氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用原理和應(yīng)用介紹

1、氣相色譜法 -質(zhì)譜聯(lián)用氣相色譜法 -質(zhì)譜法聯(lián)用（英語(yǔ)：Gas chromatography -mass spectrometry,簡(jiǎn)稱氣質(zhì)聯(lián)用， 英文縮寫(xiě) GC-MS） 是一種結(jié)合氣相色譜和質(zhì)譜的特性，在試樣中鑒別不同物質(zhì)的方法。GC-MS 的使用包括藥物檢測(cè)（主要用于監(jiān)督藥物的濫用） 、火災(zāi)調(diào)查、環(huán)境分析、爆炸調(diào)查 和未知樣品的測(cè)定。 GC-MS 也用于為保障機(jī)場(chǎng)安全測(cè)定行李和人體中的物質(zhì)。 另外， GC-MS 還可以用于識(shí)別物質(zhì)中以前認(rèn)為在未被識(shí)別前就已經(jīng)蛻變了的痕量元素。GC-MS 已經(jīng)被廣泛地譽(yù)為司法學(xué)物質(zhì)鑒定的金標(biāo)方法，因?yàn)樗挥糜谶M(jìn)行“專一性測(cè)試”。所謂 “專一性測(cè)試 ”就是能十分

2、肯定地在一個(gè)給定的試樣中識(shí)別出某個(gè)物質(zhì)的實(shí)際存在。 而非專一性測(cè)試則只能指出試樣中有哪類物質(zhì)存在。 盡管非專一性測(cè)試能夠用統(tǒng)計(jì)的方法提 示該物質(zhì)具體是那種物質(zhì)，但存在識(shí)別上的正偏差。目錄1 歷史2 儀器設(shè)備2.1 GC-MS 吹掃和捕集2.2 質(zhì)譜檢測(cè)器的類型3 分析3.1 MS 全程掃描3.2 選擇的離子檢測(cè)3.3 離子化類型3.3.1 電子離子化3.3.2 化學(xué)離子化3.4 GC-串聯(lián) MS4 應(yīng)用4.1 環(huán)境檢測(cè)和清潔4.2 刑事鑒識(shí)4.3 執(zhí)法方面的應(yīng)用4.4 運(yùn)動(dòng)反興奮劑分析4.5 社會(huì)安全4.6 食品、飲料和香水分析4.7 天體化學(xué)4.8 醫(yī)藥5 參考文獻(xiàn)6 參考書(shū)目7 外部鏈接歷

3、史用質(zhì)譜儀作為氣相色譜的檢測(cè)器是上個(gè)世紀(jì)50 年代期間由 Roland Gohlke 和 FredMcLafferty 首先開(kāi)發(fā)的。 當(dāng)時(shí)所使用的敏感的質(zhì)譜儀體積龐大、 容易損壞只能作為固定的實(shí) 驗(yàn)室裝置使用。價(jià)格適中且小型化的電腦的開(kāi)發(fā)為這一儀器使用的簡(jiǎn)單化提供了幫助，并且， 大大地改善了分析樣品所花的時(shí)間。 1964 年，美國(guó)電子聯(lián)合公司 ( Electronic Associates, Inc. 簡(jiǎn)稱 EAI)- 美國(guó)模擬計(jì)算機(jī)供應(yīng)商的先驅(qū)在開(kāi)始開(kāi)發(fā)電腦控制的四極桿質(zhì)譜儀 Robert E. Finnigan 的指 導(dǎo)下3開(kāi)始開(kāi)發(fā)電腦控制的四極桿質(zhì)譜儀。到了1966年，F(xiàn)innigan和

4、Mike Uthe的EAI分部合作售出 500 多臺(tái)四極桿殘留氣體分析儀。 1967 年， Finnigan 儀器公司 the (FinniganInstrument Corporation，簡(jiǎn)稱FIC)組建就緒，1968年初就給斯坦福大學(xué)和普渡大學(xué)發(fā)送了 第一臺(tái)GC/MS的最早雛型。FIC最后重新命名為菲尼根公司(Finnigan Corporation )并且繼續(xù)持世界 GC/MS 系統(tǒng)研發(fā)、生產(chǎn)之牛耳。1966 年，當(dāng)時(shí)最尖端的高速 GC-MS ( the top-of-the-line high-speed GC-MS units )單元 在不到 90 秒的時(shí)間里，完成了火災(zāi)助燃物的分

