气质联用——精选推荐

第一章气相色谱-质谱联用技术
气质联用仪是分析仪器中较早实现联用技术的仪器，自1957年J.C.Holmes和F.A.Morrell首次实现气相色谱和质谱联用以后，这一技术得到了长足的发展。

在所有联用技术中气质联用，即GC/MS发展最完善，应用最广泛。

目前从事有机物分析的实验室几乎都把GC/MS作为主要的定性确认手段之一，同时GC/MS也被用于定量分析。

另一方面，目前市售的有机质谱仪，不论是磁质谱、四极杆质谱、离子阱质谱还是飞行时间质谱（TOF），傅立叶变换质谱（FTMS）等均能和气相色谱联用。

还有一些其他的气相色谱和质谱连接的方式，如气相色谱-燃烧炉-同位素比质谱等。

GC/MS 已经成为分析复杂混合物最为有效的手段之一。

气质联用法是将气-液色谱和质谱的特点结合起来的一种用于确定测试样品中不同物质的定性定量分析方法，其具有GC的高分辨率和质谱的高灵敏度。

气相色谱将混合物中的组分按时间分离开来，而质谱则提供确认每个组分结构的信息。

气相色谱和质谱由接口相连。

气质联用法广泛应用于药品检测、环境分析、火灾调查、炸药成分研究、生物样品中药物与代谢产物定性定量分析及未知样品成分的确定。

气质联用法也被用于机场安检中，用于行李中或随身携带物品的检测。

气质联用仪系统一般有下图所示的部分组成。

图1.1 气质联用仪组成框图
气质联用仪根据其要完成的工作被设计成不同的类型和大小。

由于在现代质谱仪中最常用的质量分析器是四极杆型的，所以，在本章中将主要介绍这种将不同质量离子碎片分离的方法。

第一节气相色谱仪简介
气相色谱仪，通过对欲检测混合物中组分有不同保留性能的气相色谱色谱柱，使各组分分离，依次导入检测器，以得到各组分的检测信号。

按照导入检测器的先后次序，经过对比，可以区别出是什么组分，根据峰高度或峰面积可以计算出各组分含量。

通常采用的检测器有：热导检测器，火焰离子化检测器，氦离子化检测器，超声波检测器，光离子化检测器，电子捕获检测器，火焰光度检测器，电化学检测器，质谱检测器等。

图1.2 气相色谱流程图
一、气相色谱仪的组成
气相色谱仪的基本构造有两部分，即分析单元和显示单元。

前者主要包括气源及控制计量装置﹑进样装置﹑恒温器和色谱柱。

后者主要包括检定器和自动记录仪。

色谱柱（包括固定相）和检定器是气相色谱仪的核心部件。

气相色谱仪主要由以下六大系统组成：（1）载气系统气相色谱仪中的气路是一个载气连续运行的密闭管路系统。

整个载气系统要求载气纯净、密闭性好、流速稳定及流速测量准确。

（2）进样系统进样就是把气体或液体样品速而定量地加到色谱柱上端。

（3）分离系统分离系统的核心是色谱柱，它的作用是将多组分样品分离为单个组分。

色谱柱分为填充柱和毛细管柱两类。

（4）检测系统检测器的作用是把被色谱柱分离的样品组分根据其特性和含量转化成电信号，经放大后，由记录仪记录成色谱图。

（5）信号记录或微机数据处理系统目前气相色谱仪主要采用色谱数据工作站。

色谱数据工作站记录色谱图，并能在同一张记录纸上打印出处理后的结果，如保留时间、被测组分质量分数等。

（6）温度控制系统用于控制和测量色谱柱、检测器、气化室温度，是气相色谱仪的重要组成部分。

二、气相色谱常见检测器
（1）热导检测器
热导检测器（TCD）属于浓度型检测器，即检测器的响应值与组分在载气中的浓度成正比。

它的基本原理是基于不同物质具有不同的热导系数，几乎对所有的物质都有响应，是目前应用最广泛的通用型检测器。

由于在检测过程中样品不被破坏，因此可用于制备和其他联用鉴定技术。

