气相色谱—质谱联用原理及应用
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2017/6/9 30
互联网上有关GC-MS的信息资源
互联网上的搜索引擎和搜索网页 首先，可以使用一些搜索引擎或搜索网页帮助检索，较常用的有 一下几个搜索引擎和搜索网页： / / / / / 美国化学文摘服务中心 / 美国国家医学图书馆medline 在上述搜索引擎和搜索网页是那个可以很简单地键入英语关键词质 谱（mass spectrometry）很快可以找到有关网页。
液质联用与气质联用的区别:
气质联用仪(GC-MS)是最早商品化的联用仪器， 适宜分析小分子、易挥发、热稳定、能气化的 化合物；用电子轰击方式（EI）得到的谱图， 可与标准谱库对比。 液质联用(LC-MS)主要可解决如下几方面的问题 ：不挥发性化合物分析测定；极性化合物的分 析测定；热不稳定化合物的分析测定；大分子 量化合物（包括蛋白、多肽、多聚物等）的分 析测定；没有商品化的谱库可对比查询，只能 自己建库或自己解析谱图。
22
2017/6/9 19
在 GC-MS 检测中选用衍生化试剂需注意 衍生化产物的质谱特性，即质量碎片的 特征性强，同时分子量要适中，既适合 质量型检测器检测，也有利于与基质干 扰物分离。常用的衍生化试剂分为硅烷 化、酰化和烷基化三类，其反应原理及 优缺点见表 1，其中应用最广泛的是硅 烷化试剂和酰化试剂
质谱解析的一般步骤
(适于低分辨小分子谱图,若已经是高分辨质 谱图得到元素组成更好) (1)核对获得的谱图,扣除本底等因素引起的 失真,考虑操作条件是否适当 (2)综合样品其他知识：例如熔点，沸点，溶 解性等理化性质，样品来源，光谱，波谱数 据等.
(3) 尽可能判断出分子离子。 (4) 假设和排列可能的结构归属：高质量离 子所显示的，在裂解中失去的中性碎片， 如M-1，M-15，M-18，M-20，M-31......意 味着失H，CH3，H2O，HF，OCH3...... (5)假设一个分子结构，与已知参考谱图对 照，或取类似的化合物，并作出它的质谱 进行对比。
M-35(Cl)
43 57 29
O H3C H2C C
CH2 CH2 CH3
71 72
Fig.11 3-己酮的MS图谱
100(M ) m/z
20 30 40 50 60 70 80 90 100
O H3C H2C C CH2 CH2 CH3
- [CH2 CH2 CH3]
m/z=57(75%)O H3C H2C C
2017/6/9
26
2017/6/9
27
2017/6/9
28
由GC-MS工作站得到的数据经过AMDIS软件分析，得 到的谱库检索结果共84个化合物
2017/6/9
29
展望
与代谢组学的其他分析手段如 LC-MS、CE-MS 相比，GCMS 虽然较为成熟，但由于GC-MS 分析样本中代谢物普遍需要 衍生化预处理，造成多重峰、多重底物等现象，需要对其进 一步深入研究。 1) 开发新型的衍生化试剂，使其与多个官能团发生衍生化反 应，可获得重复性好的方法。 2) 此外，研发在线的衍生化方法，保证代谢物的硅烷化 反应程度的完全，还可利用与代谢物结构/生理相似的标准品 ，模拟出相关代谢物潜在的影响，以提高分析的准确性。 3) 如何获得可参照的内标物实现所有代谢物的绝对定量分析 ，也将成为 GC-MS 应用于代谢组学中的研究重点。
局限性:
(1)异构体，立体化学方面区分能力差。 (2)重复性稍差，要严格控制操作条件。 所以不能象低场NMR，IR等自己动手， 须专人操作。 (3)有离子源产生的记忆效应，污染等问 题。 (4)价格稍显昂贵，操作有点复杂。
质谱计框图
真空系统
进样系统
离子源
加速区 质量分析器
计算机数据 处理系统 检测器
2017/6/9 20
2017/6/9
21
