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气相色谱法-质谱联用

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GC-MS仪器的范例

气相色谱法–质谱法联用（英语：Gas chromatography–mass spectrometry，简称气质联用，英文缩写GC-MS）是一种结合气相色谱法和质谱法的特性，在试样中鉴别不同物质的分析的方法[1]。GC-MS的使用包括药物检测（主要用于监督药物的滥用）、火灾调查、环境分析[2]、爆炸调查和未知样品的测定。GC-MS 也用于为保障机场安全测定行李和人体中的物质。另外，GC-MS还可以用于识别物质中以前认为在未被识别前就已经蜕变了的痕量元素。

GC-MS已经被广泛地誉为司法学物质鉴定的金标方法，因为它被用于进行“专一性测试”。所谓“专一性测试”就是能十分肯定地在一个给定的试样中识别出某个物质的实际存在。而非专一性测试则只能指出试样中有哪类物质存在。尽管非专一性测试能够用统计的方法提示该物质具体是那种物质，但存在识别上的正偏差。

历史

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用质谱仪作为气相色谱的检测器是上个世纪50年代期间由Roland Gohlke和Fred McLafferty首先开发的[3][4]。当时所使用的敏感的质谱仪体积庞大、容易损坏只能作为固定的实验室装置使用。

价格适中且小型化的电脑的开发为这一仪器使用的简单化提供了帮助，并且，大大地改善了分析样品所花的时间。1964年，美国电子联合公司（Electronic Associates, Inc. 简称EAI)-美国模拟计算机供应商的先驱在开始开发电脑控制的四极杆质谱仪Robert E. Finnigan的指导下[5]开始开发电脑控制的四极杆质谱仪[6]。到了1966年，Finnigan和Mike Uthe的EAI分部合作售出500多台四极杆残留气体分析仪[6]。1967年，Finnigan仪器公司the （Finnigan Instrument Corporation，简称FIC）组建就绪，1968年初就给斯坦福大学和普渡大学发送了第一台GC/MS的最早雏型。Finnigan仪器公司在1990年被Thermo Instrument Systems（后来的Thermo Fisher Scientific）收购,并且继续持世界GC/MS系统研发、生产之牛耳[7]。

1996年，当时最尖端的高速GC-MS （the top-of-the-line high-speed GC-MS units）单元在不到90秒的时间里，完成了火灾助燃物的分析，然而，如果使用第一代GC-MS至少需要16分钟。到2000年使用四极杆技术的电脑化的GC/MS仪器已经化学研究和有机物分析的必不可少的仪器。今天电脑化的GC/MS仪器被广泛地用在水、空气、土壤等的环境检测中[2]；同时也用于农业调控、食品安全、以及医药产品的发现和生产中。

仪器设备

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主条目：气相色谱/色谱和质谱
The insides of the GC-MS, with the column of the gas chromatograph in the oven on the right.

气质联用色谱是由两个主要部分组成：即气相色谱部分和质谱部分。气相色谱使用毛细管柱，其关键参数是柱的尺寸（长度、直径、液膜厚度...等,理论板高影响谱带展宽程度）、固定相性质（影响分配比,例如，5％苯基聚硅氧烷）及管柱温度（GC prefer）。当试样流经柱子时，根据各组分分子的化学性质的差异而得到分离。分子被柱子所保留，然后，在不同时间（叫做保留时间,retention time）流出柱子。流出柱子的分子被下游的质谱分析器各自捕获，离子化、加速、偏向、最终分别测定离子化的分子。质谱仪是通过把每个分子断裂成离子化碎片并通过其质荷比来进行测定。

GC-MS schematic

把气相色谱和质谱这两部分放在一起使用要比单独使用那一部分对物质的识别及定量都会精细很多很多倍(mg/L to ng/L)。单用气相色谱或质谱是不可能精确地识别一种特定的分子的。但通常，质谱仪处理需要非常纯的样品，而使用传统的检测器的气相色谱（如，火焰离子化检测器）当有多种分子通过色谱柱的时间一样时（即具有相同的保留时间）不能予以区分，这样会导致两种或多种分子在同一时间流出柱子。在单独使用质谱检测器时，也会出现样式相似的离子化碎片。将这两种方法结合起来则能减少误差的可能性，因为两种分子同时具有相同的色谱行为和质谱行为实属非常罕见。因而，当一张分子识别质谱图出现在某一特定的GC-MS分析的保留时间时，将典型地增高了对样品中感兴趣的被分析物的确定性。