5、析，然而，如果使用第一代GC-MS 至少需要 16 分鐘。到 2000 年使用四極桿技術(shù)的電腦化的 GC/MS 儀器已經(jīng)化學(xué)研究和有機(jī)物分析 的必不可少的儀器。今天電腦化的 GC/MS 儀器被廣泛地用在水、空氣、土壤等的環(huán)境檢測(cè) 中；同時(shí)也用于農(nóng)業(yè)調(diào)控、食品安全、以及醫(yī)藥產(chǎn)品的發(fā)現(xiàn)和生產(chǎn)中。氣質(zhì)聯(lián)用色譜是由兩個(gè)主要部分組成： 即氣相色譜部分和質(zhì)譜部分。 氣相色譜使用毛細(xì)5苯基管柱，其關(guān)鍵參數(shù)是柱的尺寸(長(zhǎng)度、直徑、液膜厚度)以及固定相性質(zhì)(例如， 聚硅氧烷）。當(dāng)試樣流經(jīng)柱子時(shí)，根據(jù)個(gè)組分分子的化學(xué)性質(zhì)的差異而得到分離。分子被柱 子所保留，然后，在不同時(shí)間（叫做保留時(shí)間）流出柱子。流出柱子的分子

6、被下游的質(zhì)譜分 析器做俘獲，離子化、加速、偏向、最終分別測(cè)定離子化的分子。質(zhì)譜儀是通過(guò)把每個(gè)分子 斷裂成離子化碎片并通過(guò)其質(zhì)荷比來(lái)進(jìn)行測(cè)定的。GC-MS schematic 把氣相色譜和質(zhì)譜這兩部分放在一起使用要比單獨(dú)使用那一部分對(duì)物 質(zhì)的識(shí)別都會(huì)精細(xì)很多很多倍。單用氣相色譜或質(zhì)譜是不可能精確地識(shí)別一種特定的分子 的。通常，經(jīng)質(zhì)譜儀處理的需要是非常純的樣品，而使用傳統(tǒng)的檢測(cè)器的氣相色譜（如，火 焰離子化檢測(cè)器） 當(dāng)有多種分子通過(guò)色譜柱的時(shí)間一樣時(shí) （即具有相同的保留時(shí)間） 不能予 以區(qū)分， 這樣會(huì)導(dǎo)致兩種或多種分子在同一時(shí)間流出柱子。 在單獨(dú)使用質(zhì)譜檢測(cè)器時(shí)， 也會(huì) 出現(xiàn)樣式相似的離子化碎片。

7、 將這兩種方法結(jié)合起來(lái)則能減少誤差的可能性， 因?yàn)閮煞N分子 同時(shí)具有相同的色譜行為和質(zhì)譜行為實(shí)屬非常罕見(jiàn)。因而， 當(dāng)一張分子識(shí)別質(zhì)譜圖出現(xiàn)在某一特定的 GC-MS 分析的保留時(shí)間時(shí)， 將典型地增高了對(duì)樣品種感興趣的被分析物的確定性。GC-MS 吹掃和捕集在分析揮發(fā)性化合物時(shí)， 可以用吹掃和俘獲 （Purge and Trap，P&T） 濃縮器系統(tǒng)導(dǎo)入樣品。 提取目標(biāo)被分析物，并與水混合， 然后導(dǎo)入氣密性室。用惰性氣體， 比如氮?dú)?（N2） 往水中鼓泡； 這就叫做吹掃。 揮發(fā)性化合物運(yùn)動(dòng)到水上方的頂空 （ headspace）。 并被壓力梯度驅(qū)使 （由引入吹掃氣體所引起） 流出氣密室。

8、這些揮發(fā)性化合物被沿著頂線抽 往“阱 ”。阱是一個(gè)裝有吸附材料的、 處于室溫下的柱子。 它將通過(guò)把這些揮發(fā)性化合物轉(zhuǎn)化 成液相而保持住。然后，加熱給阱樣品化合物經(jīng)過(guò)一個(gè)揮發(fā)性界面被引入 GC-MS 柱，阱在 這里相當(dāng)一個(gè)分流進(jìn)樣系統(tǒng)。質(zhì)譜檢測(cè)器的類型和氣相色譜 （GC） 聯(lián)合使用的的質(zhì)譜的最常見(jiàn)類型是四極桿質(zhì)譜儀， 有時(shí)根據(jù)惠普（現(xiàn)在的安捷倫）的商品名叫做 “質(zhì)量選擇檢測(cè)器 ”（MSD ）。其他相對(duì)普遍的 是離子阱質(zhì)譜儀。另外， 扇形磁場(chǎng)質(zhì)譜儀氣質(zhì)聯(lián)用中也有使用，然而， 這些特別的儀器價(jià)格 昂貴，體積龐大不適用于高通量服務(wù)的實(shí)驗(yàn)室。 氣質(zhì)聯(lián)用中還可能遇到的其他的質(zhì)譜檢測(cè)器 有：飛行時(shí)間檢測(cè)器（