利用 GC-MS 分析生物体内的代谢物，需要对样 品进行预处理及衍生化，预处理过程主要包括代谢 淬灭、细胞浓缩、代谢物提取等。为获取微生物具 有代表性的样品，分析时样品的代谢组成分必须保 证与取样时一致，才能反映样品当时的代谢活动， 因此这一反映特定生理状态的代谢状态必须要被“ 固定”住，直到分析完成，该过程称为淬灭。由于 不同微生物细胞壁的结构不同，对渗透压的耐受程 度以及膜通透性也存在差异，因此代谢淬灭所选择 的方法也无法统一。
2017/6/9
24
实验方法
将水稻种子脱壳；用混合球磨仪将水稻种子 磨成细粉；将末分装为100mｇ/份，分别加入１ ｍＬ提取溶液，漩涡震荡10s； 在热混合仪上４ ℃ 浸提20min；４℃离心机上离心2min， 12200r/min；取上清液100μ Ｌ，在真空浓缩仪 上充分干燥；加入内标物，干燥；加入衍生试剂 衍生化处理，等待进样分析。在其他因素相同条 件下提取后经GC-MS检测，通过峰个数的变化程 度，确定最佳提取液。
2017/6/9 22
GC-MS 检测中物质的定性需要利用其质谱进行数据 检索，故其分析过程离不开各种代谢途径和生物化 学的数据库。基因组学和蛋白质组学已有较完善的 书库供搜索、使用，而代谢组学尚未有类似功能完 备的数据库，但一些生化数据库可用于已知代谢物 的生物功能解释和未知代谢物的结构鉴定，如京都 基因与基因组百科在代谢组学研究中，为确保分析 数据的有效性与可靠性，需要进行定量分析以减少 样品处理及检测中产生的差异。
2017/6/9 25
实验方法
为增加样品的稳定性与挥发性， 进样前需进 行衍生化处理，衍生化试剂为盐酸甲氧胺溶于吡 啶（40mg/mL)该试验设计５个时间段进行衍生处 理，分别为30min,50min,70min,90min,110min以 及５个温度10℃，20℃，30℃，40℃，50℃的单 因素试验。根据 相对峰面积和峰个数随衍生时间 和温度的变化情况，找出最佳优化条件。
- [H3C H2C]
O C m/z=71(48%) CH2 CH2 CH3
气相色谱-质谱联用技术及其在代谢组学中的应用
代谢组学是以高通量、高灵敏度、高分 辨率的现代仪器分析方法为手段，对细胞、体 液、组织中所有代谢物进行无偏向的定性与定 量分析的一门学科。气相色谱-质谱联用技术 具有较高的检测灵敏度和鉴定准确度，通过标 准谱图库的比对可对代谢物进行快速的鉴定， 因此被广泛应用于生物样品的代谢产物的检测 中。
高分辨质谱可以由分子量直接计算出化合物 的元素组成从而推出分子式 低分辨质谱利用元素的同位素丰度，例:
(3)峰强度与结构的关系
丰度大反映离子结构稳定 在元素周期表中自上而下，从右至左，杂原 子外层未成键电子越易被电离，容纳正电荷 能力越强，含支链的地方易断，这同有机化 学基本一致，总是在分子最薄弱的地方断裂 。
M-44(CO2,CS2)
M-31(CH2OH,OCH3) M-16(O,NH2) M-30(NO)
M-46(7) M-18(H2O) M-32(S,CH3OH)
M-127(I)
M-45(OC2H5,COOH) M-26(C2H2) M-42(CH2CO,CH2N2)
气相色谱—质谱联用 原理及应用
简介
色谱质谱的在线联用将色谱的分离能力与 质谱的定性功能结合起来，实现对复杂混 合物更准确的定量和定性分析。而且也简 化了样品的前处理过程，使样品分析更简 便。 色谱质谱联用包括气相色谱质谱联用(GCMS)和液相色谱质谱联用(LC-MS)，液质联 用与气质联用互为补充，分析不同性质的 化合物。
Ionic
IonSpray Analyte Polarity
APCI
GC/MS
Neutral 101 102 103 104 105
Molecular Weight
现代有机和生物质谱进展
在20世纪80及90年代，质谱法经历了两次飞跃。 在此之前，质谱法通常只能测定分子量500以下 的小分子化合物。20世纪70年代，出现了场解吸 离子化技术，能够测定分子量高达1500 ~2000的 非挥发性化合物，但重复性差。20世纪80年代初 发明了快原子质谱法（FAB-MS），能够分析分 子量达数千的多肽。 随着生命科学的发展，欲分析的样品更加复杂， 分子量范围也更大，因此，电喷雾离子化质谱法 （ESI-MS）和基质辅助激光解吸离子化质谱法（ MALDI-MS）应运而生。
