气质联用基础

气相色谱—质谱联用技术
气相色谱（Gas chromatography，GC）具有极强的分离能力，但它对未知化合物的定性能力较差；质谱（Mass Spectrometry，MS）对未知化合物具有独特的鉴定能力，且灵敏度极高，但它要求被检测组分一般是纯化合物。

将GC与MS 联用，彼此扬长避短，既弥补了GC只凭保留时间难以对复杂化合物中未知组分做出可靠的定性鉴定的缺点，又利用了鉴别能力很强且灵敏度极高的MS作为检测器，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。

1. 联用技术原理
质谱法的基本原理是将样品分子置于高真空（<10-3Pa）的离子源中，使其受到高速电子流或强电场等作用，失去外层电子而生成分子离子，或化学键断裂生成各种碎片离子，经加速电场的作用形成离子束，进入质量分析器，再利用电场和磁场使其发生色散、聚焦，获得质谱图。

根据质谱图提供的信息可进行有机物、无机物的定性、定量分析，复杂化合物的结构分析，同位素比的测定及固体表面的结构和组成等分析。

气相色谱法是一种以气体作为流动相的柱色谱分离分析方法，它可分为气-液色谱法和气-固色谱。

作为一种分离和分析有机化合物有效方法，气相色谱法特别适合进行定量分析，但由于其主要采用对比未知组分的保留时间与相同条件下标准物质的保留时间的方法来定性，使得当处理复杂的样品时，气相色谱法很难给出准确可靠的鉴定结果。

气-质联用(GC—MS)法是将GC和MS通过接口连接起来，GC将复杂混合物分离成单组分后进入MS进行分析检测。

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，是最常用标准形式的离子化过程。

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（Positive Chemical Ionization ，PCI)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（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。

与之相反，选择性离子检测（selective ion monitoring ，SIM)仅仅监测于特定物质相关的峰。

这种方法是根据在特定的保留时间，一组离子是一个特定的化合物的特征的假设。

这是一种快速、有效的分析方法，特别是分析者对样品有些预知的信息或仅仅是寻找几种特定的物质这种优点就更为突出。

当在一个获得的色谱峰中所搜集到的离子的信息量降低时，该分析的敏感度升高。

所以，SIM分析能满足检测较小量的化合物，但是关于该化合物测定结果的确定性程度下降。

GC串联MS当第二相质谱片段加入时，例如，在四极杆仪器中使用第二个四极杆，就叫做串联的MS (MS/MS)。

MS/MS有时可用于在高的试样基质背景下为小量的目标化合物定量。

第一个四极杆(Q1)与碰撞室(q2)以及另一个四极杆(Q3)相连。

根据MS/MS分析操作的模式，两个四极杆都可被用于扫描或静态模式。

分析的类型包括产物离子扫描、前体离子扫描。

选择的反应监视（Selected Reaction Monitoring ，SRM)（有时也叫多反应监视（Multiple Reaction Monitoring ，MRM))和中性丢失扫描（Neutral Loss Scan）。

例如，当Q1以静态模式前，（像在SIM中那样，仅仅观察一个质量），而Q3是以扫描模式，我们取得一幅叫做产物离子谱的谱图（也叫“子”谱）。

从这张谱图上，我们可以选择一个突出的产物离子，它可能是选定的前体离子的产物离子。

这种配对的方法叫“跃迁（transition）”它构成了SRM的基础。

SRM是高度特异性的并且几乎完全消除了基质背景。

2. GC-MS系统的组成
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的联用以后[5]，这一技术得到了长足的发展。

在所有的联用技术中GC-MS联用技术发展最为完善，应用最广泛。

GC-MS联用系统的一般由图1所示的各部分组成：
图1 GC-MS联用仪的组成示意图
气相色谱仪分离样品中各组分，起着样品制备的作用；接口把气相色谱流出的各组分送入质谱仪进行检测，起着气相色谱和质谱之间适配器的作用；质谱仪
对接口依次引入的各组分进行分析，成为气相色谱仪的检测器；计算机系统交互式地控制气相色谱、接口和质谱仪，进行数据采集和处理，是GC-MS的中央控制单元。