（2）氢火焰离子化检测器
氢火焰离子化检测器（FID）利用有机物在氢火焰的作用下化学电离而形成离子流，借测定离子流强度进行检测。

该检测器灵敏度高、线性范围宽、操作条件不苛刻、噪声小、死体积小，是有机化合物检测常用的检测器。

但是检测时样品被破坏，一般只能检测那些在氢火焰中燃烧产生大量碳正离子的有机化合物。

（3）电子捕获检测器
电子捕获检测器（ECD）是利用电负性物质捕获电子的能力，通过测定电子流进行检测的。

ECD具有灵敏度高、选择性好的特点。

它是一种专属型检测器，是目前分析痕量电负性有机化合物最有效的检测器，元素的电负性越强，检测器灵敏度越高，对含卤素、硫、氧、羰基、氨基等的化合物有很高的响应。

电子捕获检测器已广泛应用于有机氯和有机磷农药残留量、金属配合物、金属有机多卤或多硫化合物等的分析测定。

它可用氮气或氩气作载气，最常用的是高纯氮。

（4）火焰光度检测器
火焰光度检测器（FPD）对含硫和含磷的化合物有比较高的灵敏度和选择性。

其检测原理是，当含磷和含硫物质在富氢火焰中燃烧时，分别发射具有特征的光谱，透过干涉滤光片，用光电倍增管测量特征光的强度。

（5）质谱检测器
质谱检测器（MSD）是一种质量型、通用型检测器，其原理与质谱相同。

它不仅能给出一般GC检测器所能获得的色谱图（总离子流色谱图或重建离子流色谱图），而且能够给出每个色谱峰所对应的质谱图。

通过计算机对标准谱库的自动检索，可提供化合物分析结构的信息，故是GC定性分析的有效工具。

常被称为色谱-质谱联用（GC-MS）分析，是将色谱的高分离能力与MS的结构鉴定能力结合在一起。

第二节质谱简介
一、质谱仪器
质谱仪器一般由真空系统、进样系统、离子源、质量分析器和计算机控制与数据处理系统（工作站）等部分组成。

见图1.2。

图1.2 质谱仪器工作方框图
（一）真空系统
质谱仪的离子源、质量分析器和检测器必须在高真空状态下工作，以减少本底的干扰，避免发生不必要的离子-分子反应。

离子源的真空度应达10-3～10-4Pa，质量分析器和检测器的真空度应达10-4～10-5Pa以上。

质谱仪的高真空系统一般是由机械泵和涡轮分子泵串联组成。

机械泵作为前级泵将真空系统抽到10-1～10-2Pa，然后再由涡轮分子泵继续抽到高真空。

在与色谱联用的质谱仪中，离子源是通过“接口”直接与色谱仪连接，色谱的流动相可能会有一部分或全部进入离子源。

为此，与色谱联用的质谱仪的离子源所使用的高真空泵的抽速应足够大，以保证色谱的流动相进入离子源后能及时、迅速地被抽走，保证离子源的高真空度。

（二）进样系统（气相色谱仪和质谱仪的接口）
色谱-质谱联用仪的接口和色谱仪组成了质谱的进样系统。

样品由色谱进样器进入色谱仪，经色谱柱分离出的各个组分依次通过接口进入质谱仪的离子源。

通常色谱柱的出口端近似为大气压力，这与质谱仪中的高度真空扰态是不相容的，接口技术要解决的关键问题就是实现从气相色谱仪的大气压工作条件向质谱计的高真空工作条件的切换和匹配.接口要把气相色谱柱流出物中的载气尽可能除去，而保留或浓缩各待测组分，使近似于大气压的气流转变成适合离子化装置的粗真空，把待测组分从气相色谱仪传输到质谱仪，并协调色谱仪和质谱计的工作流量。

根据质谱仪的工作特点，色谱-质谱联用仪进样系统的接口应满足以下几个条件：
（1）接口的存在不破坏离子源的高真空，也不影响色谱柱分离的柱效（即不增加色谱系统的“死体积”；
（2）接口应能使色谱分离后的各组分尽可能多的进入质谱仪的离子源，使色谱流动相尽可能的不进入质谱的离子源；
（3）接口的存在不改变色谱分离后各组分的组成和结构。