GC-MS吹扫和捕集

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在分析挥发性化合物时，可以用吹扫和捕获（Purge and Trap ，P&T）浓缩器系统导入样品。 提取目标被分析物，并与水混合，然后导入气密性室。用稀有气体，比如氮气(N2)往水中鼓泡；这就叫做吹扫。挥发性化合物运动到水上方的顶空（headspace）。并被压力梯度驱使（由引入吹扫气体所引起）流出气密室。这些挥发性化合物被沿着顶线抽往“阱”。阱是一个装有吸附材料的、处于室温下的柱子。它将通过把这些挥发性化合物转化成液相而保持住。然后，加热给阱样品化合物经过一个挥发性界面被引入GC-MS柱，阱在这里相当一个分流进样系统。P&T GC-MS特别使用于挥发性有机化合物（volatile organic compounds ，VOCs）和BTEX（英文苯benzene、甲苯toluene、乙苯Ethylbenzene和二甲苯xylene的字头缩写） 化合物（与石油有关的芳香化合物）[8]

质谱检测器的类型

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和气相色谱(GC)联合使用的质谱的最常见类型是四极杆质谱仪，有时根据惠普（现在的安捷伦科技）的商品名叫做“质量选择检测器”（MSD）。其他相对普遍的是离子阱质谱仪。另外，扇形磁场质谱仪气质联用中也有使用，然而，这些特别的仪器价格昂贵，体积庞大不适用于高通量服务的实验室。气质联用中还可能遇到的其他的质谱检测器有：飞行时间检测器（time of flight ，TOF）、串联四极杆检测器（tandem quadrupoles ，MS-MS)（请见下面内容。）或在离子阱的情况下MSn这里n指的是质谱级数。

GC-串联MS

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当第二阶段的质谱片段加入时，例如，在四极杆仪器中使用第二个四极杆，就叫做串联的MS (MS/MS)。MS/MS有时可用于在高的试样基质背景下为小量的目标化合物定量。

第一个四极杆(Q1)与碰撞室(q2)以及另一个四极杆(Q3)相连。根据MS/MS分析操作的模式，两个四极杆都可被用于扫描或静态模式。分析的类型包括产物离子扫描、前体离子扫描。选择的反应监视（Selected Reaction Monitoring ，SRM)（有时也叫多反应监视（Multiple Reaction Monitoring ，MRM）和中性丢失扫描（Neutral Loss Scan）。例如，当Q1以静态模式前，（像在SIM中那样，仅仅观察一个质量），而Q3是以扫描模式，我们取得一幅叫做产物离子谱的谱图（也叫“子”谱）。从这张谱图上，我们可以选择一个突出的产物离子，它可能是选定的前体离子的产物离子。这种配对的方法叫“跃迁（transition）”它构成了SRM的基础。SRM是高度特异性的并且几乎完全消除了基质背景。

分析

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典型的质谱检测有两种途径：全程扫描和选择性离子检测（Selective Ion Monitoring ，SIM)。典型的GC-MS能够根据对仪器的设定，分别地或同时地执行这两种功能[2]。

MS全程扫描

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当以全程扫描方式收集数据时，确定一个质量片段目标范围并输入仪器。一个典型的检测质量片段的广度范围可以是质荷比（m/z）50到质荷比400。扫描范围的确定很大程度上决定于分析者预期试样中所含的物质，同时要考虑容易和其他可能的干扰成分。MS不应设定成寻找太低质量的片段，否则，会测到空气（发现如质荷比为28的氮气），二氧化碳（m/z=44）或其他可能的干扰。另外，如果选择一个很大的扫描范围，由于每次扫描必须测定很宽的质量范围，所耗费的时间长，结构每秒钟扫描的次数减少，从而降低仪器的灵敏度。

