多级质谱联用技术是通过对一级或上级质谱产生离子的进一步裂解产生次级质谱，并对次级质谱进行质量分析技术。依据实现方式，多级质谱可分为两类：一类是时间串联质谱(tandem in time)，它是利用某些质量分析器能够储存离子的特性，在同一个质量分析器上，通过时间序贯实现多级质谱分析；另一类是空间串联质谱(tandem in space)，它是利用多个质量分析器在空间上串联从而实现多级质谱的功能。
　　时间串联质谱
　　时间串联质谱需要质量分析器具有捕获并驻留离子的特性，如离子阱、傅里叶变换离子回旋共振就是这类质量分析器，它们通过将不检测离子喷射出质谱质量分析器的分析区，孤立待分析的离子做进一步的裂解，从而获得次级质谱，这一个过程可以反复，这样可以观测几代子代离子的碎片，因此时间型质谱可进行多级子离子实验。它的局限性在于不能实现多级质谱的另外一些重要性能如母离子扫描或中性丢失实验等。
　　空间串联质谱
　　空间串联质谱是利用多个质量分析器在空间上串联，来实现多级质谱功能。如三重四级杆(triple quadrupole mass spectrometer，QqQ)，它由Q1和Q3两个四级杆质量分析器外加Q2做碰撞诱导裂解组成，共同实现二级质谱的功能。这种多重质量分析器组合，通常质量分析器设计为射频质谱，如四级杆或离子阱，第二质量分析器质量分析器则根据应用目的，可以设计为射频(主要为四级杆)、也可以设计为高分辨率质量分析器如TOF或FT—MS等。不同的质量分析器设计组合，带来的分析特性不同，如QqQ可以进行扫描母离子、中性丢失、子离子和多反应监测等数据采集技术：通过提高选择性而长于定量；Q-TOF(quadrupole time-of-flight mass spectrometer)或IT-TOF(iontraptime-of-flightmass spectrometer)通过引入TOF，将碎片离子的多级质谱分析与离子的高分辨率质谱相结合，更有利于定性(图1)。
　　图1 空间串联质谱构成原理示意图
　　图1 空间串联质谱构成原理示意图
　　在药物生产与研究中经常会面对复杂天然药物的多组分结构归属与鉴定，或者药物代谢产物以及药物杂质，或混合的微量成分分析等结构测定或含量测定等方面的挑战，传统的单一质谱功能不能满足分析要求，利用串联质谱仪多级质谱的测定应对挑战，已经越来越发挥着重要的作用。
　　串联四极杆质谱分析有多种离子活化方法，常用的为碰撞池中离子与中性气体碰撞产生碎片离子的方法，称为碰撞诱导解离方法(Collision Induced Dissociation，CID)，经CID活化后的碎片离子扫描方式主要有4种：①产物离子扫描(Production scan)是指选择母离子和测定CID产生的所有产物离子，一级质谱选定一个离子，扫描二级质谱；②母离子扫描(Precursor scan)是指选择某一产物离子和测定所有能经CID产生这一产物离子的母离子，二级质谱选定一个离子，扫描一级质谱；③中性丢失扫描(Neutral loss)是指选定中性碎片，检测所有能丢失这一中性碎片的裂解反应，中性丢失扫描时需要同时扫描前、后两级质谱分析及在这两级质谱分析之间相差恒定的质量；④选择反应监测(Selected reaction monitoring)，是指级质谱分析选定一个离子，经碰撞池产生二级质谱分析选择的离子，主要用于定量分析，提高选择性与信噪比。

　　多级质谱联用技术包括液相色谱一质谱联用技术、气相色谱一质谱联用技术及芯片一质谱联用技术等多种联用技术。联用技术色谱可作为质谱的样品导入装置，并对样品进行初步分离纯化，因此色谱-质谱联用技术可对复杂体系进行分离分析。因为色谱可得到化合物的保留时间，质谱可给出化合物的相对分子质量和结构信息，故对复杂体系或混合物中化合物的鉴别和测定非常有效。在这些联用技术中，芯片一质谱联用(Chip/MS)为近年兴起的新兴质谱联用技术，显示了良好前景，但目前尚不成熟，而气相色谱一质谱联用和液相色谱一质谱联用等已经广泛用于药物分析。
　　气相色谱/质谱联用(GC/MS)
　　气相色谱的流出物已经是气相状态，可直接导入质谱。由于气相色谱与质谱的工作压力相差几个数量级，开始联用时在它们之间使用了各种气体分离器以解决工作压力的差异。随着毛细管气相色谱的应用和高速真空泵的使用，现在气相色谱流出物已可直接导入质谱。
　　液相色谱/质谱联用(LC/MS)
　　液相色谱/质谱联用的接口前已论及，主要用于分析GC/MS不能分析或热稳定性差、强极性和高相对分子质量的物质，如生物样品(药物与其代谢产物)和生物大分子(肽、蛋白质、核酸和多糖)。
　　毛细管电泳/质谱联用(CE/MS)
　　毛细管电泳(CE)适用于分离分析极微量样品(nL)和特定用途(如手性对映体分离等)。CE流出物可直接导入质谱，或加入辅助流动相以达到和质谱仪相匹配。微流控芯片技术是近年来发展迅速，可实现分离、过滤、衍生等多种实验室技术于一块芯片上的微型化技术，具有高通量、微型化等优点，目前也已实现芯片和质谱联用，但尚未商品化。
　　超临界流体色影质谱联用(SFC/MS)
　　常用超l临界流体二氧化碳作流动相的SFC适用于弱极性和中等极性物质的分离分析，通过色谱柱和离子源之间的分离器可实现SFC和MS联用。
　　等离子体发射光谱/质谱联用(ICP/MS)
　　由ICP作为离子源和MS实现联用，主要用于元素分析和元素形态分析。