9、 time of flight ， TOF ）、串聯(lián)四極桿檢測(cè)器（ tandem quadrupoles ， MS-MS） （請(qǐng)見(jiàn)下面內(nèi)容。 ）或在離子阱的情況下 MSn 這里 n 指的是質(zhì)譜級(jí)數(shù)。分析典型的質(zhì)譜 檢測(cè)有 兩種途徑：全程 掃描和 選擇性離子檢 測(cè)（ Selective Ion Monitoring ，SIM） 。典型的 GC-MS 能夠根據(jù)對(duì)儀器的設(shè)定，分別地或同時(shí)地執(zhí)行這兩種功 能。MS 全程掃描當(dāng)以全程掃描方式收集數(shù)據(jù)時(shí)， 確定一個(gè)質(zhì)量片段目標(biāo)范圍并輸入儀器。 一個(gè)典型的檢測(cè)質(zhì)量片段的廣度范圍可以是質(zhì)荷比（m/z） 50 到質(zhì)荷比 400。掃描范圍的確定很大程度上決定于分析

10、者預(yù)期試樣中所含的物質(zhì)，同時(shí)要考慮容易和其他可能的干擾成 分。MS不應(yīng)設(shè)定成尋找太低質(zhì)量的片段，否則，會(huì)測(cè)到空氣（發(fā)現(xiàn)如質(zhì)荷比為 28的氮?dú)猓?，二氧化?（m/z 44）或其他可能的干擾。另外，如果選擇一個(gè)很大的掃描范圍，由于每次掃描 必需測(cè)定很寬的質(zhì)量范圍， 所耗費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)， 結(jié)構(gòu)每秒鐘掃描的次數(shù)減少， 從而降低儀器的 靈敏度。全程掃描對(duì)于測(cè)定試樣中的未知化合物有用。 當(dāng)需要證實(shí)或解析試樣中的化合物時(shí)， 它 比 SIM 能提供更多的信息。在開(kāi)發(fā)儀器方法的時(shí)候，通常首先用全程掃描模式分析被測(cè)試 的溶液確定保留時(shí)間和質(zhì)量碎片指紋圖，然后，轉(zhuǎn)向SIM 儀器方法。選擇的離子檢測(cè)當(dāng)在儀器方法中輸入選擇

11、監(jiān)測(cè)（selected ion monitoring ， SIM） 某種離子片段時(shí)， 僅有那些質(zhì)量的片段被質(zhì)譜儀監(jiān)測(cè)。 SIM 的優(yōu)點(diǎn)是由于每次掃描時(shí)， 儀器僅尋找 少量片段（比如，三個(gè)片段）其監(jiān)測(cè)限較低。每秒鐘能進(jìn)行更多次的掃描。由于僅僅監(jiān)測(cè)所 感興趣的幾個(gè)質(zhì)量片段， 基質(zhì)干擾典型的低， 為進(jìn)一步確證潛在的陽(yáng)性結(jié)果的可能性， 相對(duì) 重要的是與已知參比標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較確定各種離子片段的離子比。離子化類型在分子通過(guò)柱子后，流經(jīng)連接管線進(jìn)入質(zhì)譜儀，然后，被用各種方法離子 化，每一次僅用其中的一種方法。一旦樣品被達(dá)成碎片后，將被監(jiān)測(cè)。通常用電子倍增二極管檢測(cè)。電子倍增二極管將離子化的質(zhì)量片段轉(zhuǎn)化成電信號(hào)

12、后進(jìn)行測(cè)定。離子化技術(shù)是不依賴于使用全程掃描還是 SIM 的。電子離子化到目前為止，最常用的也許是標(biāo)準(zhǔn)形式的離子化過(guò)程是電子離子化（electron ionization , El）。分子進(jìn)入MS （其源為四極桿或離子阱 MS的離子阱本身），在那 里他們被由燈絲射出餓電子所轟擊。 這里的燈絲不很像標(biāo)準(zhǔn)電燈泡里的燈絲。 電子以特定的、 可以重復(fù)的方式將分子擊成片段。這一 硬離子化”技術(shù)導(dǎo)致產(chǎn)生更多低質(zhì)荷比 （m/z）的碎片，如果， 仍存在的話，也非常少接近分子質(zhì)量單位的物種。質(zhì)譜專家所說(shuō)的 “硬離子化 ”是使用分子電子轟擊， 而所謂 “軟質(zhì)子化 ”是由導(dǎo)入的氣體和分子碰撞使分子帶電荷。 分子片段