图2是气相色谱分析的概述。

它显示，混合物由一股气流（流动相，又称气相）携带通过一根长长的内壁涂有薄薄的一层液膜（液态固定相）的毛细柱。

因为混合物的不同组分与固定相的结合能力不同，因此在柱的末端混合物中的各个组分会逐个的出来（洗脱）而达到分离的目的。

在一个简单的气相色谱装置中，这些被逐次洗脱出来的组分或者被某种火焰燃烧以便于检测（通用火焰离子化检测器，FID），或者穿过某种其他的检测器后放入大气。

在气相色谱中，这些组分在色谱图中是以峰的形式来记录。

有关组分的信息通过测量色谱图中该组分峰的峰高和峰面积来确定。

这些对应着检测到的组分量以及该组分通过毛细柱的时间。

色谱图上某个组分峰最高点对应的时间（以进样作为时间起点）被成为保留时间。

通常利用该组分的特定保留时间对其定性，但这种定性方式并不绝对准确，组分的确定经常会模糊或根本无法识别该组分。

与气相色谱形成鲜明对比的是，质谱检测器对混合物的检测毫无办法。

如果一个单独的组分进入质谱检测器，它的质谱图可以通过各种离子化检测方法而获得（图3.）。

确定了该物质的质谱图通常来说就可以准确的鉴别该物质为何物并
可以确定它的分子结构。

显然，如果是混合物质进入质谱检测器，所获得的质谱图就会是该混合物中所有组分谱图的总和（图4.）。

物质的质谱图可能会相当的复杂以至于准确的鉴别混合物中的多种组分几
乎是不可能的。

一方面气相色谱能够高效的分离混合物但并不善于鉴定各个组分；另一方面质谱检测器善于鉴别单一的组分却难以鉴别混合物。

因此，不难理解为
什么早期人们为什么致力于研究如何将两种方法联合在一起使用，组成气相色谱－质谱联用仪（GC/MS）。

气相色谱－质谱联用仪能将一切可气化的混合物有效的分离并准确的定性、定量其组分。

[5]
3.GC-MS联用仪器的分类
按照仪器的机械尺寸，可以粗略地分为大型、中型、小型三类气质联用仪；
按照仪器的性能，可以粗略地分为高档、中档、低档三类气质联用仪或研究级和常规检测级两类；
按照色谱技术，可分为气相色谱-四极杆质谱、气相色谱-离子阱质谱、气相色谱-飞行时间质谱等；
按照质谱仪的分辨率，可分为高分辨率（通常分辨率高于5000）、中分辨率（通常分辨率在1000和5000之间）、低分辨率（通常分辨率低于1000）气质联用仪。

小型台式四极杆质谱检测器（MSD）的质量范围一般低于1000。

四极杆质谱由于其本身固有的限制，一般GC-MS分辨率在2000以下。

和气相色谱联用的飞行时间质谱（TOFMS），其分辨率可达5000左右。

4.色谱技术的发展
1903年，俄国植物学家M．S．Tswett发表了题为“一种新型吸附现象及在生化分析上的应用”的研究论文，文中第一次提出了应用吸附原理分离植物色素的新方法。

1906年，他命名这种方法为色谱法。

这种简易的分离技术，奠定了传统色谱法基础。

但由于当时Tswett色谱技术分离速度慢、效率低，长时间内并没有受到当时科学界的重视。

1952年，James和Martin发明了气相色谱法，并因此获得了1952年的诺贝尔化学奖。

1957年，Golay开创了毛细管气相色谱法。

气相色谱法又称气相层析法，是一种采用冲洗法的色谱分离技术，特别适用于生化产品的分离纯化。

气相色谱以气体作为流动相，用固体吸附剂或液体作固定相，它利用试样中各组分在色谱柱中的气相和固定液液相问的分配系数不同，当气化后的试样被载气带人色谱柱中运行时，组分就在其中的两相间进行反复多次的分配(吸附一解吸附或溶解一放出)，由于固定相对各组分的吸附或溶解能力不同，因此各组分在色谱柱中的运行速度就不同，经过一定的柱长后，试样中被分离的各组分即能达到完全分离。

目前单纯的气相色谱应用相对要少些，一般是与其他技术联用。

传统的填充柱和
毛细管气相色谱各有优缺点，填充柱由于分析物在柱上的高度分散导致分辨率低，而毛细管气相色谱在分离挥发性化合物时可避免溶液干扰，但却存在取样量较少而灵敏度有所下降问题。

近年来提出的由900～2 000支毛细管组成的毛细管束克服了这两者的缺点。

对于复杂多组分混合物分析，单种方法是难以解决的，往往需要两种或两种以上分析方法才能有效解决。

其中气相色谱、质谱灵敏度都很高，最小检测量接近，被分析样品都必须气化，所以气一质联用更为适宜，成为开发最早的色谱联用仪器，在所有联用技术中发展相对最为完善。

这种技术发展较快，对未知混合组分定性鉴定、分子结构的准确判断提供了一种更加完善的手段。

目前，从事有机物质分析的实验室几乎都把GC—MS作为最主要的定性确认手段之一，在很多情况下也用于定量分析。

现在发展迅速的小型台式质谱仪已成为气相色谱仪的一种专用检测器——质谱检测器(MSD)[19]。

4.气质联用技术常见问题
4.1 接口技术
众所周知，气相色谱的入口端压力高于大气压，在高于大气压力的状态下，样品混合物的气态分子在载气的带动下，因在流动相和固定相上的分配系数不同而产生的各组分在色谱柱内的流动速度不同，使各组分分离，最后和载气一起流出色谱柱。

通常色谱柱的出口端为大气压力。

质谱仪中样品气态分子在具有一定真空度的离子源中转化为样品气态离子。

这些离子包括分子离子和其他各种碎片离子在高真空的条件下进入质量分析器运动。

在质量扫描部件的作用下，检测器记录各种按质荷比分离不同的离子其离子流强度及其随时间的变化。

因此，接口技术中要解决的问题是气相色谱仪的大气压的工作条件和质谱仪的真空工作条
件的联接和匹配。

接口要把气相色谱柱流出物中的载气，尽可能的除去，保留或浓缩待测物，使近似大气压的气流转变成适合离子化装置的粗真空，并协调色谱仪和质谱仪的工作流量。

4.2 扫描速度
没和色谱仪联接的质谱仪一般对扫描速度要求不高。

和气相色谱仪联接的质谱仪，由于气相色谱峰很窄，有的仅几秒钟时间。

一个完整的色谱峰通常需要至少六个以上的数据点。

这样就要求质谱仪有较高的扫描速度，才能在很短的时间
内完成多次全质量范围的质量扫描，另一方面，要求质谱仪能很快地在不同的质量数之间来回转换，以满足选择离子检测的需要。