2017/6/9 23
基于气相色谱－质谱联用技术 转人血清白蛋白水稻的代谢组学方法研究
随着生物技术的日趋成熟及基因工程的不断发展， 转基因作 物品种日益增多。转人血清白蛋白水稻是一种可以从稻米中提 取人血清白蛋白，用于医疗方面的水稻。对此水稻进行代谢物 研究，有利于转基因作物安全性的评估，对研究基因功能，推 进代谢组学研究有重要意义。目前，在植物代谢物的研究中， 气质联用是比较常用的仪器，其分离效率高， 峰容量大、灵 敏度高。Fiehn等用GC-MS检测拟南芥叶子提取物中找到了326 个化合物，并且半数可以确定其化学结构，对代谢组学研究做 出很大的贡献。
质谱原理简介：
质谱分析是先将物质离子化，按离子的 质荷比分离，然后测量各种离子谱峰的 强度而实现分析目的的一种分析方法。 以检测器检测到的离子信号强度为纵坐 标，离子质荷比为横坐标所作的条状图 就是我们常见的质谱图。
常见术语:
质荷比: 离子质量(以相对原子量单位计)与它所 带电荷(以电子电量为单位计)的比值,写作m/Z. 峰: 质谱图中的离子信号通常称为离子峰或简称 峰. 离子丰度: 检测器检测到的离子信号强度. 基峰: 在质谱图中，指定质荷比范围内强度最大 的离子峰称作基峰. 总离子流图；质量色谱图；准分子离子；碎片 离子；多电荷离子；同位素离子
检测记录系统
质量分析器分离并加以聚焦的离子束，按m/z的大 小依次通过狭缝，到达收集器。经接收放大后被记
录。
Table.2 常见的离子碎片
M-15(CH3) M-17(OH,NH3) M-19(F) M-27(HCN,C2H3)
M-29(CHO,C2H5) M-79(Br) M-28(CO,C2H4)
有机质谱的特点
优点: (1)定分子量准确，其它技术无法比。 (2)灵敏度高，常规10-7—10-8g,单离子检测可达 10-12g。 (3)快速，几分甚至几秒。 (4)便于混合物分析，LC/MS，MS/MS对于难分 离的混合物特别有效, 其它技术无法胜任。 (5)多功能，广泛适用于各类化合物。
如何看质谱图：
(1)确定分子离子,即确定分子量
氮规则：含偶数个氮原子的分子，其质量数 是偶数，含奇数个氮原子的分子，其质量数 是奇数。与高质量碎片离子有合理的质量差 ，凡质量差在3~8和10~13，21~25之间均 不可能，则说明是碎片或杂质。
(2)确定元素组成，即确定分子式或碎片化学式
互联网上有关GC-MS的信息资源
互联网上的搜索引擎和搜索网页 首先，可以使用一些搜索引擎或搜索网页帮助检索，较常用的有 一下几个搜索引擎和搜索网页： / / / / / 美国化学文摘服务中心 / 美国国家医学图书馆medline 在上述搜索引擎和搜索网页是那个可以很简单地键入英语关键词质 谱（mass spectrometry）很快可以找到有关网页。
液质联用与气质联用的区别:
气质联用仪(GC-MS)是最早商品化的联用仪器， 适宜分析小分子、易挥发、热稳定、能气化的 化合物；用电子轰击方式（EI）得到的谱图， 可与标准谱库对比。 液质联用(LC-MS)主要可解决如下几方面的问题 ：不挥发性化合物分析测定；极性化合物的分 析测定；热不稳定化合物的分析测定；大分子 量化合物（包括蛋白、多肽、多聚物等）的分 析测定；没有商品化的谱库可对比查询，只能 自己建库或自己解析谱图。
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2017/6/9 19
在 GC-MS 检测中选用衍生化试剂需注意 衍生化产物的质谱特性，即质量碎片的 特征性强，同时分子量要适中，既适合 质量型检测器检测，也有利于与基质干 扰物分离。常用的衍生化试剂分为硅烷 化、酰化和烷基化三类，其反应原理及 优缺点见表 1，其中应用最广泛的是硅 烷化试剂和酰化试剂
质谱解析的一般步骤
(适于低分辨小分子谱图,若已经是高分辨质 谱图得到元素组成更好) (1)核对获得的谱图,扣除本底等因素引起的 失真,考虑操作条件是否适当 (2)综合样品其他知识：例如熔点，沸点，溶 解性等理化性质，样品来源，光谱，波谱数 据等.
