GC-MS原理、仪器与分析及GC-MS/MS

什么是气相色谱质谱法?

气相色谱质谱(GC-MS)由两种非常不同的分析技术组成:气相色谱法哪个是连字符(因此使用连字符而不是正斜杠)质谱法。通常，分析仪器包括一个气相色谱仪，通过热传输线连接到质谱仪，这两种技术是串联进行的。然而，一些专业的，通常是小型或便携式仪器包含整个GC-MS在一个盒子里。

气相色谱是一种分离科学技术，用于分离样品混合物的化学成分，然后检测它们，以确定它们的存在或不存在和/或存在多少。GC探测器所提供的信息有限;这通常是二维的，给出了在分析柱上的保留时间和检测器响应。鉴定是根据样品中峰的保留时间与使用相同方法分析的已知化合物的标准峰的保留时间进行比较。然而，GC不能单独用于识别未知数，这就是MS的连字符非常有效的地方。MS可用作唯一检测器，或者可以将柱排出物在质谱检测器和气相色谱检测器之间分离。

质谱是一种测量带电粒子的质荷比(m/z)的分析技术，因此可用于确定分子质量和元素组成，以及阐明分子的化学结构。GC-MS的数据是三维的，提供了可用于身份确认或识别未知化合物的质谱，以及可用于定性和定量分析的色谱。

样品混合物首先由气相色谱分离，然后将分析物分子洗脱到MS中进行检测。¹它们由载气运输(图1(1))，载气连续流过GC并进入MS，在那里被真空系统抽真空(6)。

1.样本是第一个介绍了通过手动或自动采样器进入GC(图1(2))，并通过GC入口进入载气(图1(3))。如果样品是液体形式，则在加热的气相色谱入口中汽化，样品蒸气被转移到分析柱(图1(4))。

2.样本成分，即“分析物”，是分离通过流动相(载气)和液体固定相(保持在色谱柱内)之间的分配差异，或者对于更易挥发的气体，它们被固体固定相吸附。在GC-MS分析中，液体固定相保持在窄(0.1-0.25 mm内径)和短(10-30 m长度)的色谱柱中是最常见的。

3.分离后，GC-MS分析不需要总基线分辨率，除非分析物是同分异构体，即中性分子洗提通过加热传输线(图1(5))进入质谱仪。

4.在质谱仪中，中性分子排在第一位电离，最常见的是电子电离。在EI中，由灯丝产生的电子被加速70电子伏(eV)，并从分子中撞击出一个电子，产生一个分子离子，这是一个自由基阳离子。这种高能量电离会导致不稳定的分子离子和多余的能量可以通过碎片损失。键断会导致自由基或中性分子的丢失，分子重排也会发生。这一切的结果，有时是一个非常大的，不同质量的离子的数量，最重的是分子离子与各种低质量的碎片离子，这取决于:

• 分子式
• 分析物的分子结构
• 债券断裂发生在哪里
• 哪部分保留了费用

5. 下一步是单独的不同质量的离子，这是基于它们的m/z由质量分析器(图1(8))。

有许多不同类型的质量分析仪，这就是质量分辨率(因此仪器价格)的巨大差异。质量分辨率是质量分析仪分离离子的能力，在m/z非常小的差异。单位质量分辨率仪器只能把名义质量分离到小数点后一位，为什么高质量分辨率(HRMS)仪器可以把它们分开到小数点后四五位。

最常见的单位质量仪器是四极，这是一个扫描仪器，并改变电压，只允许一定m/z的离子有一个稳定的轨迹通过四个极点到达离子探测器。四极杆仪器有两种不同的操作模式:

• 全扫描模式，其中所有离子都是在一个质量范围内获得的，这对于识别未知物、开发方法以及对高浓度分析物进行定性和定量分析非常有用。
• 选择离子监测(SIM)模式，仅获得代表目标化合物的选定离子，可用于痕量分析，因为获得了更高的灵敏度，但仅用于目标分析物。

