尤其在高磁场（如21 T）FT-ICR上，可以实现对几十千道尔顿大小蛋白质的超高分辨分离，甚至将不同翻译后修饰（PTM）导致的1 Da以内质量差异分辨出来。这使得研究人员能够同时鉴定一种蛋白质的多个变体（如不同磷酸化状态、不同糖基化形式），进而将其作为疾病生物标志物进行筛查和定量 。此外，FT-ICR MS还可搭配电子捕获解离（ECD）、电子转移解离（ETD）等独特碎裂技术，对脆弱的PTM（如磷酸酯键）进行温和裂解，从而提供清晰的序列片段信息，方便确定修饰位点 。综合而言，在蛋白质组学领域，FT-ICR MS的优势体现在：超高的质量分辨率确保精确区分蛋白异构体，宽广的质量范围覆盖大型蛋白和蛋白复合物，多样的碎裂手段有助于深入解析序列信息和修饰定位。这些优势使其在发现和鉴定疾病生物标志物方面显示出巨大潜力。

代表性成果： 利用FT-ICR MS开展的顶-down蛋白质组学已取得多项突破性进展。例如，美国威斯康星大学的研究团队依托21 T FT-ICR MS对人心肌组织中的肌钙蛋白进行了深入分析，成功分离鉴定了该蛋白的多种磷酸化异构体，发现慢性心力衰竭患者心肌肌钙蛋白I的特定磷酸化位点发生明显变化 。这一发现表明，特定蛋白质变体的丰度变化可作为心衰的潜在生物标志物。又如，在血液疾病诊断中，传统方法难以精准区分血红蛋白的突变体和变体。为此，有研究团队定制了21 T FT-ICR MS用于全血顶-down分析，成功检测出血红蛋白中由点突变引起的质量差异，并可在复杂背景下分辨轻链/重链的变体组合，从而用于地中海贫血等遗传性血红蛋白病的诊断 。除了蛋白质本身，小分子代谢物的生物标志物筛查也是FT-ICR MS大显身手的领域。代谢组学通常需要分析体液或组织中数百至数千种代谢产物，要求仪器具备高通量和高分辨。FT-ICR MS因其异常出色的分辨率（10^5–10^6）和亚ppm质量误差，可以在一次分析中同时鉴定上千种代谢物，并可靠地区分出结构相近的异构体，这对疾病标志物的发现十分有利 。例如，近期一项综述总结了FT-ICR MS在临床和动物模型中的代谢组学应用：在针对II型糖尿病小鼠的研究中，研究者利用FT-ICR MS检测并注释了约1000种代谢物，其中有300余种在患病组和健康对照组间呈显著差异 。这些差异代谢物涉及氨基酸、脂质和能量代谢等多个通路，为糖尿病的早期诊断提供了一组有潜力的生物标志物。同样，在阿尔茨海默症模型中，通过FT-ICR MS鉴定出若干随疾病进程显著变化的代谢产物，提示其可能作为疾病进展指标 。值得一提的是，FT-ICR MS还可用于质谱成像（MSI）领域：将其与MALDI（基质辅助激光解吸电离）相结合，可以在生物组织切片上获得空间分辨的代谢物分布图谱，且分辨得到的分子多于传统TOF质谱。这一能力已被应用于肿瘤组织中代谢标志物的发现，帮助研究人员在肿瘤边缘检测到潜在的代谢异常，为外科切除范围提供依据。此外，一些研究将FT-ICR MS用于中药和微生物代谢物的筛查，鉴定出一系列活性成分或新的代谢途径。