全程扫描对于测定试样中的未知化合物有用。当需要证实或解析试样中的化合物时，它比SIM能提供更多的信息。在开发仪器方法的时候，通常首先用全程扫描模式分析被测试的溶液确定保留时间和质量碎片指纹图，然后，转向SIM仪器方法。

选择性离子检测

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当在仪器方法中输入选择监测（selected ion monitoring ，SIM）某种离子片段时，仅有那些质量的片段被质谱仪监测。SIM的优点是由于每次扫描时，仪器仅寻找少量片段（比如，三个片段）其监测限较低。每秒钟能进行更多次的扫描。由于仅仅监测所感兴趣的几个质量片段，基质干扰典型的低，为进一步确证潜在的阳性结果的可能性，相对重要的是与已知参比标准进行比较确定各种离子片段的离子比。

离子化类型

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在分子通过柱子后，流经连接管线进入质谱仪，然后，被用各种方法离子化，每一次仅用其中的一种方法。一旦样品被打成碎片后，将被监测。通常用电子倍增二极管检测。电子倍增二极管将离子化的质量片段转化成电信号后进行测定。 离子化技术是不依赖于使用全程扫描还是SIM的。

电子离子化

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到目前为止，最常用的也许是标准形式的离子化过程是电子离子化（electron ionization，EI，也即电子电离）。分子进入MS（其源为四极杆或离子阱MS的离子阱本身），在那里他们被由灯丝射出的电子所轰击。这里的灯丝不很像标准电灯泡里的灯丝。电子以特定的、可以重复的方式将分子击成片段。这一“硬离子化”技术导致产生更多低质荷比(m/z)的碎片，如果，仍存在的话，也非常少接近分子质量单位的物种。质谱专家所说的“硬离子化”是使用分子电子轰击，而所谓“软质子化”是由导入的气体和分子碰撞使分子带电荷。分子片段的模式依赖于应用于系统的电子的能量，典型的是70 eV（电子伏特）。使用70 eV能方便所产生的谱图和制造商提供的图库软件或美国国家标准研究所（the National Institute of Standards NIST-USA）开发的图库软件里的标准质谱进行比较。图库的搜索使用匹配算法，比如基于几率的匹配[9] 和基于点积的匹配[10]。 许多标准化方法机构和仪器制造商s:写过用于分析方法中使用的匹配方法NIST （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Wiley （页面存档备份，存于互联网档案馆）、AAFS （页面存档备份，存于互联网档案馆）, 谱库包括的范围可以在这里检索 Compound Search （页面存档备份，存于互联网档案馆）。

化学离子化

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主条目：chemical ionization

在化学质谱法中，是将一种气体，典型地是甲烷或氨气引入质谱仪中。根据所选择的技术（正CI（chemical ionization化学离子化）或负CI）该试剂气体将与电子和被分析物发生作用引起感兴趣的分子的‘软’离子化。较软的化学离子化与硬的化学离子化相比将较低程度的造成分子碎片化。使用化学离子化的主要益处之一是产生紧密对应于感兴趣的被分析物的分子量的质量碎片。

正的化学离子化
在正的化学离子化（Positive Chemical Ionization ，PCI）中试剂气体与目标分子相互作用，最经常是进行质子交换。这将产生相对大量的该物种。
负的化学离子化
在负化学离子化中（Negative Chemical Ionization ，NCI）试剂气体降低自由电子对目标被分析物的碰撞。该降低了的能量典型地使大的碎片不再继续断裂，保持其大的含量。

仪器分析的最初目的是为一种物质定量。这要通过在产生的谱图中比较各原子质量间的相对浓度来实现。有可能通过两种方法实现定量分析。比较法和从头分析法。比较分析的关键是将所获得的被分析物的谱图与谱库里的谱图进行比较，在谱库中是否存在具有和该物质特征一致的样品的谱图。这种比较最好靠电脑来执行，因为由于标度的变化，会产生很多视觉上的扭曲。电脑同时还能关联更多的数据，（比如，由气相色谱测定的保留时间），以至获得更精确的结果。

