氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用原理及應(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：Gas chromatography-mass spectrometry,簡稱氣質(zhì)聯(lián)用， 英文縮寫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（主要用于監(jiān)督藥物的濫用X火災(zāi)調(diào)查、環(huán)境分析、爆炸調(diào)查 和未知樣品的測定GC-MS也用于為保障機(jī)場安全測定行李和人體中的物質(zhì)。另外，GC-MS 還可以用于識別物質(zhì)中以前認(rèn)為在未被識別前就已經(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 試”。所謂“專一性測試”就是能十分肯定地在一個給定的試樣中識別出

2、某個物質(zhì)的實(shí)際存在。 而非專一性測試則只能指出試樣中有哪類物質(zhì)存在。盡管非專一性測試能夠用統(tǒng)計(jì)的方法提 示該物質(zhì)具體是那種物質(zhì)，但存在識別上的正偏差。目錄1歷史2儀器設(shè)備GC-MS吹掃和捕集2.2質(zhì)譜檢測器的類型3分析MS全程掃描3.2選擇的離子檢測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)境檢測和清潔4.2刑事鑒識4.3執(zhí)法方面的應(yīng)用4.4運(yùn)動反興奮劑分析4.5社會安全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)6參考書目7外部鏈接歷史用質(zhì)譜儀作為氣相色譜的檢測器是上個世紀(jì)50年代期間由Roland Gohlke和Fred

3、McLafferty首先開發(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發(fā)為這一儀器使用的簡單化提供了幫助，并且，大大地改 善了分析樣品所花的時(shí)間。1964年，美國電子聯(lián)合公司(Electronic Associates, Inc.簡稱EAI)- 美國模擬計(jì)算機(jī)供應(yīng)商的先驅(qū)在開始開發(fā)電腦控制的四極桿質(zhì)譜儀Robert E. Finnigan的指 導(dǎo)下3開始開發(fā)電腦控制的四極桿質(zhì)譜儀。到了 1966年，F(xiàn)innigan和Mike Uthe的EAI分 部合作售出500多臺四極桿殘留氣體分析儀。1967年，F(xiàn)innigan儀器公司the (

4、Finnigan Instrument Corporation，簡稱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

5、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 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) 管柱，其關(guān)鍵參數(shù)是柱的尺寸(長度、直徑、液膜厚度)以及固定相性質(zhì)(例如，5%苯基 專業(yè)資料整理聚硅氧烷）。當(dāng)試樣流經(jīng)柱子時(shí)，根據(jù)個組分分子的化學(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、最終分別測定離子化的分子。質(zhì)譜儀是通過把每個分子 斷裂成離子化碎片并通過其質(zhì)荷比來進(jìn)行測定的。G

6、C-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)使用那一部分對物 質(zhì)的識別都會精細(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)的檢測器的氣相色譜（如，火 焰離子化檢測器）當(dāng)有多種分子通過色譜柱的時(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)譜檢測器時(shí)，也會 出現(xiàn)樣式相似的離子化碎片。將這兩種方法結(jié)合起來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。因而，當(dāng)一張分子識別質(zhì)譜圖出現(xiàn)在某 一特定的GC-MS分

7、析的保留時(shí)間時(shí)，將典型地增高了對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)猓∟2）往水中鼓泡；這就叫做吹掃。揮發(fā)性化合物運(yùn)動到水上方的頂空（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。這些揮發(fā)性化合物被沿著頂線抽 往“阱”。阱是一個裝有吸附材料的、處于室溫下的柱子。它將通過把這些揮發(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)過一個揮發(fā)性界面被引入GC-MS柱，阱在 這里相

8、當(dāng)一個分流進(jìn)樣系統(tǒng)。質(zhì)譜檢測器的類型和氣相色譜（GC ）聯(lián)合使用的的質(zhì)譜的最常見類型是四極桿質(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)量選擇檢測器”（MSD）。其他相對普遍的 是離子阱質(zhì)譜儀。另外，扇形磁場質(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)譜檢測器 有：飛行時(shí)間檢測器（time of flight ， TOF）、串聯(lián)四極桿檢測器（tandem quadrupoles， MS-MS）（請見下面內(nèi)容。）或在離子阱的情況下MSn這里n指的是質(zhì)譜級數(shù)。分析典型的質(zhì)譜檢測有兩種途徑：全程掃描和選擇性離子檢