1. 直接导入型接口（Direct Coupling）
目前，市售气相色谱-质谱联用仪多采用直接导入型接口。

下面简单介绍这种接口。

内经在0.25～0.32mm的毛细管色谱柱的载气流量在1～2ml/min。

这些柱通过一根金属毛细管直接引入质谱仪的离子源。

这种方式是迄今为止最常用的一种技术。

其基本原理见图1.4。

毛细管柱沿图中箭头方向插入直至有1～2mm的色谱柱伸出该金属毛细管。

载气和待测物一起从气相色谱柱流出立即进入离子源的作用场。

由于载气氦气是惰性气体不发生电离，而待测物却会形成带点粒子。

待测物带电粒子在电场作用下加速向质量分析器运动，而载气却由于不受电场影响，被真空泵抽走。

接口的实际作用是支撑插入毛细管，使其准确定位。

另一个作用是保持温度，使色谱柱流出物始终不产生冷凝。

图1.4 直接导入型接口工作原理
使用这种接口的载气限于氦气或氢气。

当气相色谱仪出口的载气流量高于2ml/min时，质谱仪的检测灵敏度会下降。

一般使用这种接口，气相色谱仪的流量在0.7～1.0ml/min。

色谱柱的最大流速受质谱仪真空泵流量的限制。

最高工作温度和最高柱温接近。

接口组件结构简单，容易维护。

传输率大100%，这种连接方法一般都使质谱仪接口紧靠气相色谱仪的侧面。

这种接口应用较为广泛。

2. 开口分流型接口（Open-Split Coupling）
色谱柱洗脱物的一部分被送入质谱仪，这样的接口称为分流型接口。

在多种分流型接口中开口分流型接口最为常用。

该接口是放空一部分色谱流出物，让另一部分进入质谱仪，通过不断流入清洗氦气，将多余流出物带走。

此法样品利用率低。

3. 喷射式分子分离器接口
常用的喷射式分子分离器接口工作原理是根据气体在喷射过程中不同质量的分子都以超音速的同样速度运动，不同质量的分子具有不同的动量。

动量大的分子，易保持沿喷射方向运动，而动量小的易于偏离喷射方向，被真空泵抽走。

分子量较小的载气在喷射过程中偏离接受口，分子量较大的待测物得到浓缩后进入接受口。

喷射式分子分离器具有体积小、热解和记忆效应较小，待测物在分离器中停留时间短等优点。

这种接口适用于各种流量的气相色谱柱，从填充柱到大孔径毛细管柱。

主要的缺点是对易挥发的化合物的传输率不够高。

（三）离子源
离子源的作用是将被分析的样品分子电离成带电的离子，并使这些离子在离子光学系统的作用下，会聚成有一定几何形状和一定能量的离子束，然后进入质量分析器被分离。

离子源的结构和性能与质谱仪的灵敏度和分辨率有密切的关系。

样品分子电离的难易与其分子组成和结构有关。

有机质谱仪常用的离子源有：电子轰击电离源（EI）；化学电离源（CI）和解吸化学电离源（DCI）；场致电离源（FI）和场解吸电离源（FD）；快原子轰击电离源（FAB）和离子轰击电离源（IB）；激光解吸电离源（LD）等。

在此，只对电子轰击电离源做一介绍。

电子轰击电离源（EI）是有机质谱仪中应用最多、最广泛的离子源，也是色谱-质谱联用仪，特别是气相色谱-质谱联用仪中应用最多的离子源。

所有的有机质谱仪几乎都配有电子轰击电离源。

图1-3是电子轰击电离源的示意图。

从热灯丝发射的电子被加速通过电离盒，射向阳极（trap），此阳极用来测量电子流强度。

通常所用的电子流强度为50~250μA。

改变灯丝与电离盒之间的点位，可以改变电离电压（即电子能量）。

当电子能量较小（即电
离电压较小，如7~14eV）时，电离盒内产生的离子主要是分子离子。

当加大电子能量（如电离电压加大到50~100eV，常用70eV），产生的分子离子由于带有多余的能量，会部分产生断裂（电子轰击分子产生分子离子后多余的一部分能量会使分子离子产生断裂），成为碎片离子。