另一种方法是测量各质谱峰的相对峰高。在该方法中，将最高的质谱峰指定为100%，其他的峰根据对最高峰的相对比例标出其百分相对高度。将所有的大于3%相对高度的峰都进行标注。通常通过母体峰来确定未知化合物的总质量。用母体峰的总质量值与所推测的该化合物中所含元素的化学式相适配。对于具有许多同位素的元素，可以用谱图中的同位素模式确定存在的元素。一旦化学式与谱图相匹配，就能确定分子结构和成键方式,而且，必需和GC-MS记录的特点相一致。典型地，这种测定是通过和仪器配备的程序自动进行的，仪器给出样品中可能存在的元素的列表。

“全谱”分析考虑谱图中所有的峰。与之相反，选择性离子检测（selective ion monitoring ，SIM)仅仅监测于特定物质相关的峰。这种方法是根据在特定的保留时间，一组离子是一个特定的化合物的特征的假设。这是一种快速、有效的分析方法，特别是分析者对样品有些预知的信息或仅仅是寻找几种特定的物质这种优点就更为突出。当在一个获得的色谱峰中所搜集到的离子的信息量降低时，该分析的敏感度升高。所以，SIM分析能满足检测较小量的化合物，但是关于该化合物测定结果的确定性程度下降。

应用

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环境检测和清洁

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在环境方面，GC-MS正在成为跟踪持续有机物污染所选定的工具[2]。GC-MS设备的费用已经显著地降低，并且，同时其可靠性也已经提高。这样就是该仪器更适合用于环境监测研究。对于一些化合物，如某些杀虫剂和除草剂GC-MS的敏感度不够，但对大多数环境样品的有机物分析，其中包括许多主要类型的杀虫剂，它是非常敏感和有效的。

刑事鉴识

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GC-MS分析人身体上的小颗粒帮助将罪犯与罪行建立联系。用GC-MS进行火灾残留物的分析的分析方法已经很好的确立了起来。甚至，美国试验材料学会确定了火灾残留物的分析标准。在这种分析中，GCMS/MS特别有用，因为试样中常常含有非常复杂的基质，并且，法庭上使用的结果要求要有高的精确度。

执法方面的应用

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GC-MS在麻醉毒品的监测方面的应用逐渐增多，甚至，最终会取代嗅药犬。[1]GC-MS 也普遍地用于刑侦毒理学在嫌疑人、受害者或死者的生物标本中发现药物和毒物。

运动反兴奋剂分析

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GC-MS也是用于运动反兴奋剂实验室，在运动员的尿样中测试是否存在被禁用的体能促进类药物的主要工具，例如，测定合成代谢类固醇类药物。[11]

社会安全

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9·11后开发的爆炸物监测系统已经成为全美国飞机场设施的一部分。这些监测系统的操作依赖大量的技术，其中，许多是基于GC-MS的。美国联邦航空管理局仅授权三家制造商提供这些系统，其中之一是Thermo Detection公司，以前叫Thermedics，它生产Egis爆炸物检测器（EGIS是一个基于GC-MS爆炸物检测线。另外两家制造商是Barringer Technologies，现在被Smith's Detection Systems收买，和Ion Track Instruments，它是General Electric Infrastructure Security Systems的一部分。

食品、饮料和香水分析

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食品和饮料中包含大量芳香化合物。一些是天然就存在于原材料中另外一些是在加工时形成的。GC-MS广泛地用于分析这些化合物，它们包括：酯、脂肪酸、醇、醛、萜类等。GC-MS也用于测定由于腐坏和掺假所造成的污染物，这些污染物可能是有害的，而且，常常由政府有关部门对其实行控制。例如，杀虫剂。