关键挑战： 虽然FT-ICR MS在生物组学领域成果斐然，但依然存在不容忽视的挑战。首先，分析速度和数据量是一个现实问题。由于顶-down蛋白质组学需要逐个大分子进行碎裂谱获取，FT-ICR MS扫描一个高质量碎片谱往往耗时较长，难以像常规底-down那样高通量地处理数千种蛋白。这导致顶-down方法目前多用于针对性研究（例如目标蛋白的深度解析），距离大规模proteome测定尚有距离。此外，测得的数据复杂度很高：一个组织样本可能产生上百万条质谱峰，需要专门的软件进行分子式匹配、同位素簇解析和谱图比对。这方面的生物信息学仍在发展中，如何准确地从海量质谱数据中提取生物学信息（如找到真正的疾病相关标志物）具有挑战。第二，大型蛋白质的完全表征依然困难。虽然FT-ICR MS分辨率极高，但对于超过100 kDa的大蛋白和带有多个修饰的蛋白，谱峰的重叠和信号弱化依然可能导致序列或修饰信息不全 。一些研究转而采用“中-down”（将蛋白部分酶解成较大片段）或多酶切组合，以简化谱图复杂度 。第三，仪器获取和运行成本较高也是制约因素。目前21 T等超高场FT-ICR主要集中在少数实验室（如美国MagLab、中国部分科学院单位等），一般医院或生物实验室难以配备。这导致生物标志物研究中，FT-ICR MS更多是承担“发现者”的角色，即在科研阶段确认候选标志物，然后再开发易于推广的靶向检测手段 。例如，上述心衰标志物发现后，可进一步利用抗体测定或常规质谱定量来应用于临床检测。最后，在代谢组学等领域，标准化和可重复性也是挑战。不同实验室的FT-ICR MS结果可能因仪器校准、软件参数等产生差异，近年来出现的多中心协作（例如欧洲FT-ICR MS网络）正致力于建立统一标准以提高数据可比性。尽管如此，这些挑战也正成为技术进步的动力所在。例如，学界正开发更快速的FT-ICR扫描模式、新型碎裂方法以及与离子淌度联用的技术，以提高蛋白质和代谢物组学的通量和深度 。可以预见，随着计算技术的融入和仪器性能的提升，FT-ICR MS将在生命科学领域发挥更大作用，从发现疾病机理到指导精准医疗都将有所作为。

4. 石油、能源与材料科学

技术背景与优势： 石油及相关能源材料通常由成千上万种有机分子组成，其复杂程度被比喻为“化学宇宙”。例如，原油中含有各类烃类、含氮硫氧杂原子的化合物，沸点跨度大且相互混溶，很难用传统分析手段逐一解析。FT-ICR MS的出现，直接推动了“石油组学（Petroleomics）”这一新兴领域的发展 。依托FT-ICR MS的超高分辨率，科学家能够在不经色谱分离的情况下，将原油中数以万计的成分按质量差异分辨开，并基于精确质量确定其元素组成 。这使得对原油等复杂体系进行“分子识别”成为可能。例如，FT-ICR MS可以识别出原油中C、H、N、O、S构成的分子式，并根据其不饱和度和杂原子种类进行分类，从而绘制出原油的分子组成指纹图谱。相比于传统的蒸馏分馏和元素分析，FT-ICR MS提供了直接的分子级别信息，能够区分出同一馏分中不同极性和环芳烃程度的化合物。这对理解石油的物性、加工行为和储运稳定性都有重要意义。例如，通过FT-ICR MS分析可发现，原油中引起管道沉积的“沥青质”由成千上万种高芳香、高极性的分子构成，而并非过去假设的单一大分子结构。这一认识改变得益于FT-ICR MS的高分辨分子鉴定能力。

