氣相色譜質譜聯用技術講解

　　轉眼一周過半，繼續與小伙伴們分享專業技術知識。今天分享的話題是有關氣相色譜-質譜聯用技術的，今天推送的主要內容有——

　　儀器系統｜一

　　（一）GC-MS系統的組成

　　氣質聯用儀是分析儀器中較早實現聯用技術的儀器。自1957年霍姆斯和莫雷爾首次實現氣相色譜和質譜聯用以后，這一技術得到長足的發展。在所有聯用技術中氣質聯用，即GC-MS發展最完善，應用最廣泛。目前從事有機物分析的實驗室幾乎都把GC-MS作為主要的定性確認手段之一，在很多情況下又用GC-MS進行定量分析。另一方面，目前市售的有機質譜儀，不論是磁質譜、四極桿質譜、離子阱質譜還是飛行時間質譜（TOF），傅里葉變換質譜（FTMS）等均能和氣相色譜聯用。還有一些其他的氣相色譜和質譜聯接的方式，如氣相色譜-燃燒爐-同位素比質譜等。GC-MS逐步成為分析復雜混合物最為有效的手段之一。

　　氣相色譜儀分離樣品中各組分，起著樣品制備的作用；接口把氣相色譜流出的各組分送入質譜儀進行檢測，起著氣相色譜和質譜之間適配器的作用，由于接口技術的不斷發展，接口在形式上越來越小，也越來越簡單；質譜儀對接口依次引入的各組分進行分析，成為氣相色譜儀的檢測器；計算機系統交互式地控制氣相色譜、接口和質譜儀，進行數據采集和處理，是GC-MS的中央控制單元。

　　（二）GC-MS聯用中主要的技術問題

　　氣相色譜儀和質譜儀聯用技術中主要著重要解決兩個技術問題：

　　1.儀器接口

　　眾所周知，氣相色譜儀的入口端壓力高于大氣壓，在高于大氣壓力的狀態下，樣品混合物的氣態分子在載氣的帶動下，因在流動相和固定相上的分配系數不同而產生的各組分在色譜柱內的流速不同，使各組分分離，最后和載氣一起流出色譜柱。通常色譜往的出口端為大氣壓力。質譜儀中樣品氣態分子在具有一定真空度的離子源中轉化為樣品氣態離子。這些離子包括分子離子和其他各種碎片離子在高真空的條件下進入質量分析器運動。在質量掃描部件的作用下，檢測器記錄各種按質荷比分離不同的離子其離子流強度及其隨時間的變化。因此，接口技術中要解決的問題是氣相色譜儀的大氣壓的工作條件和質譜儀的真空工作條件的聯接和匹配。接口要把氣相色譜柱流出物中的載氣，盡可能多的除去，保留或濃縮待測物，使近似大氣壓的氣流轉變成適合離子化裝置的粗真空，并協調色譜儀和質譜儀的工作流量。

　　2.掃描速度

　　沒和色譜儀聯接的質譜儀一般對掃描速度要求不高。和氣相色譜儀聯接的質譜儀，由于氣相色譜峰很窄，有的僅幾秒鐘時間。一個完整的色譜峰通常需要至少6個以上數據點。這樣就要求質譜儀有較高的掃描速度，才能在很短的時間內完成多次全質量范圍的質量掃描。另一方面，要求質譜儀能很快地在不同的質量數之間來回切換，以滿足選擇離子檢測的需要。

　　（三）GC-MS聯用儀和氣相色譜儀的主要區別

　　GC-MS聯用后，儀器控制、高速采集數據量以及大量數據的適時處理對計算機的要求不斷提高。一般小型臺式的常規檢測氣質聯用儀由個人計算機及其Windows95或Windows支持。而大整研究用的GC-MS聯用儀，主要是磁質譜或者多級串聯質譜大都有小型工作站及其Unix系統支持。為方便用戶使用，隨著個人計算機CPU和軟件的迅速發展，不少大型GC-MS聯用儀的計算機系統開始采用PC。

