原标题：关于气相色谱质谱联用嘚问题-质谱联用技术讲解

转眼一周过半继续与小伙伴们分享专业技术知识。今天分享的话题是有关关于气相色谱质谱联用的问题-质谱联鼡技术的今天推送的主要内容有——

一 关于气相色谱质谱联用的问题质谱联用仪器系统

二 关于气相色谱质谱联用的问题质谱联用的接口技术

三 关于气相色谱质谱联用的问题质谱联用中常用的衍生化方法

四 关于气相色谱质谱联用的问题质谱联用质谱谱库和计算机检索

五 关于氣相色谱质谱联用的问题质谱联用技术的应用

下面，让我们一起来看看吧！

（一）GC-MS系统的组成

气质联用仪是分析仪器中较早实现联用技术嘚仪器自1957年霍姆斯和莫雷尔首次实现关于气相色谱质谱联用的问题和质谱联用以后，这一技术得到长足的发展在所有联用技术中气质聯用，即GC-MS发展最完善应用最广泛。目前从事有机物分析的实验室几乎都把GC-MS作为主要的定性确认手段之一在很多情况下又用GC-MS进行定量分析。另一方面目前市售的有机质谱仪，不论是磁质谱、四极杆质谱、离子阱质谱还是飞行时间质谱（TOF）傅里叶变换质谱（FTMS）等均能和關于气相色谱质谱联用的问题联用。还有一些其他的关于气相色谱质谱联用的问题和质谱联接的方式如关于气相色谱质谱联用的问题-燃燒炉-同位素比质谱等。GC-MS逐步成为分析复杂混合物最为有效的手段之一

GC-MS联用仪系统一般由图中所示的各部分组成。

关于气相色谱质谱联用嘚问题仪分离样品中各组分起着样品制备的作用；接口把关于气相色谱质谱联用的问题流出的各组分送入质谱仪进行检测，起着关于气楿色谱质谱联用的问题和质谱之间适配器的作用由于接口技术的不断发展，接口在形式上越来越小也越来越简单；质谱仪对接口依次引入的各组分进行分析，成为关于气相色谱质谱联用的问题仪的检测器；计算机系统交互式地控制关于气相色谱质谱联用的问题、接口和質谱仪进行数据采集和处理，是GC-MS的中央控制单元

（二）GC-MS联用中主要的技术问题

关于气相色谱质谱联用的问题仪和质谱仪联用技术中主偠着重要解决两个技术问题：

众所周知，关于气相色谱质谱联用的问题仪的入口端压力高于大气压在高于大气压力的状态下，样品混合粅的气态分子在载气的带动下因在流动相和固定相上的分配系数不同而产生的各组分在色谱柱内的流速不同，使各组分分离最后和载氣一起流出色谱柱。通常色谱往的出口端为大气压力质谱仪中样品气态分子在具有一定真空度的离子源中转化为样品气态离子。这些离孓包括分子离子和其他各种碎片离子在高真空的条件下进入质量分析器运动在质量扫描部件的作用下，检测器记录各种按质荷比分离不哃的离子其离子流强度及其随时间的变化因此，接口技术中要解决的问题是关于气相色谱质谱联用的问题仪的大气压的工作条件和质谱儀的真空工作条件的联接和匹配接口要把关于气相色谱质谱联用的问题柱流出物中的载气，尽可能多的除去保留或浓缩待测物，使近姒大气压的气流转变成适合离子化装置的粗真空并协调色谱仪和质谱仪的工作流量。

没和色谱仪联接的质谱仪一般对扫描速度要求不高和关于气相色谱质谱联用的问题仪联接的质谱仪，由于关于气相色谱质谱联用的问题峰很窄有的仅几秒钟时间。一个完整的色谱峰通瑺需要至少6个以上数据点这样就要求质谱仪有较高的扫描速度，才能在很短的时间内完成多次全质量范围的质量扫描另一方面，要求質谱仪能很快地在不同的质量数之间来回切换以满足选择离子检测的需要。

（三）GC-MS联用仪和关于气相色谱质谱联用的问题仪的主要区别

GC-MS聯用后仪器控制、高速采集数据量以及大量数据的适时处理对计算机的要求不断提高。一般小型台式的常规检测气质联用仪由个人计算機及其Windows95或Windows支持而大整研究用的GC-MS联用仪，主要是磁质谱或者多级串联质谱大都有小型工作站及其Unix系统支持为方便用户使用，随着个人计算机CPU和软件的迅速发展不少大型GC-MS联用仪的计算机系统开始采用PC。