可以使用降低电子能量的方法来简化质谱图。

但电子能量太低，电离效率也降低，产生的分子离子将很少，使检测灵敏度大大降低。

所以现有的标准电子轰击电离谱图（EI谱图）都是用70 eV电子能量得到的。

因此在用计算机用标准谱图进行检索时，电离电压必须使用70 eV。

图1.5 电子轰击电离源示意图
1—源磁铁；2—灯丝；3—推斥极；4—离子束；5—样品入口；
6—阳极；7—电离盒
电子轰击电离的特点是稳定，操作方便，电子流强度可精密控制，电离效率高，结构简单，温控方便，所形成的离子具有较窄的动能分散，所得到的质谱图是特征的，重现性好。

因此，目前绝大部分有机化合物的标准质谱图都是采用电子轰击电离源得到的。

另外，为了增强电子轰击离子源的抗污染性，电子轰击离子源需要采用惰性材料。

如Agilent公司的5973系列产品，采用铜金属材料的离子源，大大增强了离子源的惰性，提高了其抗污染能力，同时也大大降低离子源的清洗频率。

电子轰击电离源要求被测有机样品必须能汽化，不能汽化或者汽化时丰崎爱生分解的有机化合物样品不能使用电子轰击源电离。

正因如此，由于气相色谱所分析的有机化合物样品是必须汽化的，气相色谱-质谱联用仪使用电子轰击电离源是最为合适的。

EI特点：
（1）电离效率高，能量分散小，结构简单，操作方便。

（2）图谱具有特征性，化合物分子碎裂大，能提供较多信息，对化合物的鉴别和结构解析十分有利。

（3）所得分子离子峰不强，有时不能识别。

本法不适合于高分子量和热不稳定的化合物。

（四）质量分析器
质量分析器是质谱仪的核心，是它将离子源产生的离子按其质量和电荷比（m/z，m—离子的质量数，z—离子携带的电荷数）的不同、在空间的位置、时间的先后或轨道的稳定与否进行分离，以便得到按质荷比（m/z）大小顺序排列而成的质谱图。