　　GC-MS聯用后，氣相色譜儀部分的氣路系統和質譜儀的真空系統幾乎不變，僅增加了接口的氣路和接口真空系統。

　　GC-MS聯用后，整機的供電系統不僅變化不大。除了向原有的氣相色譜儀、質譜儀和計算機及其外設各部件供電以外，還需向接口及其傳輸線恒溫裝置和接口真空系統供電。

　　氣質聯用法和其他氣相色譜法作一簡單比較，可見如下一些性能和操作上的區別：

　　（1）GC-MS方法定性參數增加，定性可靠。GC-MS方法不僅與GC方法一樣能提供保留時間，而且還能提供質譜圖，由質譜圖、分子離子峰的準確質量、碎片離子峰強比、同位素離子峰、選擇離子的子離子質譜圖等使GC-MS方法定性遠比GC方法可靠。

　　（2）GC-MS方法是一種通用的色譜檢測方法，但靈敏度卻遠高于GC方法中的通用檢測器中任何一種。GC方法中常用的只有FID和TCD是通用檢測器，其余都是選擇性檢測器，與檢測樣品中的元素或官能團有關。

　　（3）雖然用氣相色譜儀的選擇性檢測器，能對一些特殊的化合物進行檢測，不受復雜基質的干擾，但難以用同一檢測器同時檢測多類不同的化合物，而不受基質的干擾。而采用色質聯用中的提取離子色譜、選擇離子檢測等技術可降低化學噪聲的影響，分離出總離子圖上尚未分離的色譜峰。在色質聯用技術中，高分辨質譜的聯用儀檢測準確質量數、串聯質譜（時間串聯或空間串聯）的選擇反應檢測或選擇離子子離子檢測等均能在一定程度上降低化學噪音，提高信噪比。

　　（4）從氣相色譜和色質聯用的一般經驗來說、質譜儀定量似乎總不如氣相色譜儀，但是，由于色質聯用可用同位素稀釋和內標技術，以及質譜技術的不斷改進，色質聯用儀的定量分析精度極大改善。在一些低濃度的定量分析中，接近多數氣相色譜儀檢測器的檢測下限時，色質聯用儀的定量精度優于氣相色譜儀。

　　（5）氣相色譜方法中的大多數樣品處理方法、分離條件、儀器維護等都要保持，移植成為色質聯用的方法。在色質聯用中選擇衍生化試劑時，要求衍生化物在一般的離子化條件下能產生穩定的，合適的質量碎片。

　　（6）氣相色譜法中，經過一段時間的使用，某些檢測器需要清洗。在色質聯用中檢測器不常需要清洗，最常需要清洗的是離子源或離子盒。離子源或離子盤是否清潔，是影響儀器工作狀態的重要因素。柱老化時不聯接質譜儀、減少注入高濃度樣品、防止引入高沸點組分、盡量減少進樣量、防止真空泄漏、反油等是防止離子源污染的方法。氣相色譜工作時的合適溫度參數均可以移植到色質聯用儀上，其他各部件的溫度設置要注意防止出現冷點，否則，GC-MS的色譜分辨率將會惡化。

　　（四）GC-MS聯用儀器的分類

　　GC-MS儀器的分類有多種方法，按照儀器的機械尺寸，可以初略地分為大型、中型、小型三類氣質聯用儀；又可以按照儀器的性能，初略地分為高檔、中檔、低檔三類氣質聯用儀或研究級和常規檢測級兩類。按照質譜技術，GC-MS通常是指四極桿質譜或磁質譜，GC-ITMS通常是指氣相色譜-離子阱質譜，GC-TOFMS是指氣相色譜-飛行時間質譜等。按照質譜儀的分辨率，又可以分為高分辨（通常分辨率高于5000）、中分辨（通常分辨率在1000和5000之間）、低分辨（通常分辨率低于1000）氣質聯用儀。小型臺式四極桿質譜檢測器。（MSD）的質量范圍一般低于1000。四級桿質譜由于其本身固有的限制，一般GC-MS分辨率在2000以下。市場占有率較大、和氣相色譜聯用的高分辨磁質譜一般最高分辨率可達60000以上。和氣相色譜聯用的飛行時間質譜（TOFMS），其分辨率可達5000左右。

