GCMS的原理與應用

1、GC-MS的原理及應用摘要：氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術（GC-MS檢測靈敏度高，分離效果 好，是檢測有機物最常選用的方法。本文綜述了GC-M釀用技術的原理及其在醫(yī)藥、環(huán)境、生物等方面的應用。關鍵詞：GC-MS原理；應用1概述GC-MS始于20世紀50年代后期，1965年出現(xiàn)商品儀器，1968 年實現(xiàn)與計算機聯(lián)用。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前，各種聯(lián)用技術中， 最成熟和最完善的當屬 GS-MS其發(fā)展過程分為4個階段：解決接 口和磁場快掃描問題，以填充柱色譜與磁質(zhì)譜聯(lián)用成功為標志；解 決聯(lián)用儀計算機數(shù)據(jù)處理問題，以填充柱色譜-四極質(zhì)譜-計算機三機聯(lián)用成功為標志；小型臺式 GC-MSt用，計算機幵始控制聯(lián)用儀

2、 主機，實現(xiàn)了毛細管柱GC-MS并幵始了 GC-MS-M&氣象色譜與磁式 或四極串聯(lián)質(zhì)譜 MS-MS勺聯(lián)用）；主機一體化全自動 GC-MS系統(tǒng)和小 型臺式GC-MS-M啲問世。GC-MS分析儀綜合了色譜法的分離能力和質(zhì)譜的定性長處，可 在較短的時間內(nèi)對多組分混合物進行定性分析。在這類中，由于質(zhì) 譜儀工作原理不同，又有氣相色譜-四極質(zhì)譜儀，氣相色譜-飛行時 間質(zhì)譜儀，氣相色譜-離子阱質(zhì)譜儀等。2 GC-MS的原理和組成GC-MSJ用氣相色譜作為質(zhì)譜的進樣系統(tǒng)，使復雜的化學組會得 到分離；利用質(zhì)譜儀作為檢測器進行定性和定量的分析，主要是用于定性定量分析沸點較低、熱穩(wěn)定性好的化合物2.1GC

3、-MS的原理供試品經(jīng)GC分離為單一組分，按其不同的保留時間，與載氣同 時流出色譜柱，經(jīng)過分子分離器接口，除去載氣，保留組分進入MS儀離子源被離子化，樣品組分轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子，經(jīng)分析檢測，記錄為MS圖。GC-MS中氣相色譜儀相當于質(zhì)譜儀進樣系統(tǒng)，而質(zhì)譜儀則是氣 相色譜的檢測器，通過接口將二者有機地結(jié)合。2.1.1 GC的原理冋由于流動相、固定相以及溶質(zhì)混合物性質(zhì)（沸點、極性及吸附 性質(zhì)等）的不同，在色譜過程中溶質(zhì)混合物中的各組分表現(xiàn)出不同 的色譜行為，從而使各組分彼此相互分離。當一種不與被分析物質(zhì)發(fā)生化學反應的被稱為載氣的永久性氣 體（例如HN、He Ar、CG等）攜帶樣品中各組分通過裝有 固定相的色

4、譜柱時，由于試樣分子與固定相分子間發(fā)生吸附、溶解、 結(jié)合或離子交換，使試樣分子隨載氣在兩相之間反復多次分配，使 那些分配系數(shù)只有微小差別的組分發(fā)生很大的分離效果，從而使不 同組分得到完全分離。2.1.2 MS的原理冋質(zhì)譜分析是一種測量離子荷質(zhì)比（電荷 -質(zhì)量比）的分析方法， 其基本原理 是使試樣中各組分在離子源中發(fā)生電離，生成不同荷質(zhì)比的帶正電荷的離子，經(jīng)加速電場的作用，形成離子束，進入質(zhì)量 分析器。在質(zhì)量分析器中，再利用電場和磁場使發(fā)生相反的速度，將它們分別聚焦而得到，從而確定其質(zhì)量。2.2GC-MS的組成氣相色譜儀必可包括氣路系統(tǒng)，進樣系統(tǒng)，分離系統(tǒng)，溫度控制 系統(tǒng)以及檢測和記錄系統(tǒng)。GC

