气相色谱-质谱联用技术教材

气相色谱-质谱联用技术气相色谱-质谱联用技术，简称质谱联用，即将气相色谱仪与质谱仪通过接口组件进行连接，以气相色谱作为试样分离、制备的手段，将质谱作为气相色谱的在线检测手段进行定性、定量分析，辅以相应的数据收集与控制系统构建而成的一种色谱-质谱联用技术，在化工、石油、环境、农业、法医、生物医药等方面，已经成为一种获得广泛应用的成熟的常规分析技术。

1、产生背景色谱法是一种很好的分离手段，可以将复杂混合物中的各种组分分离开，但它的定性、鉴定结构的能力较差，并且气相色谱需要多种检测器来解决不同化合物响应值的差别问题；质谱对未知化合物的结构有很强的鉴别能力，定性专属性高，可提供准确的结构信息，灵敏度高，检测快速，但质谱法的不同离子化方式和质量分析技术有其局限性，且对未知化合物进行鉴定，需要高纯度的样本，否则杂质形成的本底对样品的质谱图产生干扰，不利于质谱图的解析。

气相色谱法对组分复杂的样品能进行有效的分离，可提供纯度高的样品，正好满足了质谱鉴定的要求。

气相色谱-质谱联用（gas chromatography-mass sepetrometry , GC-MS）技术综合了气相色谱和质谱的优点，具有GC的高分辨率和质谱的高灵敏度、强鉴别能力。

GC-MS可同时完成待测组分的分离、鉴定和定量，被广泛应用于复杂组分的分离与鉴定。

2、技术原理与特点气相色谱技术是利用一定温度下不同化合物在流动相（载气）和固定相中分配系数的差异，使不同化合物按时间先后在色谱柱中流出，从而达到分离分析的目的。

保留时间是气象色谱进行定性的依据，而色谱峰高或峰面积是定量的手段，所以气相色谱对复杂的混合物可以进行有效地定性定量分析。

其特点在于高效的分离能力和良好的灵敏度。

由于一根色谱柱不能完全分离所有化合物，以保留时间作为定性指标的方法往往存在明显的局限性，特别是对于同分异构化合物或者同位素化合物的分离效果较差。

质谱技术是将汽化的样品分子在高真空的离子源内转化为带电离子，经电离、引出和聚焦后进入质量分析器，在磁场或电场作用下，按时间先后或空间位置进行质荷比（质量和电荷的比，m/z）分离，最后被离子检测器检测。

其主要特点是迁建的结构鉴定能力，能给出化合物的分子量、分子式及结构信息。

在一定条件下所得的MS碎片图及相应强度，犹如指纹图，易与辨识，方法专属灵敏。

但质谱拘束最大的不足之处在与要求样品是单一组分，无法满足复杂物质的分析。

气相色谱-质谱联用技术（GC/MS）是基于色谱和质谱技术的基础上，去唱不断，充分利用气象色谱对复杂有机化合物的高效分离能力和质谱对化合物的准确鉴定能力进行定性和定量分析的一门技术。

在GC/MS中气象色谱是质谱的杨敏预处理器，而质谱是气相色谱的检测器。

两者的联用不仅仅获得了气相色谱中保留时间、强度信息，还有质谱中质荷比和强度信息。

同时，计算机的发展提高了仪器的各种性能，如运行时间、数据收集处理、定性定量、谱库检索及故障诊断等。

因此，GC/MS联用技术的分析方法不但能使样品的分离、鉴定和定量一次快速地完成，还对于批量物质的整体和动态分析起到了很大的促进作用。

3、气相色谱－质谱联用系统组成GC/MS系统（见图）由气相色谱单元、质谱单元、计算机和接口四大件组成，其中气相色谱单元一般由载气控制系统、进样系统、色谱柱与控温系统组成；质谱单元由离子源、离子质量分析器及其扫描部件、离子检测器和真空系统组成；接口是样品组分的传输线以及气相色谱单元、质谱单元工作流量或气压的匹配器；计算机控制系统不仅用作数据采集、存储、处理、检索和仪器的自动控制，而且还拓宽了质谱仪的性能。