　　（一）接口技術評價

　　GC-MS聯用儀的接口是解決氣相色譜和質譜聯用的關鍵組件。理想的接口是能除去全部載氣，但卻能把待測物毫無損失地從氣相色譜儀傳輸到質譜儀。實際工作中甩傳輸產率Y、濃縮系數N、延時t和峰展寬系數H來評價接口性能（見表）。當Y→100%、足夠的N，t→0、H→1的該接口幾乎達到理想狀態。

　　（二）常用接口介紹

　　在色質聯用技術的發展過程中，還出現過許多其他接口方式，如分子流式分離器，利用分子量小，流導大容易除去的原理，分離載氣和樣品；如有機薄膜分離器，利用對有機氣體選擇性溶解，使作為載氣的無機氣體和樣品分離；又如鈀" 銀管分離器，利用鈀" 銀管對氫的選擇反應傳輸而達到分離的目的；等等。由于這些分離器總體性能都不如表11-3-2中所列接口，因此只在一些很特殊的場合下使用。

　　1 直接導入型接口（Direct coupling）

　　內徑在0.25至0.32的毛細管色譜柱的載氣流量在1-2ml/min。這些柱通過一根金屬毛細管直接引入質譜儀的離子源。這種接口方式是迄今為止最常用的一種技術。其基本原理見圖中所示。毛細管柱沿圖中箭頭方向插入，直至有1-2mm的色譜柱伸出該金屬毛細管。載氣和待測物一起從氣相色譜柱流出立即進入離子源的作用場。由于載氣氦氣是惰性氣體不發生電離，而待測物卻會形成帶電粒子。待測物帶電粒子在電場作用下加速向質量分析器運動，而載氣卻由于不受電場影響，被真空泵抽走。接口的實際作用是支撐插入端毛細管，使其準確定位。另一個作用是保持溫度，使色譜柱流出物始終不產生冷凝。

　　使用于這種接口的載氣限于氦氣或氫氣。當氣相色譜儀出口的載氣流量高于2ml/min時，質譜儀的檢測靈敏度會下降。一般使用這種接口，氣相色譜儀的流量在0.7-1.0ml/min。色譜柱的最大流速受質譜儀真空泵流量的限制。最高工作溫度和最高柱溫相近。接口組件結構簡單，容易維護。傳輸率達100%，這種聯接方法一般都使質譜儀接口緊靠氣相色譜儀的側面。這種接口應用較為廣泛。

　　2.開口分流型接口

　　色譜柱洗脫物的一部分被送入質譜儀，這樣的接口稱為分流型接口。在多種分流型接口中開口分流型接口最為常用。其工作原理見圖中所示。

　　氣相色譜柱的一段插入接口，其出口正對著另一毛細管，該毛細管稱為限流毛細管。限流毛細管承受將近0.1MPa的壓降，與質譜儀的真空泵相匹配，把色譜柱洗脫物的一部分定量地引入質譜儀的離子源。內套管固定插色譜柱的毛細管和限流毛細管，使這兩根毛細管的出口和入口對準。內套管置于一個外套管中，外套管充滿氦氣。當色譜柱的流量大于質譜儀的工作流量時，過多的色譜柱流出物和載氣隨氦氣流出接口；當色譜柱的流量小于質譜儀的工作流量時，外套管中的氦氣提供補充。因此，更換色譜柱時不影響質譜儀工作，質譜儀也不影響色譜儀的分離性能。這種接口結構也很簡單，但色譜儀流量較大時，分流比較大，產率較低，不適用于填充柱的條件。