13、的模 式依賴于應(yīng)用于系統(tǒng)的電子的能量，典型的是70 eV (電子伏特)。使用 70 eV 能方便所產(chǎn)生的譜圖和制造商提供的圖庫(kù)軟件或美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究所( the National Institute of StandardsNIST-USA )開(kāi)發(fā)的圖庫(kù)軟件里的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜進(jìn)行比較。圖庫(kù)的搜索使用匹配算法，比如基于 幾率的匹配和基于點(diǎn)積的匹配?；瘜W(xué)離子化： Chemical ionization在化學(xué)質(zhì)譜法中， 是將一種氣體， 典型地是甲烷或氨氣引入質(zhì)譜儀中。 根據(jù)所選擇的技 術(shù)(正 CI 或負(fù) CI )，該試劑氣體將與電子和被分析物發(fā)生作用引起感興趣的分子的, 軟 ?離子化。較軟的化學(xué)離子化與硬

14、的化學(xué)離子化相比將較低程度的造成分子碎片化。 使用化學(xué)離子 化的主要益處之一是產(chǎn)生緊密對(duì)應(yīng)于感興趣的被分析物的分子量的質(zhì)量碎片。正的化學(xué)離子化 在正的化學(xué)離子化( Positive Chemical Ionization ，PCI) 中試劑氣體與 目標(biāo)分子相互作用，最經(jīng)常是進(jìn)行質(zhì)子交換。這將產(chǎn)生相對(duì)大量的該物種。負(fù)的化學(xué)離子化 在負(fù)化學(xué)離子化中 ( Negative Chemical Ionization ，NCI) 試劑氣體降低 自由電子對(duì)目標(biāo)被分析物的碰撞。 該降低了的能量典型地使大的碎片不再繼續(xù)斷裂， 保持其 大的含量。儀器分析的最初目的是為一種物質(zhì)定量。 這要通過(guò)在產(chǎn)生的譜圖中比較各原

15、子質(zhì)量間的 相對(duì)濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)。 有可能通過(guò)兩種方法實(shí)現(xiàn)定量分析。 比較法和從頭分析法。 比較分析的關(guān) 鍵是將所獲得的被分析物的譜圖與譜庫(kù)里的譜圖進(jìn)行比較， 在譜庫(kù)中是否存在具有和該物質(zhì) 特征一致的樣品的譜圖。 這種比較最好靠電腦來(lái)執(zhí)行， 因?yàn)橛捎跇?biāo)度的變化， 會(huì)產(chǎn)生很多視 覺(jué)上的扭曲。電腦同時(shí)還能關(guān)聯(lián)更多的數(shù)據(jù)， (比如，由氣相色譜測(cè)定的保留時(shí)間) ，以至獲 得更精確的結(jié)果。另一種方法是測(cè)量各質(zhì)譜峰的相對(duì)峰高。在該方法中，將最高的質(zhì)譜峰指定為100% ，其他的峰根據(jù)對(duì)最高峰的相對(duì)比例標(biāo)出其百分相對(duì)高度。將所有的大于3% 相對(duì)高度的峰都 進(jìn)行標(biāo)注。 通常通過(guò)母體峰來(lái)確定未知化合物的總質(zhì)量。 用母體

16、峰的總質(zhì)量值與所推測(cè)的該 化合物中所含元素的化學(xué)式相適配。 對(duì)于具有許多同位素的元素， 可以用譜圖中的同位素模式確定存在的元素。一旦化學(xué)式與譜圖相匹配，就能確定分子結(jié)構(gòu)和成鍵方式,而且，必需和 GC-MS 記錄的特點(diǎn)相一致。典型地，這種測(cè)定是通過(guò)和儀器配備的程序自動(dòng)進(jìn)行的，儀 器給出樣品中可能存在的元素的列表?！叭V ”分析考慮譜圖中所有的峰。 與之相反， 選擇性離子檢測(cè) ( selective ion monitoring ， SIM) 僅僅監(jiān)測(cè)于特定物質(zhì)相關(guān)的峰。這種方法是根據(jù)在特定的保留時(shí)間，一組離子是一個(gè) 特定的化合物的特征的假設(shè)。 這是一種快速、 有效的分析方法， 特別是分析者對(duì)樣品