一个离子阱这也是一个扫描仪器，但是三维的，捕获离子在质量依赖轨道，然后将它们依次弹出，以达到离子探测器。

飞行时间(ToF)质量分析仪根据离子沿着飞行管到达离子探测器所需的时间来分离离子。在动能相同的情况下，质量较小的物体速度较高，因此最先到达;质量较大的物体速度较低，因此较晚到达。ToFMS仪器可以在质量分辨率和采集速率范围内:非常快的ToFs，单位质量分辨率的采集速率可达1000个光谱/秒，而HRMS ToFs具有较低的采集速率。对于峰宽低于30 ms的二维GC (GC x GC)应用，高采集率是很好的，但是HRMS对于确定分子式非常有用。因此，市场上有速度和质量分辨率不等的tof，其选择取决于应用，但GC峰值宽度必须匹配MS的采集速率能力。

与GC连字符的其他HRMS仪器包括磁性行业质量分析仪，它可以弯曲离子的轨迹，利用电场和磁场将它们分离。磁扇形GC-MS仪器更常用于同位素比率分析。

在人力资源管理系统orbitrap时，离子围绕中心轴旋转，它们在中心轴上上下移动的频率取决于m/z。

6.在离子被质量分析仪根据它们的m/z分离后，它们到达离子探测器(图1(9))，其中信号被放大器放大电子倍增器(对于大多数低分辨率MS)或a多渠道板(对于大多数HRMS仪器)。信号由计算机上的采集软件记录(图1(10))，为每个数据点生成色谱图和质谱。

图1: 气相色谱-质谱联用仪的简化图，显示(1) 载气，(2)自动进样器，(3)入口，(4)分析柱，(5)接口，(6)真空，(7)离子源，(8)质量分析仪，(9)离子探测器，(10)PC机。来源:Anthias Consulting。

GC-MS数据为三维，如图2所示。x轴表示保留时间;从样品注入到GC运行结束的时间。这也可以看作是扫描数，它是MS在整个运行过程中获得的数据点的数量。y轴是离子探测器测量的响应或强度(图1 (9))。z轴是在获得的质量范围内离子的m/z。

图2: GC-MS数据是三维的，可以给出扫描次数/保留时间、响应/强度和m/z。来源:Anthias Consulting。

二维色谱图如图3所示，是将单个数据点上所有离子的丰度求和，并与保留时间(RT)/扫描数作对比，得到总离子色谱图(TIC)，这与GC检测器生成的色谱图更具可比性。但是，总离子色谱图中的每个数据点都是一个单独的质谱，通常可以在软件的单独窗口中打开。在图3所示的示例中，峰值3的顶点数据点已经打开。

图3: GC-MS输出的总离子色谱(TIC)。来源:Anthias Consulting。

直链烃正癸烷的质谱示例如图4所示。分子离子，142米/z可以在最右边看到。由于癸烷是饱和烃，电离产生的多余能量不能在内部脱位，因此大多数分子离子会裂解，导致许多片段离子和低丰度的分子离子。饱和烃的链长越长，分子离子的丰度越低，直到质谱中没有观察到分子离子。然而，不饱和分子离子，特别是那些具有共轭双键的分子离子，如芳香族化合物，由于多余的能量更容易内化，因此碎片较少。从癸烷的质谱中观察到的另一个现象是，在m/z 43、57、71、85、99和113处的片段离子序列，其m/z相差14。它们是由连续的-C键重叠解理形成的₂H₄-单位，如果电荷为+1，这相当于28个统一原子质量单位(u)的质量，是碳氢化合物质谱的一个关键特征。质谱是分子的指纹，如果使用相同的电离技术和电压获得，可以与使用相同技术在相同电压下获得的谱库进行比较。最常见的商业库是产生于70 eV的EI谱。质谱还可以通过离子的质量、同位素的存在和片段离子之间的损失来解释分子的分子式和结构。