(3) 尽可能判断出分子离子。 (4) 假设和排列可能的结构归属：高质量离 子所显示的，在裂解中失去的中性碎片， 如M-1，M-15，M-18，M-20，M-31......意 味着失H，CH3，H2O，HF，OCH3...... (5)假设一个分子结构，与已知参考谱图对 照，或取类似的化合物，并作出它的质谱 进行对比。
M-35(Cl)
43 57 29
O H3C H2C C
CH2 CH2 CH3
71 72
Fig.11 3-己酮的MS图谱
100(M ) m/z
20 30 40 50 60 70 80 90 100
O H3C H2C C CH2 CH2 CH3
- [CH2 CH2 CH3]
m/z=57(75%)O H3C H2C C
2017/6/9
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2017/6/9
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由GC-MS工作站得到的数据经过AMDIS软件分析，得 到的谱库检索结果共84个化合物
2017/6/9
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展望
与代谢组学的其他分析手段如 LC-MS、CE-MS 相比，GCMS 虽然较为成熟，但由于GC-MS 分析样本中代谢物普遍需要 衍生化预处理，造成多重峰、多重底物等现象，需要对其进 一步深入研究。 1) 开发新型的衍生化试剂，使其与多个官能团发生衍生化反 应，可获得重复性好的方法。 2) 此外，研发在线的衍生化方法，保证代谢物的硅烷化 反应程度的完全，还可利用与代谢物结构/生理相似的标准品 ，模拟出相关代谢物潜在的影响，以提高分析的准确性。 3) 如何获得可参照的内标物实现所有代谢物的绝对定量分析 ，也将成为 GC-MS 应用于代谢组学中的研究重点。
局限性:
(1)异构体，立体化学方面区分能力差。 (2)重复性稍差，要严格控制操作条件。 所以不能象低场NMR，IR等自己动手， 须专人操作。 (3)有离子源产生的记忆效应，污染等问 题。 (4)价格稍显昂贵，操作有点复杂。
质谱计框图
真空系统
进样系统
离子源
加速区 质量分析器
计算机数据 处理系统 检测器
2017/6/9 20
2017/6/9
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利用 GC-MS 分析生物体内的代谢物，需要对样 品进行预处理及衍生化，预处理过程主要包括代谢 淬灭、细胞浓缩、代谢物提取等。为获取微生物具 有代表性的样品，分析时样品的代谢组成分必须保 证与取样时一致，才能反映样品当时的代谢活动， 因此这一反映特定生理状态的代谢状态必须要被“ 固定”住，直到分析完成，该过程称为淬灭。由于 不同微生物细胞壁的结构不同，对渗透压的耐受程 度以及膜通透性也存在差异，因此代谢淬灭所选择 的方法也无法统一。
2017/6/9
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实验方法
将水稻种子脱壳；用混合球磨仪将水稻种子 磨成细粉；将末分装为100mｇ/份，分别加入１ ｍＬ提取溶液，漩涡震荡10s； 在热混合仪上４ ℃ 浸提20min；４℃离心机上离心2min， 12200r/min；取上清液100μ Ｌ，在真空浓缩仪 上充分干燥；加入内标物，干燥；加入衍生试剂 衍生化处理，等待进样分析。在其他因素相同条 件下提取后经GC-MS检测，通过峰个数的变化程 度，确定最佳提取液。
2017/6/9 22
GC-MS 检测中物质的定性需要利用其质谱进行数据 检索，故其分析过程离不开各种代谢途径和生物化 学的数据库。基因组学和蛋白质组学已有较完善的 书库供搜索、使用，而代谢组学尚未有类似功能完 备的数据库，但一些生化数据库可用于已知代谢物 的生物功能解释和未知代谢物的结构鉴定，如京都 基因与基因组百科在代谢组学研究中，为确保分析 数据的有效性与可靠性，需要进行定量分析以减少 样品处理及检测中产生的差异。
2017/6/9 25
实验方法
为增加样品的稳定性与挥发性， 进样前需进 行衍生化处理，衍生化试剂为盐酸甲氧胺溶于吡 啶（40mg/mL)该试验设计５个时间段进行衍生处 理，分别为30min,50min,70min,90min,110min以 及５个温度10℃，20℃，30℃，40℃，50℃的单 因素试验。根据 相对峰面积和峰个数随衍生时间 和温度的变化情况，找出最佳优化条件。
- [H3C H2C]
O C m/z=71(48%) CH2 CH2 CH3