代表性成果： 在石油领域，FT-ICR MS已经取得了诸多标志性成果。佛罗里达州立大学和美国强磁场实验室的Marshall和Rodgers等率先将FT-ICR MS应用于重质原油分析，提出了用分子式分布来表征原油质量的新理念 。近年来，随着仪器性能提高和方法改进，石油组学研究不断刷新认知上限。例如，利用一套优化的实验和算法，有研究团队在不借助色谱分离的情况下，在单一样品中鉴定出高达244,779种不同分子式，创造了复杂混合物分析的纪录 。该实验针对的是原油中最难分析的一部分（重质不可蒸馏馏分），通过FT-ICR MS分段扫描和数据拼接的方法，获取了前所未有丰富的分子信息。结果显示，这一馏分中含有大量高环烃、高硫、高氧的分子，其中许多在常规分析中从未被发现。这一成果充分展示了FT-ICR MS在解析极端复杂样品方面的非凡能力。不仅如此，FT-ICR MS帮助石油化学家深入认识了原油中杂原子化合物的行为。例如，中国石油大学和中科院大连化物所的科研人员通过FT-ICR MS开发了一种选择性检测原油中有机硫化物的方法：在电喷雾电离中添加微量HBF_4促进硫化物离子化，从而可以同时检测原油中的硫醚和噻吩类化合物 。这一2020年的研究成功实现了对高含硫原油中硫组分的定性分析，发现硫醚类和噻吩类化合物在不同原油中的比例差异可用于评估其加工过程中形成硫化氢和腐蚀的风险。这种方法为清洁炼油和脱硫工艺优化提供了新的思路。同样地，FT-ICR MS还用于研究生物燃料和煤液化产物等非常复杂的能源化工样品。例如，分析生物原油表明其中含有大量高氧含量的组分，通过与石油基原油分子组成对比，可以指导改进生物油的加氢升级工艺。再如，在油页岩、沥青质的研究中，FT-ICR MS鉴定出了多环芳香族核与多种官能团组成的大分子结构，有助于理解这些材料的热解行为和黏度特性。

在材料科学方面，FT-ICR MS同样有用武之地。一个显著的例子是在高分子材料分析中，传统的凝胶渗透色谱只能给出聚合物的分子量分布，而FT-ICR MS能够进一步提供每个寡聚物链的精确分子式。研究者曾用FT-ICR MS对某新型树脂的降解产物进行分析，发现了数十种末端官能团不同的低聚物，帮助确定了该树脂的降解路径。另外，对于有机功能材料（如有机光电材料、电解质添加剂等），FT-ICR MS可以用来检测制造或使用过程中产生的痕量杂质和副产物，从而保障材料纯度和性能。例如，在锂电池电解液研究中，FT-ICR MS鉴定出电解液在高温存储后生成的一系列磷酸酯类聚合物，这些物质会影响电池性能，该结果促使工程师改进电解液配方。总的来说，在能源与材料领域，FT-ICR MS通过提供分子层面的“配方”分析，大大拓展了人们对复杂化工体系的理解，并为工艺优化和新材料研制提供了科学依据。

关键挑战： 尽管成果丰硕，FT-ICR MS在石油和材料分析中也面临若干挑战。首先是数据解析与呈现。例如，对于一个原油样品，常常会检测到成千上万的分子式，如果缺乏有效的整理，可视化手段，数据本身难以转化为化学或工艺上的见解。为此，研究人员发展了多种分析工具，如Van Krevelen图将分子式按H/C和O/C比进行分组，Kendrick质量标度将同系物排列在一起 等。虽然这些手段能在一定程度上揭示规律，但对于244K级别的谱峰数据，如何自动化、智能化地挖掘信息仍是难题。此外，电离方式偏差的问题在石油类分析中尤为突出。电喷雾电离（ESI）偏向检测极性较强的化合物，而许多烃类和弱极性物质无法被ESI有效电离；大气压光电离（APPI）和化学电离（APCI）则互补性地检测一些非极性物质 。然而，将不同电离方法结果整合会出现谱峰归属重复或条件差异等问题。例如，有研究比较了ESI、APPI、APCI对木质素模型物的检测表现，发现每种方法捕获的分子族差异很大，必须组合使用方能全面表征样品 。因此，在分析实际样品时，如何平衡多种电离方式以获得全面且可比的结果，需要经验和规范。另一个挑战是定量与标准化。石油样品由于基质复杂，无法轻易找到适用的内标物，FT-ICR MS通常被视为定性工具，其峰强度只能做半定量或相对比较。而在工业应用中，往往需要知道特定组分的含量变化，这方面FT-ICR MS还需要与其他定量技术结合。最后，仪器通量和成本也是实际考量。对炼厂或材料企业来说，要引进一台FT-ICR MS并培养专业人员并不容易，因此目前更多是科研机构提供协作支持。这也促使科学家探索将一些FT-ICR获得的认知转化为简单指标的可能性，比如利用光谱或色谱测得的替代参数去关联复杂分子信息。尽管如此，解决这些挑战的努力也带来了新进展。近期出现了将四极杆过滤与ICR结合的新型仪器，实现了针对感兴趣质量范围的深度检测，从而降低数据复杂度 ；还有学者提出利用机器学习预测质谱峰归属，自动完成繁琐的分子式分配和分类。一些国际标准组织也开始讨论建立复杂有机物FT-ICR分析的标准流程，使不同实验室的数据具有可比性。可以预见，随着这些工作的推进，FT-ICR MS在能源和材料科学领域将更加实用化，其产生的洞见也将更好地服务于工业生产和新材料开发。