图１GC／ＭＳ仪组成图3.1气路系统GC/MS中载气由高压气瓶（约15MPa）经减压阀减至0.2-0.5MPa，再经载气净化过滤器（除氧、除氮、除水等）和稳压阀、稳流阀及流量计到达气相色谱的进样系统。

GC/MS的气源主要来自氦气。

其优点在于化学惰性对质谱检测无干扰，且载气的扩散系数较低。

缺点是分析时间延长。

另外，载气的流速、压力和纯度（≥99.999%）对样品的分离、信号的检测和真空的稳定具有重要的影响。

如果配置化学电离源，GC/MS还需要甲烷、异丁烷、氨等反应气体。

对于具有GC/MS功能的质谱仪则需要氩气、氮气等碰撞气体和相应的气路系统。

3.2进样系统进样系统包括进样器和气化室。

GC/MS要求各种形态样品沸点低、热稳定性好。

在一定气化温度（最高350-425℃）下进入气化室后能有效气化，并迅速进入色谱柱，无歧视，无损失，记忆效应小。

为解决进样的歧视现象，以提高分析的精密度和准确度，近几年来分流/不分流进样、毛细管柱直接进样、程序升温柱头进样等毛细管进样系统取得了很大的进步。

一些具有样品预处理功能的配件，如固相微萃取、顶空进样器、吹扫-捕集顶空进样器、热脱附仪、裂解进样器等也相继出现。

3.3柱系统柱系统包括柱箱和色谱柱。

柱箱的控温系统范围广，可快速升温和降温。

柱温对样品在色谱柱上的柱效、保留时间和峰高有重要的影响。

由于分析样品时遵循气相色谱的“相似相溶”原理，所以根据应用需要可选择不同的GC/MS专用色谱柱。

目前，多用小口径毛细管色谱柱，检测限达到10-15-10-12水平。

3.4接口接口是连接气相色谱单元和质谱单元最重要的部件。

接口的目的是尽可能多地去除载气，保留样品，使色谱柱的流出物转变成粗真空态分离组分，且传输到质谱仪的离子源中。

GC/MS联用仪中接口多采用直接连接方式，即将色谱柱直接接入质谱离子源。

其作用是将待测物在载气携带下从气相色谱柱流入离子源形成带电粒子，而氦气不发生电离而被真空泵抽走。

通常，接口温度应略低于柱温，但也不应出现温度过低的“冷区”。

在GC/MS仪的发展中，接口方式还有开口分流型、喷射式分离器等。

3.5离子源离子源的作用就是将被分析物的分子电离成离子，然后进入质量分析器被分离。

目前常用的离子源有电子轰击源（electron ionization , EI）和化学电离源（chemical ionization , CI）。

①电子轰击源（EI）电子轰击源是GC/MS中应用最广泛的离子源。

主要由电离室、灯丝、离子聚焦透镜和磁极组成。

灯丝发射一定能量的电子可使进入离子化室的样品发生电离，产生分子离子和碎片离子。

EI的特点是稳定，电离效率高，结构简单，控温方便，所得质谱图有特征，重现性好。

因此，目前绝大多数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。

但EI只检测正离子，有时得不到分子量的信息，谱图的解析有一定难度，如醇类物质。

②化学电离源（CI）化学电离源CI结构与EI相似。

不同的是，CI源是利用反应气的离子与化合物发生分子－离子反应进行电离的一种“软”电离方法。

常用反应气有：甲烷、异丁烷和氨气。

所得质谱图简单，分子离子峰和准分子离子峰较强，其碎片离子峰很少，易得到样品分子的分子量。

特别是某些电负性较强的化合物（卤素及含氮、氧化合物）的灵敏度非常高。

同时，CI可以用于正、负离子两种检测模式，而且是负离子的CI质谱图灵敏度高于正离子的CI质谱图２－３个数量级。

但是，CI源不适于难挥发、热不稳定性或极性较大的化合物，并且CI谱图重复性不如EI谱，没有标准谱库。

得到的碎片离子少，缺乏指纹信息。

3.6质量分析器常用的气相色谱－质谱联用仪有气相色谱－四级杆质谱仪（GC／Q－MS）、气相色谱－离子阱串联质谱仪（GC／IT－MS－MS），气相色谱－时间飞行质谱仪（GC／TOF－MS）和全二维气相色谱－飞行时间质谱仪（GC×GC／TOF-MS），不同生产厂家型号质量扫描范围不同，有的高达1200amu。