9、測(Selective Ion Monitoring，SIM)。典型的GC-MS能夠根據(jù)對儀器的設(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)，確定一個質(zhì)量片段目標(biāo)范圍并輸入儀器。 一個典型的檢測質(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，會測到空氣(發(fā)現(xiàn)如質(zhì)荷比為28的氮?dú)?， 二氧化碳(m/z 44)或其他可能的干擾。另外，如果選擇一個很大的掃描范圍，由于每次掃描 必需測定很寬的質(zhì)量范圍，所耗費(fèi)的時(shí)間長，結(jié)構(gòu)

10、每秒鐘掃描的次數(shù)減少，從而降低儀器的 靈敏度。全程掃描對于測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。選擇的離子檢測當(dāng)在儀器方法中輸入選擇監(jiān)測(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，三個片段)其監(jiān)測限較低。每秒鐘能進(jìn)行更多次的掃描。由于僅僅監(jiān)測所 感興趣的幾個質(zhì)量片段，基質(zhì)干擾典型的低，為進(jìn)一步確證潛在的陽性

11、結(jié)果的可能性，相對 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。通常用電子倍增二極 管檢測。電子倍增二極管將離子化的質(zhì)量片段轉(zhuǎn)化成電信號后進(jìn)行測定。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)形式的離子化過程是電子離子化(electron ionization，EI)。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

12、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軟件或美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究所(the National Institute of Standards NIST-USA)開發(fā)的圖庫軟件里的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜進(jìn)行比較。圖庫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。

13、化學(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 Che

14、mical Ionization，NCI)試劑氣體降低 自由電子對目標(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。這要通過在產(chǎn)生的譜圖中比較各原子質(zhì)量間的 相對濃度來實(shí)現(xiàn)。有可能通過兩種方法實(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里的譜圖進(jìn)行比較，在譜庫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執(zhí)行，因?yàn)橛捎跇?biāo)度的變化，會產(chǎn)生很多視 覺上的扭曲。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。另一種方法是測量各質(zhì)譜峰的相

15、對峰高。在該方法中，將最高的質(zhì)譜峰指定為100%， 其他的峰根據(jù)對最高峰的相對比例標(biāo)出其百分相對高度。將所有的大于3%相對高度的峰都 進(jìn)行標(biāo)注。通常通過母體峰來確定未知化合物的總質(zhì)量。用母體峰的總質(zhì)量值與所推測的該 化合物中所含元素的化學(xué)式相適配。對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，這種測定是通過和儀器配備的程序自動進(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(selective ion monitorin

16、g， SIM)僅僅監(jiān)測于特定物質(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 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，特別是分析者對樣品有些預(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分析能滿足檢測較小量的化 合物，但是關(guān)于該化合物測定結(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。第一個四極桿(Q1)與碰撞室(q2)以

17、及另一個四極桿(Q3)相連。根據(jù)MS/MS分析操作的 模式，兩個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 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(Multiple Reaction 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。這種配對的

18、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嘶|(zhì)背景。應(yīng)用環(huán)境檢測和清潔在環(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)測研究。對于一些化合物，如某些殺蟲劑和除草劑GC-MS的敏感度不 夠，但對大多數(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劑，它是非常敏感和 有效的。刑事鑒識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GC-MS進(jìn)行 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。甚至，美國試驗(yàn)材料學(xué)會

19、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)測方面的應(yīng)用逐漸增多，甚至，最終會取代嗅 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)動反興奮劑分析GC-MS也是用于運(yùn)動反興奮劑實(shí)驗(yàn)室，在運(yùn)動員的尿樣中測試是否 存在被禁用的體能促進(jìn)類藥物的主要工具，例如，測定合成代謝類固醇類藥物。社會安全9. 11后開發(fā)的爆炸物監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為全美國飛機(jī)場設(shè)施的一部分。這些 監(jiān)測系統(tǒng)的操作依賴大量的技術(shù)，其中，許多是基于GC-MS的。美國聯(lián)