5、InjectorMassDetector質(zhì)譜儀2,3包括真空系統(tǒng)，進樣系統(tǒng)，離子源，質(zhì)量分析器，離 子檢測器和計算機自動控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。GC-MS聯(lián)用儀2,3包括氣相色譜儀，接口，離子源，質(zhì)量分析器, 檢測器，儀器控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。圖1 GC-MS的組成3 GC-MS分析條件的選擇4-6,9a. 掃描范圍:取決于化合物的分子量，應該使化合物所有的離子 都出現(xiàn)在設定的掃描范圍之內(nèi)。b. 掃描速度：掃視色譜峰寬而定，一個色譜峰出峰時間內(nèi)最好 能有78次質(zhì)譜掃描。c. 燈絲電流：一般設置在 0.200.25mA。燈絲電流小，儀器靈 敏度太低；電流太大，則會降低燈絲壽命。d. 電子能量：電子能量

6、一般為70eV，標準質(zhì)譜圖都是在 70eV下得到的。e. 光電倍增器電壓：與靈敏度有直接關系。在儀器靈敏度能夠 滿足要求的情況下， 應使用較低的光電倍增器電壓， 以保護倍增器， 延長其使用壽命。4 GC-MS的優(yōu)點和常用測定方法4.1GC-MS的優(yōu)點色譜法高效分離和定量分析簡便，質(zhì)譜分析具有靈敏度高，定 性能力強。 可以檢測出幾乎全部的化合物， 準確測定分子質(zhì)量， 確 定化合物的化學式和分子結(jié)構(gòu)，并且靈敏度極高。GC-MS聯(lián)用儀和氣相色譜儀相比的優(yōu)點6,8 :（ 1）其定性參數(shù)增 加, 定性可靠；（2）它是一種高靈敏度的通用型檢測器； （ 3）可同時 對多種化合物進行測量而不受基質(zhì)干擾； （4

7、）定量精度較高； （ 5） 日常維護方便。4.2GC-MS常用測定方法7,9（ 1 ）總離子流色譜法（ total ionization chromatography ， TIC） 類似于 GC 圖譜，用于定量。2)反復掃描法( repetitive scanning method ， RSM) 按一定間隔時間反復掃描，自動測量、運算，制得各個組分的質(zhì)譜 圖，可進行定性。(3) 質(zhì)量色譜法(mass chromatography , MC記錄具有某質(zhì)荷比的離子強度隨時間變化圖譜。在選定的質(zhì)量范圍內(nèi)，任何 一個質(zhì)量數(shù)都有與總離子流色譜圖相似的質(zhì)量色譜圖。 ?(4) 選擇性離子監(jiān)測( select

8、ed ion monitoring ， SIM) 對選定的某個或數(shù)個特征質(zhì)量峰進行單離子或多離子檢測，獲得這 些離子流強度隨時間的變化曲線。其檢測靈敏度較總離子流檢測高2-3 個數(shù)量級。 ?5 GC-MS聯(lián)用中的主要技術問題氣相色譜儀和質(zhì)譜儀聯(lián)用技術中著重要解決兩個技術問題：( 1)儀器接口 10-11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(zhì)譜儀的真空工作條件的聯(lián)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，同時保留和濃縮待測物，使近似大氣壓 的氣流轉(zhuǎn)變成適合離子化裝置的粗真空，并協(xié)調(diào)色譜儀和質(zhì)譜儀的 工作流量。( 2)掃描速度 10-11由于氣相色譜峰很窄，有

