气相色谱-质谱联用 原理和应用介绍

气相色谱法-质谱联用气相色谱法–质谱法联用（英语：Gas chromatography–mass spectrometry，简称气质联用，英文缩写GC-MS)是一种结合气相色谱和质谱的特性，在试样中鉴别不同物质的方法。

GC-MS的使用包括药物检测（主要用于监督药物的滥用）、火灾调查、环境分析、爆炸调查和未知样品的测定。

GC-MS也用于为保障机场安全测定行李和人体中的物质。

另外，GC-MS 还可以用于识别物质中以前认为在未被识别前就已经蜕变了的痕量元素。

GC-MS已经被广泛地誉为司法学物质鉴定的金标方法，因为它被用于进行“专一性测试”。

所谓“专一性测试”就是能十分肯定地在一个给定的试样中识别出某个物质的实际存在。

而非专一性测试则只能指出试样中有哪类物质存在。

尽管非专一性测试能够用统计的方法提示该物质具体是那种物质，但存在识别上的正偏差。

目录1 历史2 仪器设备2.1 GC-MS吹扫和捕集2.2 质谱检测器的类型3 分析3.1 MS全程扫描3.2 选择的离子检测3.3 离子化类型3.3.1 电子离子化3.3.2 化学离子化3.4 GC-串联MS4 应用4.1 环境检测和清洁4.2 刑事鉴识4.3 执法方面的应用4.4 运动反兴奋剂分析4.5 社会安全4.6 食品、饮料和香水分析4.7 天体化学4.8 医药5 参考文献6 参考书目7 外部链接历史用质谱仪作为气相色谱的检测器是上个世纪50年代期间由Roland Gohlke和Fred McLafferty首先开发的。

当时所使用的敏感的质谱仪体积庞大、容易损坏只能作为固定的实验室装置使用。

价格适中且小型化的电脑的开发为这一仪器使用的简单化提供了帮助，并且，大大地改善了分析样品所花的时间。

1964年，美国电子联合公司（Electronic Associates, Inc. 简称EAI)-美国模拟计算机供应商的先驱在开始开发电脑控制的四极杆质谱仪Robert E. Finnigan的指导下[3]开始开发电脑控制的四极杆质谱仪。

到了1966年，Finnigan和Mike Uthe的EAI分部合作售出500多台四极杆残留气体分析仪。

1967年，Finnigan仪器公司the （Finnigan Instrument Corporation，简称FIC）组建就绪，1968年初就给斯坦福大学和普渡大学发送了第一台GC/MS的最早雏型。

FIC最后重新命名为菲尼根公司（Finnigan Corporation）并且继续持世界GC/MS系统研发、生产之牛耳。

1966年，当时最尖端的高速GC-MS （the top-of-the-line high-speed GC-MS units）单元在不到90秒的时间里，完成了火灾助燃物的分析，然而，如果使用第一代GC-MS至少需要16分钟。

到2000年使用四极杆技术的电脑化的GC/MS仪器已经化学研究和有机物分析的必不可少的仪器。

今天电脑化的GC/MS仪器被广泛地用在水、空气、土壤等的环境检测中；同时也用于农业调控、食品安全、以及医药产品的发现和生产中。

气质联用色谱是由两个主要部分组成：即气相色谱部分和质谱部分。

气相色谱使用毛细管柱，其关键参数是柱的尺寸（长度、直径、液膜厚度）以及固定相性质（例如，5％苯基聚硅氧烷）。

当试样流经柱子时，根据个组分分子的化学性质的差异而得到分离。

分子被柱子所保留，然后，在不同时间（叫做保留时间）流出柱子。

流出柱子的分子被下游的质谱分析器做俘获，离子化、加速、偏向、最终分别测定离子化的分子。

质谱仪是通过把每个分子断裂成离子化碎片并通过其质荷比来进行测定的。

GC-MS schematic把气相色谱和质谱这两部分放在一起使用要比单独使用那一部分对物质的识别都会精细很多很多倍。

单用气相色谱或质谱是不可能精确地识别一种特定的分子的。

通常，经质谱仪处理的需要是非常纯的样品，而使用传统的检测器的气相色谱（如，火焰离子化检测器）当有多种分子通过色谱柱的时间一样时（即具有相同的保留时间）不能予以区分，这样会导致两种或多种分子在同一时间流出柱子。

在单独使用质谱检测器时，也会出现样式相似的离子化碎片。

将这两种方法结合起来则能减少误差的可能性，因为两种分子同时具有相同的色谱行为和质谱行为实属非常罕见。

因而，当一张分子识别质谱图出现在某一特定的GC-MS分析的保留时间时，将典型地增高了对样品种感兴趣的被分析物的确定性。

GC-MS吹扫和捕集在分析挥发性化合物时，可以用吹扫和俘获（Purge and Trap，P&T)浓缩器系统导入样品。

提取目标被分析物，并与水混合，然后导入气密性室。

用惰性气体，比如氮气(N2)往水中鼓泡；这就叫做吹扫。

挥发性化合物运动到水上方的顶空（headspace）。

并被压力梯度驱使（由引入吹扫气体所引起）流出气密室。

这些挥发性化合物被沿着顶线抽往“阱”。

阱是一个装有吸附材料的、处于室温下的柱子。

它将通过把这些挥发性化合物转化成液相而保持住。

然后，加热给阱样品化合物经过一个挥发性界面被引入GC-MS柱，阱在这里相当一个分流进样系统。

质谱检测器的类型和气相色谱(GC)联合使用的的质谱的最常见类型是四极杆质谱仪，有时根据惠普（现在的安捷伦）的商品名叫做“质量选择检测器”（MSD）。

其他相对普遍的是离子阱质谱仪。

另外，扇形磁场质谱仪气质联用中也有使用，然而，这些特别的仪器价格昂贵，体积庞大不适用于高通量服务的实验室。

气质联用中还可能遇到的其他的质谱检测器有：飞行时间检测器（time of flight ，TOF）、串联四极杆检测器（tandem quadrupoles ，MS-MS)（请见下面内容。