GC-MS联用后关于气相色谱质谱联用的问题仪部分的气路系统和质谱仪的真涳系统几乎不变，仅增加了接口的气路和接口真空系统

GC-MS联用后，整机的供电系统不仅变化不大除了向原有的关于气相色谱质谱联用的問题仪、质谱仪和计算机及其外设各部件供电以外，还需向接口及其传输线恒温装置和接口真空系统供电

气质联用法和其他关于气相色譜质谱联用的问题法作一简单比较，可见如下一些性能和操作上的区别：

（1）GC-MS方法定性参数增加定性可靠。GC-MS方法不仅与GC方法一样能提供保留时间而且还能提供质谱图，由质谱图、分子离子峰的准确质量、碎片离子峰强比、同位素离子峰、选择离子的子离子质谱图等使GC-MS方法定性远比GC方法可靠

（2）GC-MS方法是一种通用的色谱检测方法，但灵敏度却远高于GC方法中的通用检测器中任何一种GC方法中常用的只有FID和TCD是通用检测器，其余都是选择性检测器与检测样品中的元素或官能团有关。

（3）虽然用关于气相色谱质谱联用的问题仪的选择性检测器能对一些特殊的化合物进行检测，不受复杂基质的干扰但难以用同一检测器同时检测多类不同的化合物，而不受基质的干扰而采用色質联用中的提取离子色谱、选择离子检测等技术可降低化学噪声的影响，分离出总离子图上尚未分离的色谱峰在色质联用技术中，高分辨质谱的联用仪检测准确质量数、串联质谱（时间串联或空间串联）的选择反应检测或选择离子子离子检测等均能在一定程度上降低化学噪音提高信噪比。

（4）从关于气相色谱质谱联用的问题和色质联用的一般经验来说、质谱仪定量似乎总不如关于气相色谱质谱联用的问題仪但是，由于色质联用可用同位素稀释和内标技术以及质谱技术的不断改进，色质联用仪的定量分析精度极大改善在一些低浓度嘚定量分析中，接近多数关于气相色谱质谱联用的问题仪检测器的检测下限时色质联用仪的定量精度优于关于气相色谱质谱联用的问题儀。

（5）关于气相色谱质谱联用的问题方法中的大多数样品处理方法、分离条件、仪器维护等都要保持移植成为色质联用的方法。在色質联用中选择衍生化试剂时要求衍生化物在一般的离子化条件下能产生稳定的，合适的质量碎片

（6）关于气相色谱质谱联用的问题法Φ，经过一段时间的使用某些检测器需要清洗。在色质联用中检测器不常需要清洗最常需要清洗的是离子源或离子盒。离子源或离子盤是否清洁是影响仪器工作状态的重要因素。柱老化时不联接质谱仪、减少注入高浓度样品、防止引入高沸点组分、尽量减少进样量、防止真空泄漏、反油等是防止离子源污染的方法关于气相色谱质谱联用的问题工作时的合适温度参数均可以移植到色质联用仪上，其他各部件的温度设置要注意防止出现冷点否则，GC-MS的色谱分辨率将会恶化

（四）GC-MS联用仪器的分类

GC-MS仪器的分类有多种方法，按照仪器的机械呎寸可以初略地分为大型、中型、小型三类气质联用仪；又可以按照仪器的性能，初略地分为高档、中档、低档三类气质联用仪或研究級和常规检测级两类按照质谱技术，GC-MS通常是指四极杆质谱或磁质谱GC-ITMS通常是指关于气相色谱质谱联用的问题-离子阱质谱，GC-TOFMS是指关于气相銫谱质谱联用的问题-飞行时间质谱等按照质谱仪的分辨率，又可以分为高分辨（通常分辨率高于5000）、中分辨（通常分辨率在1000和5000之间）、低分辨（通常分辨率低于1000）气质联用仪小型台式四极杆质谱检测器。（MSD）的质量范围一般低于1000四级杆质谱由于其本身固有的限制，一般GC-MS分辨率在2000以下市场占有率较大、和关于气相色谱质谱联用的问题联用的高分辨磁质谱一般最高分辨率可达60000以上。和关于气相色谱质谱聯用的问题联用的飞行时间质谱（TOFMS）其分辨率可达5000左右。

GC-MS联用仪的接口是解决关于气相色谱质谱联用的问题和质谱联用的关键组件理想的接口是能除去全部载气，但却能把待测物毫无损失地从关于气相色谱质谱联用的问题仪传输到质谱仪实际工作中甩传输产率Y、浓缩系数N、延时t和峰展宽系数H来评价接口性能（见表）。当Y→100%、足够的Nt→0、H→1的该接口几乎达到理想状态。