　　3.噴射式分子分離器接口

　　常用的噴射式分子分離器接口工作原理是根據氣體在噴射過程中不同質量的分子都以超音速的同樣速度運動，不同質量的分子具有不同的動量。動量大的分子，易保持沿噴射方向運動，而動量小的易于偏離噴射方向，被真空泵抽走。分子量較小的載氣在噴射過程中偏離接受口，分子量較大的待測物得到濃縮后進入接受口。噴射式分子分離器具有體積小熱解和記憶效應較小，待測物在分離器中停留時間短等優點。

　　還有一些其他的分子分離器接口，但現在市售的GC-MS儀器一般采用直接導入較多，故不再對其他的分子分離器作過多的介紹。

　　衍生化方法｜三

　　在GC-MS方法分析實際樣品時，對羥基、胺基、羧基等官能團進行衍生化往往起著十分重要的作用。主要有以下一些益處：

　　（1）改善了待測物的氣相色譜性質。

　　待測物中一些極性較大的基團的存在，如羥基、羧基等氣相色譜特性不好，在一些通用的色譜柱上不出峰或峰拖尾，衍生化以后，情況改善。

　　（2）改善了待測物的熱穩定性。

　　某些待測物，熱穩定性不夠，在氣化時或色譜過程中分解或變化，衍生化以后，待測物定量轉化成在GC-MS測定條件下穩定的化合物。

　　（3）改變了待測物的分子質量。

　　衍生化后的待測物絕大多數是分子量增大，有利于使待測物和基質分離，降低背景化學噪音的影響。

　　（4）改善了待測物的質譜行為。

　　大多數情況下，衍生化后的待測物產生較有規律、容易解釋的質量碎片。

　　（5）引入鹵素原子或吸電子基團，使待測物可用化學電離方法檢測。很多情況下可以提高檢測靈敏度，檢測到待測物的分子量。

　　（6）通過一些特殊的衍生化方法，可以拆分一些很難分離的手性化合物。

　　當然，衍生化方法應用不當，也會帶來一些弊端，例如：①柱上衍生化有時會損傷色譜柱。②某些衍生化試劑需在氮氣氣流中吹干除去，方法不當會有損失。③衍生化反應不完全，會影響靈敏度。④衍生化試劑選用不當，有時會使待測物分子量增加過多，接近或超過一些小型質譜檢測器的質量范圍。

　　 GC-MS檢測中選用衍生化試劑除了和氣相色譜中選擇衍生化試劑相同的準則以外，還應注意到衍生化產物的質譜特性：質量碎片特征性強，分子量適中，適合質量型檢測器檢測，也有利于與基質干擾物分離，表中列出了GC-MS中常用的衍生化方法。

　　譜庫與計算機檢索｜四

　　隨著計算機技術的飛速發展，人們可以將在標準電離條件（電子轟擊電離源，70eV電子束轟擊）下得到的大量已知純化合物的標準質譜圖存貯在計算機的磁盤里，作成已知化合物的標準質譜譜庫，然后將在標準電離條件下得到的，已被分離成純化合物的未知化合物質譜圖與計算機內存的質譜譜庫內的質譜圖按一定的程序進行比較，將匹配度（相似度）高的一些化合物檢出，并將這些化合物的名稱、分子量、分子式、結構式（有些沒有）和匹配度（相似度）給出，這將對解析未知化合物，進行定性分析有很大幫助。目前，質譜譜庫已成為GC-MS聯用儀中不可缺少的一部分，特別是用GC-MS聯用儀分析復雜樣品，出現數十個甚至上百個色譜峰時，要用人工的方法對每一個色譜峰的質譜圖態解析，那是十分困難的，要耗費大量的時間和人力。只有利用質譜譜庫和計算機檢索，才能順利、快速地完成GC-MS的譜圖解析任務。

　　（一）常用的質譜譜庫

　　用標準電離條件———電子轟擊電離源，70eV電子束轟擊已知純有機化合物，將這些標準質譜圖和有關質譜數據存貯在計算機的磁盤中就得到了質譜譜庫，目前最常用的質譜譜庫有以下一些：