5. 核武器与生化监测等军工领域

技术背景与优势： 在国防安全领域，对未知或痕量化学物质的鉴别与监测是一项重大需求，例如核武器试验后的环境取样分析、战场化学剂和生物毒剂的侦检、爆炸物及其前体的鉴定等。这类任务往往面对极其复杂的基质和微量的目标物，要求分析技术既要灵敏又要具有非凡的分辨鉴别能力。FT-ICR MS 正是满足这些苛刻需求的“终极”分析仪器之一。它能够在复杂基质中检测出痕量的有机物分子，并通过精确质量确定其分子式，即便是事先未知的化合物也可以解析其元素组成。这对于辨认非常规的化学威胁物质（如新型毒剂、隐形炸药等）尤为有用。此外，FT-ICR MS还可以通过多级质谱提供结构碎片信息，有助于推断未知物的结构骨架。相比常规的GC/MS或LC/MS，FT-ICR MS在需要排除干扰、确认未知方面有独特优势，因此常被作为最高判据的分析手段，用于支撑法庭科学鉴定或军控核查结论。例如，在核武器相关的环境监测中，可能需要分析爆炸后采集的土壤、气溶胶中所含有机物，FT-ICR MS可以帮助确定其中某些有机标记物是否来自核装置的炸药填充物或特定生产工艺，从而提供核爆来源的线索。再如，对于化学战剂，FT-ICR MS能够鉴定出其水解或代谢产物，为暴露评估和医疗救治提供依据。

代表性成果： 近年来，FT-ICR MS在军工及安全领域也有一些亮眼的应用案例。爆炸物检测方面，一个经典例子是对三过氧化三丙酮（TATP）的鉴定。TATP是一种恐怖分子常用的土制炸药，因不含氮元素而难以被警犬和常规检测仪发现。利用FT-ICR MS，法医科学家成功解析了TATP样品的详细化学组成，鉴定出其在合成过程中形成的各种过氧化物低聚产物 。更令人瞩目的是，他们将这项技术用于犯罪现场取证：通过分析可疑表面上残留的指纹，直接检测到了指纹中沾染的TATP痕迹，证实嫌疑人曾经接触过这种炸药 。FT-ICR MS不仅实现了爆炸物的无疑识别，还揭示了不同合成工艺留下的特征性分子指纹——例如使用不同酸催化剂合成的TATP，其质谱中某些特征低聚物峰强度有所差异，使得区分不同制备途径成为可能 。这些信息对于追查炸药来源、重建犯罪过程非常宝贵。在生化战剂监测方面，虽然直接报道较少，但可推见FT-ICR MS已在一些高安全实验室中用于新型毒剂的分析。例如，新型神经毒剂（如Novichok类）的分子结构复杂、毒性极强，FT-ICR MS可以提供其高精度分子量和碎片信息，协助解析配方成分并开发针对性的解毒剂。对于生物威胁，如细菌毒素或病原体代谢物，顶-down蛋白质组学的FT-ICR MS分析亦可发挥作用——通过直接解析蛋白毒素的变异型，来判断其工程改造痕迹或溯源实验室。然而由于生物战剂分析多被情报和军事机构所保密公开报道不多，我们在此不展开赘述。另一方面，在核材料监测上，FT-ICR MS也有特殊应用。核燃料后处理过程中会产生复杂的有机裂解产物（例如乏燃料萃取剂磷酸三丁酯TBP的辐解产物），这些物质可能影响放射性废液处理效果。科研人员曾利用FT-ICR MS鉴定出TBP辐照后形成的多种微量副产物，包括含硝基和羟基取代的有机磷化合物，为改进废液处理工艺提供了依据 。另外，近年来备受关注的持久性有机污染物全氟化合物（PFAS）在军事基地土壤和地下水中普遍存在，美国国防部资助的项目就运用了21 T FT-ICR MS对受PFAS污染的介质进行指纹图谱分析和溯源，构建了PFAS分子库以区分军用消防泡沫与其他来源的污染 。这些案例表明，FT-ICR MS在军工领域虽然不像其他常规技术那样高频出现，但在关键时刻起到了“王牌”作用：无论是确认新型威胁物质的存在，还是提供深入的分子情报，FT-ICR MS都为国家安全提供了坚实的技术支撑。