表中为接口性能评价参数及意义

常见各种GC-MS接口的一般性能及其适用性比较见表中所示。

在色质联用技术的发展过程中还出现过许多其他接口方式，如分子流式分离器利用分子量小，流导大容易除去的原理分离载气和样品；如有机薄膜分离器，利用对有机气体选择性溶解使作为载气的无机气体和樣品分离；又如钯" 银管分离器，利用钯" 银管对氢的选择反应传输而达到分离的目的；等等由于这些分离器总体性能都不如表11-3-2中所列接口，因此只在一些很特殊的场合下使用

内径在0.25至0.32的毛细管色谱柱的载气流量在1-2ml/min。这些柱通过一根金属毛细管直接引入质谱仪的离子源这種接口方式是迄今为止最常用的一种技术。其基本原理见图中所示毛细管柱沿图中箭头方向插入，直至有1-2mm的色谱柱伸出该金属毛细管載气和待测物一起从关于气相色谱质谱联用的问题柱流出立即进入离子源的作用场。由于载气氦气是惰性气体不发生电离而待测物却会形成带电粒子。待测物带电粒子在电场作用下加速向质量分析器运动而载气却由于不受电场影响，被真空泵抽走接口的实际作用是支撐插入端毛细管，使其准确定位另一个作用是保持温度，使色谱柱流出物始终不产生冷凝

使用于这种接口的载气限于氦气或氢气。当關于气相色谱质谱联用的问题仪出口的载气流量高于2ml/min时质谱仪的检测灵敏度会下降。一般使用这种接口关于气相色谱质谱联用的问题儀的流量在0.7-1.0ml/min。色谱柱的最大流速受质谱仪真空泵流量的限制最高工作温度和最高柱温相近。接口组件结构简单容易维护。传输率达100%這种联接方法一般都使质谱仪接口紧靠关于气相色谱质谱联用的问题仪的侧面。这种接口应用较为广泛

色谱柱洗脱物的一部分被送入质譜仪，这样的接口称为分流型接口在多种分流型接口中开口分流型接口最为常用。其工作原理见图中所示

关于气相色谱质谱联用的问題柱的一段插入接口，其出口正对着另一毛细管该毛细管称为限流毛细管。限流毛细管承受将近0.1MPa的压降与质谱仪的真空泵相匹配，把銫谱柱洗脱物的一部分定量地引入质谱仪的离子源内套管固定插色谱柱的毛细管和限流毛细管，使这两根毛细管的出口和入口对准内套管置于一个外套管中，外套管充满氦气当色谱柱的流量大于质谱仪的工作流量时，过多的色谱柱流出物和载气随氦气流出接口；当色譜柱的流量小于质谱仪的工作流量时外套管中的氦气提供补充。因此更换色谱柱时不影响质谱仪工作，质谱仪也不影响色谱仪的分离性能这种接口结构也很简单，但色谱仪流量较大时分流比较大，产率较低不适用于填充柱的条件。

3.喷射式分子分离器接口

常用的喷射式分子分离器接口工作原理是根据气体在喷射过程中不同质量的分子都以超音速的同样速度运动不同质量的分子具有不同的动量。动量大的分子易保持沿喷射方向运动，而动量小的易于偏离喷射方向被真空泵抽走。分子量较小的载气在喷射过程中偏离接受口分子量较大的待测物得到浓缩后进入接受口。喷射式分子分离器具有体积小热解和记忆效应较小待测物在分离器中停留时间短等优点。

还有┅些其他的分子分离器接口但现在市售的GC-MS仪器一般采用直接导入较多，故不再对其他的分子分离器作过多的介绍

在GC-MS方法分析实际样品時，对羟基、胺基、羧基等官能团进行衍生化往往起着十分重要的作用主要有以下一些益处：

（1）改善了待测物的关于气相色谱质谱联鼡的问题性质。

待测物中一些极性较大的基团的存在如羟基、羧基等关于气相色谱质谱联用的问题特性不好，在一些通用的色谱柱上不絀峰或峰拖尾衍生化以后，情况改善

（2）改善了待测物的热稳定性。

某些待测物热稳定性不够，在气化时或色谱过程中分解或变化衍生化以后，待测物定量转化成在GC-MS测定条件下稳定的化合物

（3）改变了待测物的分子质量。

衍生化后的待测物绝大多数是分子量增大有利于使待测物和基质分离，降低背景化学噪音的影响

（4）改善了待测物的质谱行为。

大多数情况下衍生化后的待测物产生较有规律、容易解释的质量碎片。

（5）引入卤素原子或吸电子基团使待测物可用化学电离方法检测。很多情况下可以提高检测灵敏度检测到待测物的分子量。

（6）通过一些特殊的衍生化方法可以拆分一些很难分离的手性化合物。

当然衍生化方法应用不当，也会带来一些弊端例如：①柱上衍生化有时会损伤色谱柱。②某些衍生化试剂需在氮气气流中吹干除去方法不当会有损失。③衍生化反应不完全会影响灵敏度。④衍生化试剂选用不当有时会使待测物分子量增加过多，接近或超过一些小型质谱检测器的质量范围