17、有些預(yù) 知的信息或僅僅是尋找?guī)追N特定的物質(zhì)這種優(yōu)點(diǎn)就更為突出。 當(dāng)在一個(gè)獲得的色譜峰中所搜 集到的離子的信息量降低時(shí)， 該分析的敏感度升高。 所以， SIM 分析能滿足檢測(cè)較小量的化 合物，但是關(guān)于該化合物測(cè)定結(jié)果的確定性程度下降。GC 串聯(lián) MS 當(dāng)?shù)诙噘|(zhì)譜片段加入時(shí)，例如，在四極桿儀器中使用第二個(gè)四極桿， 就叫做串聯(lián)的 MS (MS/MS) 。 MS/MS 有時(shí)可用于在高的試樣基質(zhì)背景下為小量的目標(biāo)化合 物定量。第一個(gè)四極桿(Q1)與碰撞室(q2)以及另一個(gè)四極桿(Q3)相連。根據(jù) MS/MS分析操作的 模式， 兩個(gè)四極桿都可被用于掃描或靜態(tài)模式。分析的類型包括產(chǎn)物離子掃描、 前體離子掃

18、描。選擇的反應(yīng)監(jiān)視 (Selected Reaction Monitoring ，SRM)(有時(shí)也叫多反應(yīng)監(jiān)視(MultipleReaction Monitoring ， MRM) 和中性丟失掃描( Neutral Loss Scan )。例如，當(dāng) Q1 以靜態(tài)模 式前，(像在 SIM 中那樣， 僅僅觀察一個(gè)質(zhì)量) ，而 Q3 是以掃描模式，我們?nèi)〉靡环凶霎a(chǎn) 物離子譜的譜圖(也叫 “子”譜)。從這張譜圖上，我們可以選擇一個(gè)突出的產(chǎn)物離子，它可 能是選定的前體離子的產(chǎn)物離子。這種配對(duì)的方法叫 “躍遷( transition ) ”它構(gòu)成了 SRM 的 基礎(chǔ)。 SRM 是高度特異性的并且?guī)缀跬耆?/p>

19、消除了基質(zhì)背景。應(yīng)用 環(huán)境檢測(cè)和清潔在環(huán)境方面， GC-MS 正在成為跟蹤持續(xù)有機(jī)物污染所選定的工 具。 GC-MS 設(shè)備的費(fèi)用已經(jīng)顯著地降低，并且，同時(shí)其可靠性也已經(jīng)提高。這樣就是該儀 器更適合用于環(huán)境監(jiān)測(cè)研究。對(duì)于一些化合物，如某些殺蟲(chóng)劑和除草劑GC-MS 的敏感度不夠，但對(duì)大多數(shù)環(huán)境樣品的有機(jī)物分析， 其中包括許多主要類型的殺蟲(chóng)劑， 它是非常敏感和 有效的。GC-MS 進(jìn)行刑事鑒識(shí) GC-MS 分析人身體上的小顆粒幫助將罪犯與罪行建立聯(lián)系。用 火災(zāi)殘留物的分析的分析方法已經(jīng)很好的確立了起來(lái)。 甚至， 美國(guó)試驗(yàn)材料學(xué)會(huì)確定了火災(zāi) 殘留物的分析標(biāo)準(zhǔn)。在這種分析中， GCMS/MS 特別有用，因?yàn)樵嚇又谐３：蟹浅?fù)雜的 基質(zhì)，并且，法庭上使用的結(jié)果要求要有高的精確度。執(zhí)法方面的應(yīng)用 GC-MS 在麻醉毒品的監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用逐漸增多，甚至，最終會(huì)取代嗅 藥犬。 GC-MS 也普遍地用于刑偵毒理學(xué)在嫌疑人、受害者或死者的生物標(biāo)本中發(fā)現(xiàn)藥物和 毒物。運(yùn)動(dòng)反興奮劑分析 GC-MS 也是用于運(yùn)動(dòng)反興奮劑實(shí)驗(yàn)室，在運(yùn)動(dòng)員的尿樣中測(cè)試是否 存在被禁用的體能促進(jìn)類藥物的主要工具，例如，測(cè)定合成代謝類固醇類藥物。社會(huì)安全 911 后開(kāi)發(fā)的爆炸物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成為全美國(guó)飛機(jī)場(chǎng)設(shè)施的一部分。這些 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的操作依賴大量的技術(shù)，其中，許多是基于 GC-MS 的。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局僅