）或在离子阱的情况下MSn这里n指的是质谱级数。

分析典型的质谱检测有两种途径：全程扫描和选择性离子检测（Selective Ion Monitoring ，SIM)。

典型的GC-MS能够根据对仪器的设定，分别地或同时地执行这两种功能。

MS全程扫描当以全程扫描方式收集数据时，确定一个质量片段目标范围并输入仪器。

一个典型的检测质量片段的广度范围可以是质荷比（m/z）50到质荷比400。

扫描范围的确定很大程度上决定于分析者预期试样中所含的物质，同时要考虑容易和其他可能的干扰成分。

MS不应设定成寻找太低质量的片段，否则，会测到空气（发现如质荷比为28的氮气），二氧化碳(m/z 44)或其他可能的干扰。

另外，如果选择一个很大的扫描范围，由于每次扫描必需测定很宽的质量范围，所耗费的时间长，结构每秒钟扫描的次数减少，从而降低仪器的灵敏度。

全程扫描对于测定试样中的未知化合物有用。

当需要证实或解析试样中的化合物时，它比SIM能提供更多的信息。

在开发仪器方法的时候，通常首先用全程扫描模式分析被测试的溶液确定保留时间和质量碎片指纹图，然后，转向SIM仪器方法。

选择的离子检测当在仪器方法中输入选择监测（selected ion monitoring ，SIM)某种离子片段时，仅有那些质量的片段被质谱仪监测。

SIM的优点是由于每次扫描时，仪器仅寻找少量片段（比如，三个片段）其监测限较低。

每秒钟能进行更多次的扫描。

由于仅仅监测所感兴趣的几个质量片段，基质干扰典型的低，为进一步确证潜在的阳性结果的可能性，相对重要的是与已知参比标准进行比较确定各种离子片段的离子比。

离子化类型在分子通过柱子后，流经连接管线进入质谱仪，然后，被用各种方法离子化，每一次仅用其中的一种方法。

一旦样品被达成碎片后，将被监测。

通常用电子倍增二极管检测。

电子倍增二极管将离子化的质量片段转化成电信号后进行测定。

离子化技术是不依赖于使用全程扫描还是SIM的。

电子离子化到目前为止，最常用的也许是标准形式的离子化过程是电子离子化（electron ionization，EI)。

分子进入MS（其源为四极杆或离子阱MS的离子阱本身），在那里他们被由灯丝射出饿电子所轰击。

这里的灯丝不很像标准电灯泡里的灯丝。

电子以特定的、可以重复的方式将分子击成片段。

这一“硬离子化”技术导致产生更多低质荷比(m/z)的碎片，如果，仍存在的话，也非常少接近分子质量单位的物种。

质谱专家所说的“硬离子化”是使用分子电子轰击，而所谓“软质子化”是由导入的气体和分子碰撞使分子带电荷。

分子片段的模式依赖于应用于系统的电子的能量，典型的是70 eV（电子伏特）。

使用70 eV能方便所产生的谱图和制造商提供的图库软件或美国国家标准研究所（the National Institute of Standards NIST-USA）开发的图库软件里的标准质谱进行比较。

图库的搜索使用匹配算法，比如基于几率的匹配和基于点积的匹配。

化学离子化：Chemical ionization在化学质谱法中，是将一种气体，典型地是甲烷或氨气引入质谱仪中。

根据所选择的技术（正CI或负CI），该试剂气体将与电子和被分析物发生作用引起感兴趣的分子的‘软’离子化。

较软的化学离子化与硬的化学离子化相比将较低程度的造成分子碎片化。

使用化学离子化的主要益处之一是产生紧密对应于感兴趣的被分析物的分子量的质量碎片。

正的化学离子化在正的化学离子化（Positive Chemical Ionization ，PCI)中试剂气体与目标分子相互作用，最经常是进行质子交换。

这将产生相对大量的该物种。

负的化学离子化在负化学离子化中（Negative Chemical Ionization ，NCI)试剂气体降低自由电子对目标被分析物的碰撞。

该降低了的能量典型地使大的碎片不再继续断裂，保持其大的含量。

仪器分析的最初目的是为一种物质定量。

这要通过在产生的谱图中比较各原子质量间的相对浓度来实现。

有可能通过两种方法实现定量分析。

比较法和从头分析法。

比较分析的关键是将所获得的被分析物的谱图与谱库里的谱图进行比较，在谱库中是否存在具有和该物质特征一致的样品的谱图。

这种比较最好靠电脑来执行，因为由于标度的变化，会产生很多视觉上的扭曲。

电脑同时还能关联更多的数据，（比如，由气相色谱测定的保留时间），以至获得更精确的结果。

另一种方法是测量各质谱峰的相对峰高。

在该方法中，将最高的质谱峰指定为100%，其他的峰根据对最高峰的相对比例标出其百分相对高度。

将所有的大于3%相对高度的峰都进行标注。

通常通过母体峰来确定未知化合物的总质量。

用母体峰的总质量值与所推测的该化合物中所含元素的化学式相适配。

对于具有许多同位素的元素，可以用谱图中的同位素模式确定存在的元素。

一旦化学式与谱图相匹配，就能确定分子结构和成键方式,而且，必需和GC-MS记录的特点相一致。

典型地，这种测定是通过和仪器配备的程序自动进行的，仪器给出样品中可能存在的元素的列表。

“全谱”分析考虑谱图中所有的峰。