9、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(shù)據(jù)點。這樣就要求質(zhì)譜儀有較高的掃描速 度，才能在很短的時間內(nèi)完成多次全質(zhì)量范圍的質(zhì)量掃描。另一方面，要求質(zhì)譜儀能很快在不同的質(zhì)量數(shù)之間來回切換，以滿足選擇 離子檢測的需要。6 GC-MS的應用GC-MS法現(xiàn)已廣泛用于藥物濫用監(jiān)測、興奮劑檢測、臨床疾病 診斷、藥動學研究等體內(nèi)藥物分析。6.1GC-MS 在興奮劑檢測中的應用根據(jù)國際奧委會醫(yī)學委員會的要求，體育運動中的興奮劑檢測 唯一能用作確認的儀器是GC-MS5 。一般興奮劑檢測實驗室都以GC-M(S HP5970/71/72/73 )做初篩。初篩一般用選擇離子檢測 (SIM) 能有較高

10、的靈敏度，初篩有懷疑的樣品必須重新進行檢測，并用樣 品與同樣條件下比對物全掃描提供的質(zhì)譜圖的一致性、保留時間的 一致性對檢測物質(zhì)進行定性。6.2GC-MS 在生物利用度和藥代動力學研究中的應用 1例：楊麗莉等以樟腦為內(nèi)標，建立了GC-MS法測定冰片和川芎嗪的血藥濃度方法，最低檢出限為 2 ng/ml 。6.3GC-MS 聯(lián)用技術在有機物環(huán)境監(jiān)測分析中的應用隨著質(zhì)譜技術的發(fā)展，基于各種質(zhì)譜串聯(lián)技術的痕量分析技術 不斷出現(xiàn)，質(zhì)譜技術的應用，為復雜樣品中微量揮發(fā)性有機溶劑的 定性、定量分析2,12提供了新的途徑。運用 GC-MS技術測定各種揮 發(fā)性有機物并對痕量物質(zhì)進行定性與定量分析；最后，比對不同

11、濃 度梯度揮發(fā)性有機物在同種升溫方式下進樣與出峰的最佳濃度。6.4 在揮發(fā)性成分以及中藥有效成分中的應用在揮發(fā)性成分以及中藥有效成分中的應用氣質(zhì)聯(lián)用技術 10,11 ，將 氣相色譜高效的在線分離能力與質(zhì)譜高選擇性、高靈敏度的檢測能 力相結(jié)合，可以作為復雜體系分離分析的有效研究手段，并是揮發(fā) 油分離分析的首選方法。隨著氣質(zhì)聯(lián)用分析檢測技術的日益完善， 現(xiàn)已廣泛地用于揮發(fā)油、甾類、生物堿、脂肪酸、脂溶性成分等中 藥有效成分的研究。近年來，氣質(zhì)聯(lián)用與固相微萃取或頂空固相微萃取及其改進的 萃取法、微波萃取技術、分子蒸餾、超臨界二氧化碳流體萃取法等 聯(lián)用。這些樣品處理方法不需溶劑，可將樣品萃取、富集和進

12、樣結(jié) 合起來，大大提高分析速度，具有靈敏度高、重現(xiàn)性好、快速、高 效、節(jié)能、污染小的特點，能很好地與GC-MS目結(jié)合，在中藥分析方面得到越來越廣泛的應用。6.5用GC-MS寸藥物合成過程、藥物作用機制的研究，為研究藥物 藥理毒理做好準備 , 也為藥品的質(zhì)量控制以及制定藥品質(zhì)量標準提 供依據(jù)氣目色譜一質(zhì)譜聯(lián)用技術以其強有力的分離和分析能力，泛地 應用于藥物、生物合成方面，提高了合成目標物的定性檢測和定量 測定的準確度、精確度和靈敏度 5,9 。從氣質(zhì)聯(lián)用技術的角度講是擴 大了該技術的應用范圍，增加了新的研究領域；從合成應用角度則 是在該領域的分析測試中又增加了一種更加靈敏可靠的檢測方法。6.6