质谱仪中常见的质量分析器有：磁质量分析器，四级质量分析器（四极杆滤质器），飞行时间质量分析器，离子阱质量分析器和离子回旋共振质量分析器。

其中磁质量分析器为静态质量分析器，其他为动态质量分析器。

根据所用的质量分析器不同，相应的质谱仪分别称为磁质谱仪，四极杆质谱仪，飞行时间质谱仪，离子阱质谱仪和离子回旋共振质谱仪。

由于质量分析器仅是将离子源产生的离子按其质荷比进行分离，而不与色谱仪器直接连接，直接与色谱仪器连接的是离子源。

因此，各种质量分析器的质谱仪原则上都可通过“接口”与色谱仪器联用。

目前与色谱仪器联用最多的是四极杆质谱仪、离子阱质谱仪和飞行时间质谱仪。

下面就四极质量分析器做一简单介绍。

传统的四极杆质量分析器是由四根笔直的金属或表面镀有简述的极棒与轴线平行并等距离地置悬着构成，棒的理想表面为双曲面。

整体式的四极杆设计，可使四极杆具有永久的空间结构，真正做到理想的双曲面结构。

如图1.6，在x与y各两支电极上分别加上±（U+cos2πft）的高频电压（V为电压幅值，U为直流分量，U/V=0。

16784，f为频率，t为时间），离子从离子源出来后沿着与x，y方向垂直的z方向进入四极杆的高频电场中。

这时，只有质荷比（m/z）满足式（1-2）的离子才能通过四极杆到达检测器，
f r V
z
o 2
136
.0
m
（1-1）
式中，r0——场半径，cm。

其他离子则撞到四根电极上而被“过滤”掉。

当改变高频电压的幅值（V）或者频率（f），则用V或f扫描时，不同质荷比的离子可陆续通过四极杆而被检测器检测。

图1.6 四极杆质量分析器示意图
1—阴极；2—电子；3—离子；4—离子源；5—检测器
四极质量分析器具有重量轻、体积小、造价低廉等优点，因此发展很快。

近年来四极质量分析器的分辨率和质量范围都有很大提高，使得目前的色谱-质谱联用仪中的质谱仪大部分采用了四极质量分析器。

（五）检测器
质谱仪常用的检测器有直接电检测器、电子倍增器、闪烁检测器和微通道板等，在色谱-质谱联用仪中目前使用最多的是电子倍增检测器。

下面对几种检测器的工作原理作一简单介绍。

1. 直接电检测器
直接电检测器是用平板电极或者法拉第圆筒接收由质量分析器出来的离子流，然后有直接放大器或者静电计放大器进行放大，而后记录。

2. 电子倍增器
电子倍增器运用质量分析器出来的离子轰击电子倍增管的印记表面，使其发射出二次电子，再用二次电子依次轰击一系列电极，使二次电子获得不断倍增，最后由阳极接受电子流，使其离子束信号得到放大。

系列电极数目可多到十几级。

通常电子倍增器有14级倍增器电极，可大大提高检测灵敏度。

3. 闪烁检测器
由质量分析器出来的额高速离子打击闪烁体使其发光，然后用光电倍增管检测闪烁体发出的光，这样可将离子束信号放大。

4. 微通道板
微通道板是20世纪70年代发展起来的检测器，它是由大量微型通道管（管径约20μ
m，长约1㎜）组成的。

微通道管是有高铅玻璃制成，具有较高的二次电子发射率。

每一个微通道管相当于一个通道型连续电子倍增器。

整个微通道板则相当于若干个这种电子倍增器并联，每块板的增益为104。

欲获得更高的增益，可将微通道板串联使用。

（六）计算机系统
现代质谱仪都配有完善的计算机系统，它不仅能快速准确地采集数据和处理数据，而且能监控质谱仪各单位的工作状态，实现质谱仪的全自动操作，并能代替人工进行化合物的定性和定量分析。

色谱-质谱联用仪配有的计算机还可以控制色谱和借口的操作。

下面对质谱仪的计算机系统的功能作一简单介绍。

1. 数据的采集和简化
一个被测得化合物可能有数百个质谱峰，若每个峰采数15~20次，则每次扫描采数的总量在2000次以上，这些数据是在1s到数秒内采集到的，必须在很短的时间内把这些数据收集起来，并进行运算和简化，最后变成峰位（时间）和峰强数据储存起来。

经过简化每个峰由两个数据——峰位（时间）和峰强表示。

2. 质量数的转换
质量数的转换就是把获得的峰位（时间）谱转换为质量谱（即质量数-峰强关系图）。

对于低分辨质谱仪先用参考样（根据所需质量范围选用全氟异丁胺，全氟煤油，碘化铯等物质作为参考样）作出质量内标，而后用指数内插及外推法，将峰位（时间）转换成质量数【质荷比（m/z），当z=1即单电荷离子，质荷比即为质量数】。

在作高分辨质谱图时，未知样和参考样同时进样，未知样的谱峰夹在参考样的谱峰中间，并能很好的分开。

按内插和外推法用参考样的精确质量数计算出未知样的精确质量数。

3. 扣除本底或相邻组分的干扰
利用“差谱”技术将样品谱图中的本底谱图或干扰组分的谱图扣除，得到所需组分的纯质朴图，以便于解析。

4. 谱峰强度归一化
把谱图中所有峰的强度对最强峰（基峰）的相对百分数列成数据表或给出棒图（质谱图），也可将全部离子强度之和作为100，每一谱峰强度用总离子强度的百分数表示。