关键挑战： 将FT-ICR MS应用于军工和现场监测，同样面临一些现实困难。首先是便携性和及时性。FT-ICR MS由于依赖超高场超导磁体，设备庞大且需要低温维护，无法现场部署。这意味着无论是核事故还是化学事故，都需将采集样品送回中央实验室分析，在时效上存在劣势。相较而言，一些小型离子阱质谱或移动式GC-MS更适合前线快速筛查。但是，这些便携设备的分辨率和准确度有限，可能无法胜任复杂基质中痕量未知物鉴定的任务。因此，在实际工作中往往是便携仪器先行初筛，FT-ICR MS在后方实验室进行确证分析，两者互为补充。其次，人员培训和数据解读也是挑战。FT-ICR MS操作复杂，需要高度专业化的人员和完善的质谱数据库支撑。例如，在毒剂或爆炸物分析中，解释一个陌生谱图需要分析人员具备有机化学和质谱碎裂规律方面的丰富知识，这对常规执法机构而言并非易事。因此，目前很多国家采用建立国家级质谱中心的方式集中培养团队、维护数据库，为安全部门提供技术支持。而对于使用部门来说，则通过简化报告形式（如由专家提供可能成分清单和置信度）来应用FT-ICR MS结果。第三，由于军工领域很多分析对象成分未知、结构特殊，缺乏标准品验证也是问题。FT-ICR MS可能给出一个分子式，但要确认这个分子式对应哪种结构、毒性若何，往往还需要进一步化学合成或核磁验证。总的来说，FT-ICR MS在军工应用中更多扮演“实验室利器”角色，其局限在于难以直接用于现场，但其提供的高质量信息在整个安保分析链中不可或缺。为克服上述限制，研究者也在探索新的方向，例如小型FT-ICR质谱（利用小型磁体和先进算法降低体积）以及离子迁移谱与FT-ICR的联用，使其具有一定现场分析能力。另外，发展针对特定军工分析的自动化谱图解读软件、建立专项数据库（如炸药库、毒剂库）也将提高FT-ICR MS情报产出的效率。尽管挑战不小，但随着科技和工程的发展，FT-ICR MS有望在国防安全领域发挥更大作用，为核裁军、生化武器禁控以及反恐怖行动提供更有力的技术保障。

结论与展望

通过以上综述可以看到，傅立叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）以其超高分辨率和质量精度，在环境科学、生命健康、能源材料和国防安全等领域发挥了日益重要的作用。它使科研人员能够以前所未有的清晰度“看见”复杂体系的分子组成，从而在溶解性有机物的地球化学循环、大气气溶胶对气候的影响、疾病生物标志物的发现、石油及替代能源的高效利用以及核生化威胁监测等方面取得突破性进展。例如，在环境领域，FT-ICR MS帮助绘制了天然有机碳库的“分子地图”，揭示了大量影响碳循环的微观过程 ；在生命科学中，借助FT-ICR MS发现的蛋白质和代谢物标志物为疾病早期诊断和精确医疗提供了新思路 ；在能源领域，石油组学的进展直接依托于FT-ICR MS对复杂组分的拆解能力，244k分子式鉴定这样的壮举充分证明了这一点 ；在军工安全上，FT-ICR MS则担当“终审法官”，确保任何复杂隐蔽的威胁化合物都难以遁形 。