3.7离子检测器质谱仪常用检测器为电子倍增管、光电倍增管、照相干板法和微通道板等。

目前四级质谱、离子阱质谱常采用电子倍增器和光电倍增管，而时间飞行质谱多采用微通道板。

其检测器灵敏度都很高。

3.8真空系统真空系统是GC/MS的重要组成部分。

一般包括低真空前级泵（机械泵）、高真空泵（扩散泵和涡轮泵较常用）、真空测量仪表和真空阀件、管路等组成。

质谱单元必须在高真空状态下工作，高真空压力达10-5-10-3Pa。

另外，高真空不仅能提供无碰撞的离子轨道和足够的平均自由程，还有利于样品的挥发，减少本底的干扰，避免在电离室内发生分子-离子反应，减少图谱的复杂性。

3.9计算机控制系统①调谐程序一般质谱仪都设有自动自动调谐程序。

通过调节离子源、质量分析器、检测器等参数，可以自动调整仪器的灵敏度、分辨率在最佳状态，并进行质量数的校正。

所需调节的质量范围不同，采用的标准物质也不同。

通常分子量为650以内的低分辨率GC/MS仪器多采用全氟三丁胺（PFTBA）中m/z 69、219、502、614等特征离子进行质量校正。

②数据采集和处理程序混合物经过色谱柱分离之后，可能获得若干个色谱峰。

每个色谱峰进过数次扫描采集所得。

一般来说，质谱进行质量扫描的速度取决于质量分析器的类型和结构参数。

一个完整的色谱峰通常需要至少6个以上数据点，这要求质谱仪有较高的扫描速度，才能在很短的时间内完成多次全范围的质量扫描。

与常规的GC/MS相比，飞行时间质谱仪具有更高速的质谱采集系统。

随着GC/MS解决经济技术的发展，可以一次性采集上百个组分，然后通过计算机的软件功能可完成质量校正、谱峰强度修正、谱图累加平均、元素组成、峰面积积分和定量运算等数据处理程序。

GC/MS中最常用两种检测方式为全扫描和选择离子监测工作方式。

前者是随着样品组分变化，在全扫描方式下形成的总离子流随时间变化的色谱图，称总离子流色谱图。

适合于未知化合物的全谱定性分析，且能获得结构信息；后者采用这种选择离子监测工作方式所得到的特征离子流随时间变化形成了质量离子色谱图或特征离子色谱图。

对目标化合物或目标类别化合物分析，灵敏度明显提高，非常适合复杂混合物中痕量物质的分析。

③谱图检索程序被测物在标准电离方式—电子轰击源EI 70eV 电子束轰击下，电离形成质谱图。

利用谱库检索程序可以在标准谱库中快速地进行匹配，得到相应的有机化合物名称、结构式、分子式、分子量和相似度。

目前国际上最常用的质谱数据库有：NIST库、NIST/EPA/NIH库、Wiley库等。

另外，用户还可以根据需要建立用户质谱数据库。

④诊断程序在各种分析仪器的使用过程中出现各种问题和故障是难免的，因此采用仪器自身设置的诊断软件进行检测是必不可少的。

同时，在仪器调谐过程中设置和监测各种电压，或检查仪器故障部位，有助于仪器的正常运转和维修。

4、气－质联用技术分析方法4.1气相色谱部分气相色谱-质谱联用仪一般采用高纯（〉99.999%）化学惰性好的氦气（电离电位24.6 e V，比一般有机物的电离电位高），其分子离子峰m/z = 4，在多数质谱的扫描质荷比下限之外，对总离子流质量色谱图和质谱图干扰小。