归一化后，有利于和标准谱图比较，便于谱图解析。

5. 标出高分辨率质谱的元素组成
对于含碳，氢，氧，氮，硫和卤素的有机化合物，计算机可以给出：高分辨率质谱的
精确质量测量值；按该精确质量计算得到的差值最小的元素组成；测量值和元素组成计算值之差。

6. 用总离子流对质谱峰强度进行修正
色谱分离后的组分在流出过程中浓度在不断变化，质谱峰的相对强度在扫描时间内也会变化，为纠正这种失真，计算机系统可以根据总离子流的变化（反映样品浓度的变化）自动对质谱峰强度进行校正。

7. 谱图的累加、平均
使用直接进样或场解析电离时，有机化合物的混合物样品蒸发会有先后的差别，样品的蒸发量也在变化。

为观察杂质的存在情况，有时需要给出量的估计。

计算机系统可按选定的扫描次数把多次扫描的质谱图累加，并按扫描次数平均。

这样可以有效的提高仪器的信噪比，也就提高了仪器的灵敏度。

同时从杂质谱峰的离子强度也可估计杂质的量。

8. 输出质量色谱图
计算机系统将每次扫描所得质谱峰的离子流全部加和，以总离子流（TIC）输出，称为总离子流色谱图或质量色谱图。

根据需要，可按扣除指定的质谱峰输出单一质谱峰的离子流图，称为质量碎片色谱图。

9. 单离子检测和多离子检测
在质谱仪的质量扫描过程中，由计算机系统控制扫描电压“跳变”，实现一次扫描中采集一个指定质荷比的离子或多个指定质荷比的离子的检测方法称为单离子检测（single ion monitoring，SIM）或多离子检测（multiple ion monitoring MIM）。

单离子检测的灵敏度比全扫描检测可以高2~3个数量级。

单离子检测和多离子检测主要用于定量分析和高灵敏度检出某一指定化合物的分析。

10. 谱图检索
利用计算机能够存储大量已知化合物的标准谱图，这些标准谱图绝大多数是用电子轰击电离源，70eV电子束轰击已知化合物样品，在双聚焦瓷质谱仪上作出的。

因此，为了能利用这些标准谱图去检索预测样品，预测样品也必须用电子轰击电离源在70eV电子束下轰击电离，这是得到的质谱图才能与已知标准谱图比对。

计算机可按一定程序比对两张谱图（预测样品谱图与标准谱图），并根据峰位和峰强度比对结果计算出相似性指数，最后根据比对结果给出相似性指数排在前列（即较为相似）的几个化合物的名称、分子量、分子式、结构式和相似性指数。

可以根据样品的其他已知信息（物理的和化学的）从检索给出的这些化合物中最后确定欲测样品的分子式和结构式。

在这里特别要注意的是相似指数最高的
并不一定就是最终确定的分析结果。

目前通用的质谱谱库有标准谱图10万多张，此外还有一些专用谱库，如农药谱库，可用于一些特有类型化合物的检索，谱图检索现已成为气象色谱-质谱-联用仪主要定性的手段。

在第二章中，将对现有的质谱谱库和谱图检索作一详细介绍。

二、GC-MS的常用测定方法：
总离子流色谱法(total ionization chromatography，TIC)——类似于GC图谱，用于定量。

l反复扫描法(repetitive scanningmethod，RSM)——按一定间隔时间反复扫描，自动测量、运算，制得各个组分的质谱图，可进行定性。

l质量色谱法(masschromatography，MC)——记录具有某质荷比的离子强度随时间变化图谱。

在选定的质量范围内，任何一个质量数都有与总离子流色谱图相似的质量色谱图。

图1.7 总离子流图
选择性离子监测(selected ion monitoring，SIM)——对选定的某个或数个特征质量峰进行单离子或多离子检测，获得这些离子流强度随时间的变化曲线。

其检测灵敏度较总离子流检测高2～3个数量级。

质谱图——为带正电荷的离子碎片质荷比与其相对强度之间关系的棒图。

质谱图中最强峰称为基峰，其强度规定为100%，其它峰以此峰为准，确定其相对强度。

图1.8 实测质谱图（红）与标准质谱图（蓝）的比对及结果。