13、農(nóng)藥殘留的檢測GC-MS聯(lián)用技術可對多種農(nóng)藥進行確認和結(jié)構(gòu)鑒定，質(zhì)譜檢測 器可以對各種類型的殘留物同時進行定性定量分析和陽性確證， 結(jié)合應用選擇離子監(jiān)測技術，以及高效快速方法的發(fā)展，可排除雜 質(zhì)的干擾 , 大大提高分析的靈敏度。目前多極質(zhì)譜 GC-MS 技術的發(fā)展，為復雜樣品中微量農(nóng)藥定性 定量分析開辟了新途徑，它選擇目標化合物的特征離子為母離子， 對其進行碰撞誘導碰撞（CID），用其子離子圖譜進一步確證分析對 象的結(jié)構(gòu)， 其主要特點是在提高分析能力的基礎上提供足夠的結(jié)構(gòu) 信息, 用于結(jié)構(gòu)定性。它還可以將在色譜上不能完全分離的共流出物 利用時間編程和多通道檢測將其完全分開，因此特別適用于分析背

14、 景干擾嚴重、定性困難樣品組分含量低的情況。6.7 生物大分子的研究氣質(zhì)聯(lián)用技術的發(fā)展，尤其是飛行時間檢測（ TOF技術以及串 聯(lián)質(zhì)譜MS-MS為生物大分子檢測提供了強有力的工具 13 o TOF技術 是應用不同 m/z 離子的飛行速度不同，離子飛行通過相同的路徑到 達監(jiān)測器的時間不同而獲得質(zhì)量分離，掃描速度快、分析質(zhì)量范圍 寬；同時利用CID可將化合物的分子離子或準分子離子打碎，通過 中性丟失掃描、母離子掃描和子離子掃描，進行多級質(zhì)譜檢測，為 生物大分子提供詳細的數(shù)據(jù)。氣質(zhì)聯(lián)用使得生物大分子研究得到了 快速的發(fā)展，尤其是在生物分子克降、基因組學方面的研究。6.8 臨床診斷氣相色譜一質(zhì)譜聯(lián)用以

15、其快速、高效、穩(wěn)定的優(yōu)點成為臨床診 斷研究中的主要方法，通過檢測由疾病誘導產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物的變化 進行分析，有助于了解病變過程和機體內(nèi)代謝途徑，同時助臨床治 療 15 。氣質(zhì)聯(lián)用技術作為一種特異性高的分析手段，在臨床疾病診 治中具有一定的應用價值，其應用也將越來越廣泛。該技術在劉疾 病標志物進行定性定量研究的同時，將向國際上普遍采用的高分辨 率質(zhì)譜和串聯(lián)質(zhì)譜發(fā)展，成為低濃度生物診斷樣品的高效、高靈敏 檢測方法與生物樣品的在線預處理技術相結(jié)合，以其高效、高度自 動化的技術特點在臨床診治領域?qū)l(fā)揮更加重要的作用。/PCF：GC-MS聯(lián)用技術分析復雜未知混合物準確、靈敏、快速,且操作簡便,已經(jīng)成為分析

16、復雜未知物的最有效的手段之一。但GC-MS技術還有其自身的缺點，要求其所分析的氣體、液體、固體物在操作溫 度下是穩(wěn)定的，且要求所分析的液體、固體氣化溫度不高于操作溫 度上限，使GC-MS聯(lián)用技術的應用范圍受到一定限制，還有許多技 術問題仍需進一步解決。隨著社會不斷進步，人們對環(huán)境的要求越來越高 , 環(huán)保標準日益 嚴格，這就要求色譜與其他分析方法一樣向更高靈敏度、更高選擇 性、更方便快捷的方向發(fā)展，不斷推出新的方法來解決遇到的新的 分析問題?？梢灶A見，色譜技術將向與其他技術聯(lián)用、高精度、高 靈敏度、微型化的方向發(fā)展，并使得未知物的檢測變得更加簡潔準 確。參考文獻：1 鄒海洋 , 陳再潔 , 鄭建

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