天体化学

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几台GC-MS已经离开了地球。两台由海盗号（Viking ）项目带上了火星。[12] 金星计划探测器（Venera） 11号和12号和先驱者金星计划探测器（Pioneer Venus）用GC-MS分析金星周围的大气。[13] 卡西尼-惠更斯号探测任务(Cassini-Huygens mission)的惠更斯号探测器（Huygens probe）将GC-MS置放到土卫六（Titan）土星最大的卫星上。[14] 2014年“罗塞塔号”探测器计划（the Rosetta mission）将使用手性GC-MS分析丘留莫夫－格拉西缅科彗星(67P／Churyumov-Gerasimenko)中的物质[15]。

医药

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十几种先天性代谢疾病，也叫遗传性代谢缺陷（Inborn error of metabolism ，缩写"IEM"）现在都可以通过新生儿筛检试验测到，特别是使用气相色谱－质谱法进行监测。GC-MS可以测定尿中的化合物，甚至该化合物在非常小的浓度下都可被测出。这些化合物在正常人体内不存在，但出现在患代谢疾病的人群中。因而，该方法日益成为早期诊断IEM的常用方法，这样及早指定治疗方案最终导致更好的预后。目前能用GC-MS在出生时，通过尿液监测测出100种以上遗传性代谢异常。

结合代谢物的同位素标记GC-MS用于测定代谢活性（metabolic activity）。大多数应用是基于使用13C作为标记，并且，用同位素比率质谱法（英语：Isotope-ratio mass spectrometry）（isotope-ratio mass spectrometer ，缩写"IRMS"）测定13C-12C的比例；一台MS装有一个特别设计的检测器，它测定几种选择的离子，并以比例的形式返回检测值。

参阅

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参考文献

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  1. ^ O. David Sparkman; Zelda Penton; Fulton G. Kitson. Gas Chromatography and Mass Spectrometry: A Practical Guide. Academic Press. 17 May 2011 [2018-03-13]. ISBN 978-0-08-092015-3. （原始内容存档于2017-04-24）. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 Dang, Audrey J.; Kreisberg, Nathan M.; Cargill, Tyler L.; Chen, Jhao-Hong; Hornitschek, Sydney; Hutheesing, Remy; Turner, Jay R.; Williams, Brent J. Development of a Multichannel Organics In situ enviRonmental Analyzer (MOIRA) for mobile measurements of volatile organic compounds. Atmospheric Measurement Techniques. 2024-04-15, 17 (7) [2024-04-16]. ISSN 1867-1381. doi:10.5194/amt-17-2067-2024. （原始内容存档于2024-09-14） （English）. 
  3. ^ Gohlke, R. S. Time-of-Flight Mass Spectrometry and Gas-Liquid Partition Chromatography. Analytical Chemistry. 1959, 31 (4): 535. doi:10.1021/ac50164a024. 
  4. ^ Gohlke, R; McLafferty, Fred W. Early gas chromatography/mass spectrometry. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 1993, 4 (5): 367. doi:10.1016/1044-0305(93)85001-E. 
  5. ^ 存档副本. [2011-11-27]. （原始内容存档于2016-07-12）. 
  6. ^ 6.0 6.1 Brock, David C. A Measure of Success. Chemical Heritage Magazine. 2011, 29 (1) [22 April 2014]. （原始内容存档于2016-12-02）. 
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  14. ^ H. B. Niemann, S. K. Atreya, S. J. Bauer, G. R. Carignan, J. E. Demick, R. L. Frost, D. Gautier, J. A. Haberman, D. N. Harpold, D. M. Hunten, G. Israel, J. I. Lunine, W. T. Kasprzak, T. C. Owen, M. Paulkovich, F. Raulin, E. Raaen, S. H. Way. The abundances of constituents of Titan’s atmosphere from the GCMS instrument on the Huygens probe. Nature. 2005, 438 (7069): 77–9–784. Bibcode:2005Natur.438..779N. PMID 16319830. doi:10.1038/nature04122. 
  15. ^ Goesmann F, Rosenbauer H, Roll R, Bohnhardt H. COSAC onboard Rosetta: A bioastronomy experiment for the short-period comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Astrobiology. 2005, 5 (5): 622–631. Bibcode:2005AsBio...5..622G. PMID 16225435. doi:10.1089/ast.2005.5.622. 

参考书目

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外部链接

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