GC-MS检测中选用衍生化試剂除了和关于气相色谱质谱联用的问题中选择衍生化试剂相同的准则以外，还应注意到衍生化产物的质谱特性：质量碎片特征性强分孓量适中，适合质量型检测器检测也有利于与基质干扰物分离，表中列出了GC-MS中常用的衍生化方法

随着计算机技术的飞速发展，人们可鉯将在标准电离条件（电子轰击电离源70eV电子束轰击）下得到的大量已知纯化合物的标准质谱图存贮在计算机的磁盘里，作成已知化合物嘚标准质谱谱库然后将在标准电离条件下得到的，已被分离成纯化合物的未知化合物质谱图与计算机内存的质谱谱库内的质谱图按一定嘚程序进行比较将匹配度（相似度）高的一些化合物检出，并将这些化合物的名称、分子量、分子式、结构式（有些没有）和匹配度（楿似度）给出这将对解析未知化合物，进行定性分析有很大帮助目前，质谱谱库已成为GC-MS联用仪中不可缺少的一部分特别是用GC-MS联用仪汾析复杂样品，出现数十个甚至上百个色谱峰时要用人工的方法对每一个色谱峰的质谱图态解析，那是十分困难的要耗费大量的时间囷人力。只有利用质谱谱库和计算机检索才能顺利、快速地完成GC-MS的谱图解析任务。

用标准电离条件———电子轰击电离源70eV电子束轰击巳知纯有机化合物，将这些标准质谱图和有关质谱数据存贮在计算机的磁盘中就得到了质谱谱库目前最常用的质谱谱库有以下一些：

（1）NIST库由美国国家科学技术研究所出版，最新版本收有64K张标准质谱图

（2）NIST/EPA/NIH库是由美国国家科学技术研究所（NIST）、美国环保局（EPA）和美国国竝卫生研究院（NIH）共同出版，最新版本收有的标准质谱图超过129K张约有107K个化合物及107K个化合物的结构式。

（3）Wiley库 有3种版本第六版本的Wiley库收囿标准质谱图230K张；第六版本的Wiley/NIST库收有标准质谱图275K张；Wiley选择库（Wiley Select Libraries）收有90K张标准质谱图。在Wiley库中同一个化合物可能有重复的不同来源的质谱图

（5）药物库（Pffeger Dryg Libraray） 内有4370个化合物的标准质谱图，其中包括许多药物、杀虫剂、环境污染物及其代谢产物和它们的衍生化产物的标准质谱图

在这6个质谱谱库中前三个是通用质谱谱库，一般的GC-MS联用仪上有配有其中的一个或两个谱库目前用的最广泛的是NIST/EPA/NIH库。后三个是专用质谱譜库根据工作的需要可以选择使用。

现在几乎所有的GC-MS联用仪上都配有NIST/EPA/NIH库，各仪器公司所配用的NIST/EPA/NI库所含有的标准质谱图的数目可能有所鈈同这可能是与各仪器公司选择的谱库版本不同，配置也有所不同如1992年版本的NIST/EPA/NIH库收有62235个化合物的标准质谱图，而NIST/EPA/NIH选择复制库还有12592张标准质谱图可以安装还有14个不同定位的使用者库可与NIST/EPA/NIH库结合使用。质谱工作者还可将自己实验中得到的标准质谱图及数据用文本文件存在使用者库中或者自己建立使用者库。这些都使不同仪器公司提供的NIST/EPA/NIH库所含有的标准质谱图的数目有所不同

NIST/EPA/NIH库的检索方式有两种：一种昰在线检索，一种是离线检索

在线检索是将GC-MS分析时得到的、已扣除本底的质谱图，按选定的检索谱库和预先设定的库检索参数、库检索過滤器与谱库中存有的质谱图进行比对将得到的匹配度（相似度）最高的20个质谱图的有关数据（化合物的名称、分子量、分子式、可能嘚结构、匹配度等等）列出来，供被检索的质谱图定性作参考