图4: 癸烷的质谱(C₁₀H₂₂)，为直链烃。

在气相色谱中，保留时间用于目标分析物的识别，通常面积用于定量。为了准确定量，峰需要具有良好的色谱分离和基线分辨率，如图3 RT1和RT2峰所示。对于GC-MS，质谱提供了一种额外的方法来确认目标分析物，使用全质谱或使用少量离子的存在和相对比例。使用GC-MS数据的定量通常来自单一的、唯一的离子的区域，因为与使用TIC峰下的区域相比，它不太可能受到共洗脱峰的干扰。因此，精确定量不需要色谱基线分辨率，只要选择一种独特的离子，该离子不存在于共洗脱峰中，从而实现峰的光谱分辨，就可以实现基线到基线的集成。

色谱和光谱分辨率的使用是非常强大的分离和识别目标分析物。然而，在非常复杂的样品(例如环境、食物或生物样品)中，分析微量分析物至飞图(fg)水平时，基质可能是压倒性的。^2，3.样品制备可用于去除大部分基体;然而，分析物分子也经常丢失。色谱上，可以使用GC x GC将基质峰从分析物峰中分离出来，其中使用了两个具有不同固定相的色谱柱。在质谱仪中，可以使用光谱分辨率，其中为目标分析物选择不存在于溶析基质峰中的唯一离子。然而，在分析这些非常复杂的样品时，这种方法经常会失败，因为来自不同腔洗脱基质峰的片段离子与来自目标峰的许多离子具有相同的m/z，从而扭曲了离子比，导致假阴性或定量不准确。

串联质谱(MS/MS)在质谱计中使用多级(质分析器)，通过减少协同洗脱基质峰的背景来增加分析物的灵敏度。不同的是，色谱致洗脱化合物可能产生具有相同m/z的分子/片段离子;然而，这些离子会有不同的结构。电离后，第一个质量分析仪选择离子，称为前体离子。下一阶段是进一步分解，这通常是用惰性气体(如氩气)通过称为碰撞诱导分离(CID)。产生的离子叫做产品离子，将取决于前体离子的结构，因此来自干扰物的产物离子质谱将与目标分析物的离子质谱不同。MS/MS的下一阶段是在离子检测器之前使用另一个质量分析仪分离产物离子。有几种不同配置的质谱/质谱仪器，包括三重四极子其中Q1用于前驱体选择，q2用作碰撞单元，Q3用作产物离子质量分析仪。三重四极杆是最常见的，因为它们是单位质量的仪器，因此更便宜。在多反应监测(MRM)模式下，一个三重四极杆的例子如图5所示。Q-ToFs使用四极杆进行前体离子选择，使用HRMS ToF作为产物离子质量分析仪。离子陷阱有能力进行MSⁿ，所有阶段都发生在单个圈闭内。除前体离子外，所有离子都被喷射出来，并施加电压与能量共振，使特定m/z的前体离子不稳定并破裂。然后可以重复这个过程以进一步分段，需要多少次就可以多少次。

通常，MS/MS仪器仅用于目标分析，而不用于未知物的常规分析。有几种操作模式，包括MRM，单反应监测(SRM)类似但更敏感，产物离子扫描其中Q3在扫描模式下操作，以获得完整的产物离子质谱和中性损耗扫描。MS/MS仪器也可以用作标准MS -这是在MS/MS技术的方法开发过程中所要求的-但是，应谨慎应用，因为所产生的质谱可能质量较低，并影响识别，特别是对于扫描仪器。一些制造商还启用双采集模式，其中，采集在MRM模式(用于目标分析)和扫描模式(用于识别未知项)之间交替进行。

图5: 多重反应监测(MRM)模式下的三重四极杆质谱/质谱仪器的一个例子。 来源:Anthias Consulting。

单独使用气相色谱是有限的，因为不可能使用标准的气相色谱检测器识别未知化合物，但当与MS配对时，这是可能的。相反，使用MS直接分析样品会产生混合质谱，难以反褶积和解释，特别是当样品中有超过几个化合物时。但与GC配对可以分离混合物。