　　（1）NIST庫由美國國家科學技術研究所出版，最新版本收有64K張標準質譜圖。

　　（2）NIST/EPA/NIH庫是由美國國家科學技術研究所（NIST）、美國環保局（EPA）和美國國立衛生研究院（NIH）共同出版，最新版本收有的標準質譜圖超過129K張，約有107K個化合物及107K個化合物的結構式。

　　（3）Wiley庫 有3種版本。第六版本的Wiley庫收有標準質譜圖230K張；第六版本的Wiley/NIST庫收有標準質譜圖275K張；Wiley選擇庫（Wiley Select Libraries）收有90K張標準質譜圖。在Wiley庫中同一個化合物可能有重復的不同來源的質譜圖。

　　（4）農藥庫（Standard Pesticide Libraray） 內有340個農藥的標準質譜圖。

　　（5）藥物庫（Pffeger Dryg Libraray） 內有4370個化合物的標準質譜圖，其中包括許多藥物、殺蟲劑、環境污染物及其代謝產物和它們的衍生化產物的標準質譜圖。

　　（6）揮發油庫（Essential Oil Libraray） 內有揮發油的標準質譜圖。

　　 在這6個質譜譜庫中前三個是通用質譜譜庫，一般的GC-MS聯用儀上有配有其中的一個或兩個譜庫。目前用的最廣泛的是NIST/EPA/NIH庫。后三個是專用質譜譜庫，根據工作的需要可以選擇使用。

　　（二）NIST/EPA/NIH庫及其檢索簡介

　　現在，幾乎所有的GC-MS聯用儀上都配有NIST/EPA/NIH庫，各儀器公司所配用的NIST/EPA/NI庫所含有的標準質譜圖的數目可能有所不同，這可能是與各儀器公司選擇的譜庫版本不同，配置也有所不同。如1992年版本的NIST/EPA/NIH庫收有62235個化合物的標準質譜圖，而NIST/EPA/NIH選擇復制庫還有12592張標準質譜圖可以安裝。還有14個不同定位的使用者庫可與NIST/EPA/NIH庫結合使用。質譜工作者還可將自己實驗中得到的標準質譜圖及數據用文本文件存在使用者庫中，或者自己建立使用者庫。這些都使不同儀器公司提供的NIST/EPA/NIH庫所含有的標準質譜圖的數目有所不同。

　　NIST/EPA/NIH庫的檢索方式有兩種：一種是在線檢索，一種是離線檢索。

　　在線檢索是將GC-MS分析時得到的、已扣除本底的質譜圖，按選定的檢索譜庫和預先設定的庫檢索參數、庫檢索過濾器與譜庫中存有的質譜圖進行比對，將得到的匹配度（相似度）最高的20個質譜圖的有關數據（化合物的名稱、分子量、分子式、可能的結構、匹配度等等）列出來，供被檢索的質譜圖定性作參考。

　　離線檢索是在得到一張質譜圖后，根據這張質譜圖的有關信息，從質譜譜庫中調出有關的質

　　譜圖與其進行比較。通過比較，可對該質譜圖作出定性分析。離線檢索的檢索方式有以下幾種：

　　（1）ID號檢索 ID號是NIST/EPA/NIH庫給每一個化合物規定識別號———即該化合物在庫中的順序號。只要直接輸入該化合物的ID號（如果已知），就可以將此化合物的標準質譜圖調出進行比較。

　　（2）CAS登記號檢索 CAS登記號是每個化合物在化學文摘服務處登記的號碼。如已知該化合物的CAS登記號，就可以用CAS登記號檢索。只要輸入CAS登記號，就可以將此化合物的標準質譜圖調出進行比較。

