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(yǔ)：Gas chromatographymass spectrometry，簡(jiǎn)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(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”就是能十分肯定地在一個(gè)給定的試樣中識(shí)別出某個(gè)物質(zhì)

2、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 參考書目7 外部鏈接 歷史用質(zhì)譜儀作為氣相色譜的檢測(cè)器是上個(gè)世

3、紀(jì)50年代期間由Roland Gohlke和Fred 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(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(tái)四極桿殘留氣體分析儀。1

4、967年，F(xiàn)innigan儀器公司the （Finnigan Instrument 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)

5、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)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，5苯基聚硅氧烷）。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)譜儀是通過把每個(gè)分子斷裂成離子化碎片并通過其質(zhì)荷比來進(jìn)行測(cè)定的

6、。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。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(shí)別質(zhì)譜圖出現(xiàn)在某一特定的GC-MS分析的保留時(shí)

7、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。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(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)

8、。 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（time of flight ，TOF）、串聯(lián)四極桿檢測(cè)器（tandem quadrupoles ，MS-MS)（請(qǐng)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(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 I

9、on 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

10、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)

11、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(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)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。電子以特定的、可以重復(fù)的方式將分子擊成片段。這一“硬

12、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(kù)軟件或美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究所（the National Institute of Standards NIST-USA）開發(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。 化學(xué)離子化：Chemical ionization在化學(xué)質(zhì)

13、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(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

14、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。這要通過在產(chǎn)生的譜圖中比較各原子質(zhì)量間的相對(duì)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(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執(zhí)行，因?yàn)橛捎跇?biāo)度的變化，會(huì)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(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)

15、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(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

16、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

17、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(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嘶|(zhì)背景

18、。 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劑，它是非常敏感和有效的。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(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)邦航空管理局僅授權(quán)三家制造