并不是所有的化合物都可以在一个标准的气相色谱柱上分离，因此使用光谱分辨率来消除干扰的能力导致更准确的定量。质谱的反褶积能够检测基线峰和基质峰下的小峰，选择性质谱/质谱能够在非常复杂的样品中识别痕量分析物⁴几乎没有干扰。

分析物的同分异构体通常具有相同或非常相似的质谱，因此仅使用质谱很难区分它们。因此，分离它们需要色谱分辨率。个体异构体是通过它们的保留时间和良好的色谱分辨率来识别的，这是精确的整合和定量所必需的。这对于同源系列也是一样的，例如饱和碳氢化合物，超过一定的链长，就看不到分子离子，质谱看起来都是一样的。同样，必须利用保留时间来确定饱和烃的性质。

在缺乏用于化合物鉴定的分子离子方面，可以使用替代的软电离方法。例如，低eV的EI或正、负模式的化学电离可以导致更少的片段离子，防止分子离子的损失或使其峰值更强。然而，碎片模式非常多地用于化合物结构的识别，并且通常需要创建目标库，因为软电离技术很少存在，但随着软电离技术的广泛应用，这种情况正在改善。

气相色谱和质谱结合了两种相互补充的强大技术，可用于样品中化合物的分离和鉴定。当一种方法不能提供答案时，可以依赖另一种方法。

GC-MS仪器中最常见的问题是泄漏进入系统和系统污染。

MS通常有一个真空减少背景干扰和离子分子反应，增加组件的寿命，减少维护和避免任何放电，因为ms内使用高电压，需要一个非常好的真空来获得良好的灵敏度，小泄漏可以增加背景，而大泄漏阻碍真空系统。高柱流量增加了进入MS的气体分子的数量，真空系统不能足够快地将它们抽走以建立良好的真空，因此灵敏度降低。因此，当将一种方法从GC转移到GC- ms时，应使用内径较小的柱和较低的柱流量。高灵敏度分析的最大流量取决于质谱仪的真空系统。为了获得最佳的分离效率，应该了解并考虑到这一点，以及载气的最佳流速。

质谱仪是灵敏的仪器定期维护要求清洗离子源，更换真空泵内的油，以保持良好的灵敏度。通过优化进口温度，将样品中的高分子量基质保留在气相色谱进口衬垫中，易于更换，而不是转移到色谱柱中，破坏固定相，污染MS离子源。离子源污染的另一个来源是列流血。质谱仪中应安装更稳定的“-MS”色谱柱，当与质谱连接时，不应进行色谱柱调节。

例如，与gc相关的问题仍然会发生活性和样品降解特别是在样品制备较少的情况下，例如如果使用GC-MS/MS，则无法“看到”基质。

GC-MS和GC-MS/MS用于许多行业的常规分析，寻找分子量通常小于700amu的挥发性污染物，例如在食品中，²环境、⁵取证,⁶反兴奋剂⁷还有消费品⁸行业。GC-MS还用于研究，以识别未知的挥发性化合物，包括食品和香料，空间，石化，化工，农业，烟草，制药，医疗保健，能源，采矿，环境和法医等等。

例如，可以出于多种原因进行药物检测:病理、医疗保健和人类和动物的反兴奋剂。⁹尿液和血液样本等生物液体含有大量基质，通常药物的浓度很低。因此，它们的检测需要像GC-MS这样的连字符技术来开始将目标或感兴趣的化合物从基质峰中分离出来。然后，可以使用MS/MS选择性地识别它们，更常见的是MS/MS与HRMS，有时还可以使用GC x GC分离。

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作者简介:

戴安是Anthias咨询有限公司的高级顾问兼董事。她20多年来，为全球大多数行业的公司开发方法，提供支持和高质量的培训。戴安毕业于华威大学，完成了分析化学硕士学位，并开始了她在环境化学方面的职业生涯，后来作为应用化学家获得了丰富的经验。戴安在开放大学攻读博士学位期间的研究领域是疾病诊断。戴安是英国皇家化学学会分析部门的候任主席和分析化学信托基金主席。戴安是英国开放大学的访问学者和顾问。