气相色谱-质谱联用技术及其在代谢组学中的应用
代谢组学是以高通量、高灵敏度、高分 辨率的现代仪器分析方法为手段，对细胞、体 液、组织中所有代谢物进行无偏向的定性与定 量分析的一门学科。气相色谱-质谱联用技术 具有较高的检测灵敏度和鉴定准确度，通过标 准谱图库的比对可对代谢物进行快速的鉴定， 因此被广泛应用于生物样品的代谢产物的检测 中。
高分辨质谱可以由分子量直接计算出化合物 的元素组成从而推出分子式 低分辨质谱利用元素的同位素丰度，例:
(3)峰强度与结构的关系
丰度大反映离子结构稳定 在元素周期表中自上而下，从右至左，杂原 子外层未成键电子越易被电离，容纳正电荷 能力越强，含支链的地方易断，这同有机化 学基本一致，总是在分子最薄弱的地方断裂 。
M-44(CO2,CS2)
M-31(CH2OH,OCH3) M-16(O,NH2) M-30(NO)
M-46(7) M-18(H2O) M-32(S,CH3OH)
M-127(I)
M-45(OC2H5,COOH) M-26(C2H2) M-42(CH2CO,CH2N2)
气相色谱—质谱联用 原理及应用
简介
色谱质谱的在线联用将色谱的分离能力与 质谱的定性功能结合起来，实现对复杂混 合物更准确的定量和定性分析。而且也简 化了样品的前处理过程，使样品分析更简 便。 色谱质谱联用包括气相色谱质谱联用(GCMS)和液相色谱质谱联用(LC-MS)，液质联 用与气质联用互为补充，分析不同性质的 化合物。
Ionic
IonSpray Analyte Polarity
APCI
GC/MS
Neutral 101 102 103 104 105
Molecular Weight
现代有机和生物质谱进展
在20世纪80及90年代，质谱法经历了两次飞跃。 在此之前，质谱法通常只能测定分子量500以下 的小分子化合物。20世纪70年代，出现了场解吸 离子化技术，能够测定分子量高达1500 ~2000的 非挥发性化合物，但重复性差。20世纪80年代初 发明了快原子质谱法（FAB-MS），能够分析分 子量达数千的多肽。 随着生命科学的发展，欲分析的样品更加复杂， 分子量范围也更大，因此，电喷雾离子化质谱法 （ESI-MS）和基质辅助激光解吸离子化质谱法（ MALDI-MS）应运而生。
2017/6/9 23
基于气相色谱－质谱联用技术 转人血清白蛋白水稻的代谢组学方法研究
随着生物技术的日趋成熟及基因工程的不断发展， 转基因作 物品种日益增多。转人血清白蛋白水稻是一种可以从稻米中提 取人血清白蛋白，用于医疗方面的水稻。对此水稻进行代谢物 研究，有利于转基因作物安全性的评估，对研究基因功能，推 进代谢组学研究有重要意义。目前，在植物代谢物的研究中， 气质联用是比较常用的仪器，其分离效率高， 峰容量大、灵 敏度高。Fiehn等用GC-MS检测拟南芥叶子提取物中找到了326 个化合物，并且半数可以确定其化学结构，对代谢组学研究做 出很大的贡献。
质谱原理简介：
质谱分析是先将物质离子化，按离子的 质荷比分离，然后测量各种离子谱峰的 强度而实现分析目的的一种分析方法。 以检测器检测到的离子信号强度为纵坐 标，离子质荷比为横坐标所作的条状图 就是我们常见的质谱图。
常见术语:
质荷比: 离子质量(以相对原子量单位计)与它所 带电荷(以电子电量为单位计)的比值,写作m/Z. 峰: 质谱图中的离子信号通常称为离子峰或简称 峰. 离子丰度: 检测器检测到的离子信号强度. 基峰: 在质谱图中，指定质荷比范围内强度最大 的离子峰称作基峰. 总离子流图；质量色谱图；准分子离子；碎片 离子；多电荷离子；同位素离子
检测记录系统
质量分析器分离并加以聚焦的离子束，按m/z的大 小依次通过狭缝，到达收集器。经接收放大后被记
录。
Table.2 常见的离子碎片
M-15(CH3) M-17(OH,NH3) M-19(F) M-27(HCN,C2H3)
M-29(CHO,C2H5) M-79(Br) M-28(CO,C2H4)
有机质谱的特点
优点: (1)定分子量准确，其它技术无法比。 (2)灵敏度高，常规10-7—10-8g,单离子检测可达 10-12g。 (3)快速，几分甚至几秒。 (4)便于混合物分析，LC/MS，MS/MS对于难分 离的混合物特别有效, 其它技术无法胜任。 (5)多功能，广泛适用于各类化合物。
如何看质谱图：
(1)确定分子离子,即确定分子量
氮规则：含偶数个氮原子的分子，其质量数 是偶数，含奇数个氮原子的分子，其质量数 是奇数。与高质量碎片离子有合理的质量差 ，凡质量差在3~8和10~13，21~25之间均 不可能，则说明是碎片或杂质。
(2)确定元素组成，即确定分子式或碎片化学式