然而，我们也必须清醒地认识到，这项技术目前仍存在一些局限和挑战，如仪器昂贵笨重、分析通量有限、数据处理复杂等 。这些问题在短期内限制了FT-ICR MS更广泛的普及应用。但从另一个角度看，正是这些挑战为未来的发展指明了方向。一方面，仪器厂商和研究机构正投入资源开发更高磁场、更高灵敏度的新一代FT-ICR MS，例如正在研制的28 T乃至40 T磁体有望进一步提升分辨率和检测极限；另一方面，结合离子淌度（IMS）、二维质谱、质谱成像等技术的创新方案将扩展FT-ICR MS的功能，使其不仅能“分清是什么”，还更能“看清结构在哪里”、“探明空间分布” 。数据科学的进步同样值得期待，随着人工智能和大数据分析方法引入质谱领域，我们有望实现对FT-ICR MS海量数据的自动化、高水平解读，从而大大降低使用门槛。另外，在国家和国际层面，资源共享和协作将提高FT-ICR MS的可及性。例如欧洲已经成立了FT-ICR MS联盟，整合各国高场仪器向科研社群开放；中国也在布局国家质谱科学中心等平台，为国内科研人员和行业用户提供高端质谱服务。在政策和投资领域的支持下，这些举措将逐步缓解FT-ICR MS应用的成本和技术壁垒。

总而言之，FT-ICR MS作为当今质谱分析皇冠上的明珠，正引领着对复杂体系分析的革命。在未来岁月里，我们可以预见它将在更多前沿领域开花结果，例如地外有机物分析、精准农业监测、新药创制中的代谢路径解析等。当今诸多全球性挑战——气候变化、公共健康、资源安全——都涉及对复杂化学、生物体系更深层次的理解，而FT-ICR MS提供的独特“显微镜”将帮助科学家洞察入微，寻求解决之道。展望未来，只要我们持续推动技术创新、加强跨领域合作，傅立叶变换离子回旋共振质谱必将在科学探索和应用开发中发挥更为举足轻重的作用，创造出更加令人瞩目的成就。

作者： 仪立方科学仪器网

参考文献
1. Qi Y. 等, 2022. Deciphering dissolved organic matter by Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT-ICR MS): from bulk to fractions and individuals. Carbon Research, 1(3): 3 .
2. Smith D. F. 等, 2018. 21 Tesla FT-ICR Mass Spectrometer for Ultrahigh-Resolution Analysis of Complex Organic Mixtures. Anal. Chem., 90(3): 2041–2047 .
3. Tucholski T. 等, 2022. Fourier-Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry for Characterizing Proteoforms. Mass Spectrom. Rev., 41(4): 158–177 .
4. Lin D. & Powers R., 2024. Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry Applications for Metabolomics. Metabolites, 14(8): 740 .
5. Assis A. C. A. 等, 2019. Triacetone triperoxide characterization by FT-ICR MS: Uncovering multiple forensic evidence. Forensic Sci. Int., 301: 37–45 .
6. Hu W. 等, 2021. The roles of N, S, and O in molecular absorption features of brown carbon in atmospheric aerosols. J. Geophys. Res. Atmos., 126(22): e2021JD034791 .
7. Li C. 等, 2020. Molecular characteristics and compositions affecting light absorption of in-cloud brown carbon. Atmos. Environ., 223: 117226 .
8. Yue S. 等, 2022. Molecular compositions, optical properties and implications of dissolved brown carbon in glacier ice on the Tibetan Plateau. Environ. Int., 163: 107205 .
9. Chen X. 等, 2020. Direct sulfur-containing compounds analysis in petroleum via (+) ESI FT-ICR MS using HBF_4 as ionization promoter. Fuel, 279: 118477 .
10. Palacio Lozano D. C. 等, 2020. Pushing the analytical limits: new insights into complex mixtures using mass spectra segments of constant ultrahigh resolving power. Chem. Sci., 11(6): 1548–1558 .
11. Brüggemann M. 等, 2020. Molecular characterization of cloud water organic matter in background marine environment and continental region using FT-ICR MS. Environ. Sci. Technol., 54(19): 12385–12396 .
12. Hawkes J. A. 等, 2018. Automated molecular formula assignment at high resolving power: An application to the FT-ICR MS characterization of natural organic matter. Anal. Chem., 90(15): 8783–8790 .