　　（3）NIST庫名稱檢索如知道該化合物在NIST庫中的名稱，就可以用此名稱進行檢索。

　　（4）使用者庫名稱檢索按該化合物在使用者庫中的準確名稱進行檢索。

　　（5）分子式檢索給出化合物的特定分子式就可以用分子式檢索。將這一分子式輸入后，就可以給出庫中符合這一分子式的全部化合物的標準質譜圖。

　　（6）分子量檢索將分子量輸入后，就可以給出庫中符合這一分子量的全部化合物的標準質譜圖。

　　（7）峰檢索將得到的質譜數據接峰的質量數（m/z）和相對強度（基峰為100，其他峰以基峰強度的百分數表示）范圍依次輸入。如知道最大質量數，可在Maxmass欄內輸入。如從分子離子上有中性丟失，可在Loss欄內輸入，這一丟失的最大值是m/z=64。如輸入0，則此質譜圖一定有分子離子峰。在輸入這些峰的數據后就可得到一系列化合物的標準質譜圖。輸入的峰越多，輸入的相對強度范圍越窄，檢出的化合物數量就越少，甚至檢不出化合物來。此時可減少輸入的峰或放寬相對強度范圍，就可檢出化合物。

　　（三）使用譜庫檢索時應注意的問題

　　為了使檢索結果正確，在使用譜庫檢索時應注意以下幾個問題。

　　（1）質譜庫中的標準質譜圖都是在電子轟擊電離源中，用70eV電子束轟擊得到的，所以被檢索的質譜圖也必須是在電子轟擊電離源中，用70eV電子束轟擊得到的，否則檢索結果是不可靠的。

　　（2）質譜譜庫中標準質譜圖都是用純化合物得到的，所以被檢索的質譜圖也應該是純化合物的。本底的干擾往往使被檢索的質譜圖發生畸變，所以扣除本底的干擾對檢索的正確與否十分重要。現在的質譜數據系統都帶有本底扣除功能，重要的是如何確定（即選擇）本底，這就要靠實踐經驗。在GC-MS分析中，有時要扣除色譜峰一側的本底，有時要扣除峰兩側的本底。本底扣除時扣除的都是某一段本底的平均值，選擇這一段的長短及位置也是憑經驗決定。

　　（3）在總離子流圖中選擇哪次掃描的質譜圖進行檢索，對檢索結果的影響也很重要。當總離子流的峰很強時，選擇峰頂的掃描進行檢索，可能由于峰頂時進入離子源的樣品量太大，在離子源內發生分子-離子反應，使質譜圖發生畸變，得不到正確的檢索結果。筆者就曾發現，當選擇總離子流強度很大的掃描時，由于分子離子反應，出現了（2M+1）+，（2M）+或（2M-1）+的情況。當被檢索的峰前干擾嚴重時（如檢索主峰后的峰時），往往在峰的后沿處選擇質譜圖進行檢索；當被檢索的峰后干擾嚴重時（如檢索主峰前的峰時），往往在峰的前沿處選擇質譜圖進行檢索。這樣做就是要盡可能避免被檢索的質譜圖被其他物質所干擾。

　　（4）要注意檢索后給出的匹配度（相似度）最高的化合物并不一定就是要檢索的化合物，還要根據被檢索質譜圖中的基峰，分子離子峰及其已知的某些信息（如是否含某些特殊元素—F、Cl、Br、I、S、N等等，該物質的穩定性、氣味等等），從檢索后給出的一系列化合物中確定被檢索的化合物。

　　應用｜五

　　GC-MS聯用在分析檢測和研究的許多領域中起著越來越重要的作用，特別是在許多有機化合物常規檢測工作中成為一種必備的工具。如環保領域在檢測許多有機污染物，特別是一些濃度較低的有機化合物，如二口惡英等的標準方法中就規定用GC-MS；藥物研究、生產、質控以及進出口的許多環節中都要用到GC-MS；法庭科學中對燃燒、爆炸現場的調查，對各種案件現場的各種殘留物的檢驗，如纖維、嘔吐物、血跡等檢驗和鑒定，無一不要用到GC-MS；工業生產許多領域，如石油、食品、化工等行業都離不開GC-MS；甚至競技體育運動中，用GC-MS進行的興奮劑檢測起著越來越重要的作用。