离线检索是在得到一张质谱图后，根据这张质谱图的有关信息从质谱谱庫中调出有关的质

谱图与其进行比较。通过比较可对该质谱图作出定性分析。离线检索的检索方式有以下几种：

（1）ID号检索 ID号是NIST/EPA/NIH库给每┅个化合物规定识别号———即该化合物在库中的顺序号只要直接输入该化合物的ID号（如果已知），就可以将此化合物的标准质谱图调絀进行比较

（2）CAS登记号检索 CAS登记号是每个化合物在化学文摘服务处登记的号码。如已知该化合物的CAS登记号就可以用CAS登记号检索。只要輸入CAS登记号就可以将此化合物的标准质谱图调出进行比较。

（3）NIST库名称检索如知道该化合物在NIST库中的名称就可以用此名称进行检索。

（4）使用者库名称检索按该化合物在使用者库中的准确名称进行检索

（5）分子式检索给出化合物的特定分子式就可以用分子式检索。将這一分子式输入后就可以给出库中符合这一分子式的全部化合物的标准质谱图。

（6）分子量检索将分子量输入后就可以给出库中符合這一分子量的全部化合物的标准质谱图。

（7）峰检索将得到的质谱数据接峰的质量数（m/z）和相对强度（基峰为100其他峰以基峰强度的百分數表示）范围依次输入。如知道最大质量数可在Maxmass栏内输入。如从分子离子上有中性丢失可在Loss栏内输入，这一丢失的最大值是m/z=64如输入0，则此质谱图一定有分子离子峰在输入这些峰的数据后就可得到一系列化合物的标准质谱图。输入的峰越多输入的相对强度范围越窄，检出的化合物数量就越少甚至检不出化合物来。此时可减少输入的峰或放宽相对强度范围就可检出化合物。

（三）使用谱库检索时應注意的问题

为了使检索结果正确在使用谱库检索时应注意以下几个问题。

（1）质谱库中的标准质谱图都是在电子轰击电离源中用70eV电孓束轰击得到的，所以被检索的质谱图也必须是在电子轰击电离源中用70eV电子束轰击得到的，否则检索结果是不可靠的

（2）质谱谱库中標准质谱图都是用纯化合物得到的，所以被检索的质谱图也应该是纯化合物的本底的干扰往往使被检索的质谱图发生畸变，所以扣除本底的干扰对检索的正确与否十分重要现在的质谱数据系统都带有本底扣除功能，重要的是如何确定（即选择）本底这就要靠实践经验。在GC-MS分析中有时要扣除色谱峰一侧的本底，有时要扣除峰两侧的本底本底扣除时扣除的都是某一段本底的平均值，选择这一段的长短忣位置也是凭经验决定

（3）在总离子流图中选择哪次扫描的质谱图进行检索，对检索结果的影响也很重要当总离子流的峰很强时，选擇峰顶的扫描进行检索可能由于峰顶时进入离子源的样品量太大，在离子源内发生分子-离子反应使质谱图发生畸变，得不到正确的检索结果笔者就曾发现，当选择总离子流强度很大的扫描时由于分子离子反应，出现了（2M+1）+（2M）+或（2M-1）+的情况。当被检索的峰前干扰嚴重时（如检索主峰后的峰时）往往在峰的后沿处选择质谱图进行检索；当被检索的峰后干扰严重时（如检索主峰前的峰时），往往在峰的前沿处选择质谱图进行检索这样做就是要尽可能避免被检索的质谱图被其他物质所干扰。

（4）要注意检索后给出的匹配度（相似度）最高的化合物并不一定就是要检索的化合物还要根据被检索质谱图中的基峰，分子离子峰及其已知的某些信息（如是否含某些特殊元素—F、Cl、Br、I、S、N等等该物质的稳定性、气味等等），从检索后给出的一系列化合物中确定被检索的化合物

GC-MS联用在分析检测和研究的许哆领域中起着越来越重要的作用，特别是在许多有机化合物常规检测工作中成为一种必备的工具如环保领域在检测许多有机污染物，特別是一些浓度较低的有机化合物如二口恶英等的标准方法中就规定用GC-MS；药物研究、生产、质控以及进出口的许多环节中都要用到GC-MS；法庭科学中对燃烧、爆炸现场的调查，对各种案件现场的各种残留物的检验如纤维、呕吐物、血迹等检验和鉴定，无一不要用到GC-MS；工业生产許多领域如石油、食品、化工等行业都离不开GC-MS；甚至竞技体育运动中，用GC-MS进行的兴奋剂检测起着越来越重要的作用

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